ITS智能车辆控制系统 .doc
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1、 硕士学位论文ITS智能车辆控制系统研究与实现摘 要智能交通系统的快速发展与广泛应用,不仅能够有效地解决交通的拥堵,而且对提高交通安全,加快交通事故的处理与救援,改善客货运输管理与通行能力,减少环境污染等方面产生巨大的影响。研制一套模拟真实城市交通状态的智能交通演示开发平台,为开展交通领域前沿性研究提供物理平台和验证条件,对城市交通的发展具有重要的作用。论文从分析智能交通演示开发平台的功能结构入手,设计了平台建设的总体方案,并对各个子系统的功能进行了分析介绍,重点研究了车辆控制系统结构和方案。接着,论文对基于单片机的车辆运动控制方案进行了研究。针对小车直流电机的控制,文中分别采用PID控制、模
2、糊控制算法进行了分析研究,通过对其控制性能的比较分析确定了模型车的控制策略。在保证测速精度和控制效果的基础上,实现了小车速度的平稳控制;以磁信号为诱导方式,文中设计了小车的诱导控制方案,并对磁定位算法及诱导控制策略进行了研究,实现了车辆的精确诱导控制。针对车辆在单车道上的跟驰行驶行为,论文设计了车辆跟驰系统方案,研制了车距检测模块,实现了车距的检测。研究了基于模糊控制的车辆跟驰控制算法,实现了车辆在单车道上的跟驰行驶;基于路标/DR的组合导航,设计了DR传感器模块和路标识别模块,实现了模型车的高精度定位,满足了演示开发平台对车辆位置精度的要求。论文研究所取得的成果,已经在实际建成的平台中得到了
3、成功应用。实际运行结果表明,本文所设计的方案是可行的、正确的,达到了预期的设计要求。关键词:智能交通系统,运动控制,电机控制,诱导控制,跟驰系统,导航定位。AbstractThe rapid development and wide application of intelligent transportation system, can not only resolve the traffic jam effectively, but also have tremendous effects on heightening traffic safety, quickening the proc
4、ess and succor of traffic accident, improving the ability of transportation management and traffic passes, and reducing environment pollution. Researching a set of imitated intelligent transportation presentation development platform of real city traffic conditions can make the physics platform and
5、validation terms for doing advanced study on traffic field, and react on the important development of city traffic.Firstly, starting with analyzing the fiction and structure of the intelligent transportation system development platform, this paper designed the whole project of the platform, introduc
6、ed the fiction of every subsystem, and exactly paid much attention on the structure and design project of the intelligent vehicle system.Secondly, this paper did the research on vehicle motion control system project, which was based on MCU. Aiming at the vehicle of driving DC motor, this paper separ
7、ately adopted the PID control and the fuzzy control to analyze and study. Then from comparing among the control capability, this paper determined the control scheme. Based on the assurance of the accuracy of the speed detection and the control effect, we realized the steady speed control of the inte
8、lligent vehicle. Taking the magnetic signal as the method of the vehicle inducement, this paper designed the method of the vehicle inducement and control, researched on the algorithm of magnetic location and the inducement control tactics, then realized the accurate inducement control of the intelli
9、gent vehicle. Lastly, towards the car-following drive of the vehicle on the single lane, this paper designed the project of the car-following system, and developed the module of the distance detection to implement the distance detection of the intelligent vehicle. This paper researched on the car-fo
10、llowing control tactics, which was based on the fuzzy control, and implement the car-following drive of the vehicle on the single lane. Based on the Beacon/DR intelligent vehicle navigation method, this paper designed the DR sensor module and beacon identification module to implement the vehicle acc
11、uracy location.This technique satisfied the precision requirements in the vehicle location of the development platform. The fruits, which were from the research of this paper, had applied in the real build of the platform. The results of practical running showed that the projects designed by this pa
12、per were feasible, correct, and reaching the expectable design requirements.Keywords: ITS, Motion Control, Motor Control, Inducement Control, Car-following system, Navigation and positioning目 录第一章 绪论11.1 课题研究背景11.2 智能交通系统概述与相关技术介绍11.2.1 智能交通系统的发展11.2.2 ITS的系统组成及关键技术介绍31.3 本文主要研究内容与论文结构编排4第二章 ITS演示开发
13、平台及智能车辆系统方案研究62.1 引言62.2 ITS智能交通演示开发平台总体方案62.3 智能车辆控制系统方案设计122.3.1 智能车辆控制系统功能要求122.3.2 智能车辆系统总体方案设计122.4 本章小结13第三章 车辆运动控制系统研究与实现143.1 引言143.2 车辆运动控制系统方案设计143.3 车速控制模块研究与实现153.3.1 速度控制策略研究153.3.2 直流电机驱动模块设计与实现203.3.3 速度检测模块设计与实现233.4 车辆诱导控制研究与实现253.4.1 车辆诱导方式选择263.4.2 方向控制模块设计与实现273.4.3 车辆诱导传感器模块设计与实
14、现283.4.4 智能车辆定位及诱导控制算法研究313.5 本章小结33第四章 智能车辆跟驰系统研究与实现354.1 引言354.2 车辆跟驰系统方案设计354.3 车辆跟驰控制算法研究364.3.1 车辆跟驰行为状态分析364.3.2 车辆跟驰控制算法建立364.4 车距检测模块研制374.4.1 车距检测方法对比与选择384.4.2 光电传感器检测方法设计384.4.3 光电传感器检测电路设计404.4.4 车距检测系统测试与结果分析414.5 本章小结43第五章 智能车导航定位系统研究与实现445.1 引言445.2 智能车导航定位方案研究445.2.1 室内定位方案研究445.2.2
15、模型车导航定位系统方案设计455.3 基于路标/DR的智能车导航定位系统研究与实现465.3.1 智能车辆导航系统航位推算算法465.3.2 DR传感器模块设计与实现475.3.3 路标识别模块设计与实现485.3.4 智能车中路标/DR定位系统研究与实现505.4 本章小结51第六章 总结与展望526.1 全文主要工作总结526.2 后续研究工作展望53参考文献54致 谢58在学期间的研究成果及发表的学术论文59附录 智能交通开发平台项目部分实物照片60图 清 单图1.1 论文编排结构图5图2.1 智能交通开发平台道路模型效果图6图2.2 智能车库实景图7图2.3 平台局部效果图7图2.4
16、智能交通演示开发平台结构框图8图2.5 交通信号控制系统实物图9图2.6 ITS监控调度软件界面10图2.7 闭路电视监控系统软件界面10图2.8 基于智能交通演示开发平台可以开展的研究工作11图2.9 智能车辆控制系统结构图13图3.1 车辆运动控制系统结构图14图3.2 控制对象阶跃响应曲线图16图3.3 PID控制系统阶跃响应曲线图17图3.4 模糊控制器设置图17图3.5 模糊控制系统阶跃响应曲线图18图3.6 不同控制方式下系统阶跃响应曲线图18图3.7 车辆速度控制系统结构图19图3.8 车辆速度控制系统软件流程图19图3.9 PWM调速控制原理和电压波形图20图3.10 电机调速
17、与转向同步控制逻辑电路图22图3.11 测速传感器检测电路图22图3.12 光电码盘安装实物图23图3.13 车辆速度检测模块软件流程图25图3.14 车辆诱导控制模块结构图25图3.15 磁诱导控制示意图26图3.16 转角电位计原理图27图3.17 智能车转角示意图27图3.18 转角电位器输出电压值与小车实际转角关系曲线图28图3.19 霍尔传感器输出电压与磁场强度关系曲线29图3.20 HW300B检测电路图30图3.21 磁尺安装图30图4.1 智能车辆跟驰系统结构图35图4.2 车辆跟驰控制系统软件结构图37图4.3 反射式光电传感器常用检测电路图39图4.4 反射式光电传感器检测
18、电路图41图4.5 检测电路输出与传感器探测距离关系曲线图42图4.6 不同光照条件下实验曲线图42图5.1 智能车辆导航定位系统结构图46图5.2 航位推算算法原理图46图5.3 DR传感器数据采集软件流程图48图5.4 读卡模块接口原理图49图5.5 中断方式读卡程序流程图49图5.6 智能车辆导航定位系统软件流程图50图6.1 智能车实物图53表 清 单表3.1 L293电机驱动电路输入输出真值表21表3.2 磁传感器磁场测量范围表28表3.3 车辆横向偏差检测结果32表3.4 车辆诱导控制系统输入输出变量与语言变量对应关系表33表3.5 车辆诱导控制系统模糊控制规则表33表4.1 跟驰
19、控制系统模糊控制规则表37注 释 表序号缩写英文全称中文全称1.ITSIntelligent Transportation System智能交通系统2.GPSGlobal Positioning System全球定位系统3.DRDead Reckoning航位推算4.BBBluetooth Beacon蓝牙信标5.ETCElectronic Toll Collection电子不停车收费系统6.AVCSAdvance Vehicle Control System先进车辆控制系统7.FPGAFieldProgrammable Gate Array现场可编程门阵列8.CPLDComplex Prog
20、rammable Logic Device复杂可编程逻辑器件9.RISCReduced Instruction Set Computer精简指令集计算机10.DSPDigital Signal Process数字信号处理器11.MCUMicroControllerUnit微控制单元(单片机)12.PWMPulse Width Modulation脉冲宽度调制13.ADCAnalog to Digital Converter模数变换器14.PIDProportion Integration Differentiation比例积分微分15.AGVAutomated Guided Vehicle自导
21、引车辆16.CCDCharge Coupled Device电荷耦合器件17.GISGeography Information System地理信息系统18.ICIntegrated Circuit集成电路19.UARTUniversal Asynchronous Receiver/Transmitter通用异步接收/发送装置20.I2CInterIntegrated Circuit内部集成电路 VII第一章 绪论1.1 课题研究背景随着技术的发展,汽车工业已迅速发展成为国民经济的重要产业。越来越多的人选择汽车作为主要的出行代步工具,汽车也逐渐进入家庭成为人们日常生活中不可或缺的一部分。但车辆
22、数量的大幅度增加也带来了诸多负面效应,最突出的一点就是交通堵塞。统计资料显示,美国每年因交通堵塞造成的经济损失达780亿美元,间接经济损失更是接近1000亿美元 Jarasuniene,Aldona,Research into Intelligent Transport Systems (ITS) technologies and efficiency,Transport,v22,n2,April/June,2007:6167。中国几大城市,如北京、上海、广州、南京等,交通堵塞现象也日益严重,严重制约了城市经济的可持续发展,现已成为舆论关注的焦点。智能交通系统(Intelligent Tran
23、sport System,ITS),是将先进的计算机技术,信息技术、通讯技术、传感器技术、电子控制技术、运筹学以及人工智能等有效地综合运用于交通领域,旨在加强道路、车辆、驾驶员及环境四者之间的联系,建立一种在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的综合运输系统 沈雪松,城市车辆导航系统定位精度提高与工程化研究,南京,南京航空航天大学硕士学位论文,2005。通过ITS系统的实施,能够提高交通运输效率,缓解交通阻塞,提高路网通过能力,减少交通事故,降低能源消耗,减轻环境污染 Liu Henry,Chu Lianyu,Recker Will,Performance evaluation of I
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