清华大学-自动驾驶系统设计及应用第五章
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编码器展示：
编码器电路图
编码器示意图
5.2.6 速度采集模块
加速度计测量值随时间变化小但易受干扰；陀螺 仪受外部干扰小但测量值随时间变化大；结合加 速度计与陀螺仪使用会产生更好效果。
速度采集模块展示：
加速度计、陀螺仪示意图
5.2.7 电机驱动模块
电机模块能使单片机控制驱动电机的输出电流， 实现驱动电机正转、反转、能耗制动等功能。
（2）信息采集模块
模 块
3路线性 CCD
（3）主控制系统 （4）扩展接口
辅
陀螺仪传感器
助
检
加速度传感器
测 2路测速接口
（5）运动执行模块
扩 展
预留IO接口
接
预留AD接口
（6）通讯模块
口
（7）交互接口
稳压电源
主控制器系统
PWM
ADC
SCI I/O
SPI
ADC
自动驾驶小车的 整体系统架构
7.2V电池
运
双电机驱动模块 动 执
5.2.1 自动驾驶小车结构简介
汽车底盘组成：
（1）转向系统 （2）传动系统 （3）制动系统 （4）行驶系统
自动驾驶小车系统架构
5.2.1 自动驾驶小车结构简介
结构展示
模型车系统架构
模型车示意图
5.2.1 自动驾驶小车结构简介
自动驾驶小车的构成：
（1）滚轮式小车
信
息
电磁传感器
采
集
1路摄像头
行
2路舵机
模
块
通
讯
蓝牙模块
模
块
交 OLED液晶屏 互
接
5路按键
口
5.2.2 自动驾驶小车硬件结构
自动驾驶小车的硬件系统主要由感知模块、车速 检测模块、电源管理模块、核心控制板、电机控 制模块、舵机控制模块组成。
自动驾驶小车构造图
自动驾驶小车模块连接图
5.2.3 自动驾驶小车核心控制模块
核心控制模块（MCU）是自动驾驶小车核心的最 小系统，通过接收信息来控制小车，并对其他模 块发送指令。
视觉传感器（摄像头）通过计算机视觉识别道路 的车道线并进行实时的路径跟踪，从而实现车辆 巡航。
自动驾驶系统设计及应用 （第六册）
自动驾驶技术丛书（第六册）
自动驾驶系统设计及应用
本书思维导图
主要呈现了设计自动驾驶系统需要的5个关键点：概述、 安全、通信、测试以及应用
Chapter 5 应用——自动驾驶小车
Outline
5.1 自动驾驶小车概述 5.2 自动驾驶小车软硬件 5.3 自动驾驶小车感知配置 5.4 自动驾驶小车控制算法 5.5 自动驾驶小车实验与测试
智能小车控制器串行通信接口电路采用MAX232 驱动芯片进行串行通信。其中MAX232芯片功耗 低、集成度高、+5V 供电，具有两个接收和发射 通道。
串行接口有两种工作模式：
（1）标准模式：接口与标准RS232外设通信；
（2）非标准模式：接口电压为±5V。
串行接口电路图
5.3 自动驾驶小车感知配置
电机驱动模块展示：
双电机驱动模块
电机驱动电路原理图
5.2.7 电机驱动模块
电机的动力输出通过半轴传递给车轮，可控制车辆的 纵向位移：
（1）当车辆爬坡时，电机增加油门输出值，保证车辆稳定上行； （2）当车辆下坡时，电机减小电机转速输出值，保证车辆稳定下 行。
自动驾驶小车后桥结构图
5.2.8 自动驾驶小车通信模块
智能车辆的体系结构：
（2）反馈结构
感知
Байду номын сангаас
执行
优点： 通过关联感知模块与执行模块，可以减少算法的复杂 度，大大提高了智能小车的反应时间。 缺点： 缺少规划环节，无法达到最优政策。
5.1.1 小车结构介绍
智能车辆的体系结构：
（3）决策执行结构
规划
感知
执行
优点： ①采用异步处理技术，小车可反复自主执行。
自动驾驶小车核心板
自动驾驶小车核心板元件布置图
5.2.3 自动驾驶小车核心控制模块
K60系列微处理器配有IEEE 1558以太网、USB 2.0高速充电探测模块，支持硬件加密，并配有 模拟通道、定时/计数器、串行通信模块等丰富 的片内外设，具有多种封装形式和各种容量的 闪存选择。
MK60N512VMD100原理图
5.1 自动驾驶小车概述
智能小车的发展经历了三个阶段：
（1）1954年，美国研究出第一台固定线路的自主引导车。 （2）20世纪80年代，多数国家开始了智能车辆的研制工作。美国于 1995年成立了NAHSC（国家高速公路系统联盟），规划发展智能车辆技 术；国内国防科技大学、中科院自动化研究所开始相关研究。 （3）21世纪以来，国内外各种研究性和教学性的智能小车蓬勃发展。
②通过智能道路系统与云计算等大幅提升小车的系统性 能。
5.2 自动驾驶小车软硬件
5.2.1自动驾驶小车结构简介 5.2.2自动驾驶小车硬件结构 5.2.3自动驾驶小车核心控制模块 5.2.4时钟电路模块 5.2.5电源管理模块 5.2.6速度采集模块 5.2.7电机驱动模块 5.2.8自动驾驶小车通信模块
根据用电需求，选用+7.2V的镍氢电池作为小车
电源。
小车各功能模块电压
功能模块
电压值
系统板
+3.3V
舵机
+6.2V
摄像头
+5V
蓝牙串口
+3.3V
5.2.5 电源模块
电源模块展示
电源管理模块原理图
自动 驾驶 小车 电源 模块
5.2.6 速度采集模块
光电编码器与差速器连接后，可以计算获得智能 车的实时车速，从而更好地控制智能小车驾驶。
5.3.1 超声波 5.3.2 视觉传感器 5.3.3 电磁感应
5.3.1 超声波
超声波通过镜片发送声波，遇到障碍物会返回声 波。感知系统可以根据返回的信息获得障碍物的 各个信息。
优点：
（1）感知精度高； （2）测量范围广； （3）鲁棒性强； （4）测距速度快。
超声波检测
5.3.2 视觉传感器
5.1.1 小车结构介绍
小车平台研究的目的：
仿照驾驶员驾驶车辆行驶的过程。
小车平台主要组成部分：
（1）感知系统； （2）规划决策系统； （3）执行系统。
5.1.1 小车结构介绍
智能车辆的体系结构：
（1）分级结构（最原始结构）
感知
规划
执行
缺点： 冗余结构过多，易出现工作停滞延迟等现象。
5.1.1 小车结构介绍
5.2.4 时钟电路模块
智能小车的时钟电路模块主要由芯片主晶振和实 时时钟两个部分组成。
其中时钟电路功能是为系统上电或关闭提供时钟源。复位 电路是上电复位。JTAG接口电路是给MK60程序下载与调 试。
时钟电路
复位电路
JTAG接口电路
5.2.5 电源模块
镍氢电池具有选择重量轻、容量大的优点，适用 于对速度性能要求高的小车。
编码器电路图
编码器示意图
5.2.6 速度采集模块
加速度计测量值随时间变化小但易受干扰；陀螺 仪受外部干扰小但测量值随时间变化大；结合加 速度计与陀螺仪使用会产生更好效果。
速度采集模块展示：
加速度计、陀螺仪示意图
5.2.7 电机驱动模块
电机模块能使单片机控制驱动电机的输出电流， 实现驱动电机正转、反转、能耗制动等功能。
（2）信息采集模块
模 块
3路线性 CCD
（3）主控制系统 （4）扩展接口
辅
陀螺仪传感器
助
检
加速度传感器
测 2路测速接口
（5）运动执行模块
扩 展
预留IO接口
接
预留AD接口
（6）通讯模块
口
（7）交互接口
稳压电源
主控制器系统
PWM
ADC
SCI I/O
SPI
ADC
自动驾驶小车的 整体系统架构
7.2V电池
运
双电机驱动模块 动 执
5.2.1 自动驾驶小车结构简介
汽车底盘组成：
（1）转向系统 （2）传动系统 （3）制动系统 （4）行驶系统
自动驾驶小车系统架构
5.2.1 自动驾驶小车结构简介
结构展示
模型车系统架构
模型车示意图
5.2.1 自动驾驶小车结构简介
自动驾驶小车的构成：
（1）滚轮式小车
信
息
电磁传感器
采
集
1路摄像头
行
2路舵机
模
块
通
讯
蓝牙模块
模
块
交 OLED液晶屏 互
接
5路按键
口
5.2.2 自动驾驶小车硬件结构
自动驾驶小车的硬件系统主要由感知模块、车速 检测模块、电源管理模块、核心控制板、电机控 制模块、舵机控制模块组成。
自动驾驶小车构造图
自动驾驶小车模块连接图
5.2.3 自动驾驶小车核心控制模块
核心控制模块（MCU）是自动驾驶小车核心的最 小系统，通过接收信息来控制小车，并对其他模 块发送指令。
视觉传感器（摄像头）通过计算机视觉识别道路 的车道线并进行实时的路径跟踪，从而实现车辆 巡航。
自动驾驶系统设计及应用 （第六册）
自动驾驶技术丛书（第六册）
自动驾驶系统设计及应用
本书思维导图
主要呈现了设计自动驾驶系统需要的5个关键点：概述、 安全、通信、测试以及应用
Chapter 5 应用——自动驾驶小车
Outline
5.1 自动驾驶小车概述 5.2 自动驾驶小车软硬件 5.3 自动驾驶小车感知配置 5.4 自动驾驶小车控制算法 5.5 自动驾驶小车实验与测试
智能小车控制器串行通信接口电路采用MAX232 驱动芯片进行串行通信。其中MAX232芯片功耗 低、集成度高、+5V 供电，具有两个接收和发射 通道。
串行接口有两种工作模式：
（1）标准模式：接口与标准RS232外设通信；
（2）非标准模式：接口电压为±5V。
串行接口电路图
5.3 自动驾驶小车感知配置
电机驱动模块展示：
双电机驱动模块
电机驱动电路原理图
5.2.7 电机驱动模块
电机的动力输出通过半轴传递给车轮，可控制车辆的 纵向位移：
（1）当车辆爬坡时，电机增加油门输出值，保证车辆稳定上行； （2）当车辆下坡时，电机减小电机转速输出值，保证车辆稳定下 行。
自动驾驶小车后桥结构图
5.2.8 自动驾驶小车通信模块
智能车辆的体系结构：
（2）反馈结构
感知
Байду номын сангаас
执行
优点： 通过关联感知模块与执行模块，可以减少算法的复杂 度，大大提高了智能小车的反应时间。 缺点： 缺少规划环节，无法达到最优政策。
5.1.1 小车结构介绍
智能车辆的体系结构：
（3）决策执行结构
规划
感知
执行
优点： ①采用异步处理技术，小车可反复自主执行。
自动驾驶小车核心板
自动驾驶小车核心板元件布置图
5.2.3 自动驾驶小车核心控制模块
K60系列微处理器配有IEEE 1558以太网、USB 2.0高速充电探测模块，支持硬件加密，并配有 模拟通道、定时/计数器、串行通信模块等丰富 的片内外设，具有多种封装形式和各种容量的 闪存选择。
MK60N512VMD100原理图
5.1 自动驾驶小车概述
智能小车的发展经历了三个阶段：
（1）1954年，美国研究出第一台固定线路的自主引导车。 （2）20世纪80年代，多数国家开始了智能车辆的研制工作。美国于 1995年成立了NAHSC（国家高速公路系统联盟），规划发展智能车辆技 术；国内国防科技大学、中科院自动化研究所开始相关研究。 （3）21世纪以来，国内外各种研究性和教学性的智能小车蓬勃发展。
②通过智能道路系统与云计算等大幅提升小车的系统性 能。
5.2 自动驾驶小车软硬件
5.2.1自动驾驶小车结构简介 5.2.2自动驾驶小车硬件结构 5.2.3自动驾驶小车核心控制模块 5.2.4时钟电路模块 5.2.5电源管理模块 5.2.6速度采集模块 5.2.7电机驱动模块 5.2.8自动驾驶小车通信模块
根据用电需求，选用+7.2V的镍氢电池作为小车
电源。
小车各功能模块电压
功能模块
电压值
系统板
+3.3V
舵机
+6.2V
摄像头
+5V
蓝牙串口
+3.3V
5.2.5 电源模块
电源模块展示
电源管理模块原理图
自动 驾驶 小车 电源 模块
5.2.6 速度采集模块
光电编码器与差速器连接后，可以计算获得智能 车的实时车速，从而更好地控制智能小车驾驶。
5.3.1 超声波 5.3.2 视觉传感器 5.3.3 电磁感应
5.3.1 超声波
超声波通过镜片发送声波，遇到障碍物会返回声 波。感知系统可以根据返回的信息获得障碍物的 各个信息。
优点：
（1）感知精度高； （2）测量范围广； （3）鲁棒性强； （4）测距速度快。
超声波检测
5.3.2 视觉传感器
5.1.1 小车结构介绍
小车平台研究的目的：
仿照驾驶员驾驶车辆行驶的过程。
小车平台主要组成部分：
（1）感知系统； （2）规划决策系统； （3）执行系统。
5.1.1 小车结构介绍
智能车辆的体系结构：
（1）分级结构（最原始结构）
感知
规划
执行
缺点： 冗余结构过多，易出现工作停滞延迟等现象。
5.1.1 小车结构介绍
5.2.4 时钟电路模块
智能小车的时钟电路模块主要由芯片主晶振和实 时时钟两个部分组成。
其中时钟电路功能是为系统上电或关闭提供时钟源。复位 电路是上电复位。JTAG接口电路是给MK60程序下载与调 试。
时钟电路
复位电路
JTAG接口电路
5.2.5 电源模块
镍氢电池具有选择重量轻、容量大的优点，适用 于对速度性能要求高的小车。