專利名稱:智能雙車通信及跟隨教學(xué)實驗裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種智能雙車通信及跟隨教學(xué)實驗裝置和方法，本裝置包括安裝在前車的前車系統(tǒng)和安裝在后車的后車系統(tǒng)，前車系統(tǒng)和后車系統(tǒng)均包括主控設(shè)備、電源供壓裝置、直流電機驅(qū)動裝置、轉(zhuǎn)向控制裝置、無線通信裝置、液晶屏、測速裝置、測距裝置、撥碼開關(guān)及按鍵裝置，前后車系統(tǒng)通過測距裝置測量前后車初始車距，前后車系統(tǒng)通過無線通信裝置接收PC機發(fā)來的設(shè)定好的前車的目標(biāo)速度和目標(biāo)打角，通過增量式PID控制調(diào)整實際速度以及通過轉(zhuǎn)向控制裝置調(diào)整實際打角以接近設(shè)定值，實現(xiàn)前后車的通信及跟隨的教學(xué)過程；本裝置和方法，使高校控制類、通信工程類專業(yè)實驗教學(xué)得到良好的教學(xué)效果，使學(xué)生可以生動直觀地掌握專業(yè)知識。
【專利說明】
智能雙車通信及跟隨教學(xué)實驗裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型設(shè)及一種基于智能車的實驗教學(xué)儀器領(lǐng)域，具體設(shè)及一種實現(xiàn)智能雙 車間的通信及兩車的跟隨行駛、可供高校控制類、通信工程類專業(yè)實驗教學(xué)使用的智能雙 車通信及跟隨教學(xué)實驗裝置和實驗方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，高校實驗教學(xué)設(shè)備種類繁多，但多數(shù)為基礎(chǔ)實驗教學(xué)儀器，只有少數(shù)為針對 智能車單車控制的實驗儀器，而對于智能車前后兩車間的通信及通過前車控制后車實現(xiàn)兩 車跟隨的實驗教學(xué)儀器尚未出現(xiàn)。在教學(xué)過程中，一般高校采用軟件模擬的形式完成，實驗 結(jié)果缺乏直觀生動，不利于學(xué)生對控制技術(shù)及通信技術(shù)的了解掌握。
[0003] 專利公開號:CN204623370U，一種全自動電動車驅(qū)動系統(tǒng)用智能通信裝置，通過無 線連接實現(xiàn)中控?zé)o線模塊和手機無線模塊與手機系統(tǒng)模塊連接;其中手機系統(tǒng)模塊包括手 機用戶APP界面、手機通信模塊和手機無線模塊。其實現(xiàn)了手機用戶APP與全自動電動車之 間的通信，但沒有實現(xiàn)雙車間的通信。
[0004] 專利公開號：CN103496368A，具有學(xué)習(xí)能力的汽車協(xié)同式自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)及 方法，其中訓(xùn)練集和測試集生成模塊用于根據(jù)獲取的前車與本車行駛狀態(tài)信息生成相適應(yīng) 的訓(xùn)練集和測試集，汽車行駛狀態(tài)集模塊和汽車間安全距離模塊選擇出能夠準(zhǔn)確表達當(dāng)前 車輛狀態(tài)和車間距離的數(shù)據(jù)。其在一定程度上實現(xiàn)了后車對前車運動狀態(tài)的捕捉來實現(xiàn)后 車的跟隨行駛，但其不能形象生動地展現(xiàn)兩車狀態(tài)，不能有效應(yīng)用到高校教學(xué)中。 【實用新型內(nèi)容】
[0005] 本實用新型要解決上述問題，提出一種智能車雙車通信及跟隨的實驗裝置，具體 技術(shù)方案如下：
[0006] 智能雙車跟隨及通信實驗設(shè)備，包括安裝在前車上的前車系統(tǒng)和安裝在后車上的 后車系統(tǒng)，其特征在于：
[0007] 前車系統(tǒng)包括主控設(shè)備、電源供壓裝置、直流電機驅(qū)動裝置、轉(zhuǎn)向控制裝置、無線 通信裝置、液晶屏、測速裝置、測距裝置、撥碼開關(guān)及按鍵裝置和PC機，主控設(shè)備信號接口與 直流電機驅(qū)動裝置、轉(zhuǎn)向控制裝置、無線通信裝置、液晶屏、測速裝置、測距裝置、撥碼開關(guān) 及按鍵裝置的信號接口相連，主控設(shè)備、無線通信裝置、測速裝置、測距裝置、撥碼開關(guān)及按 鍵裝置、液晶屏、轉(zhuǎn)向控制裝置和直流電機驅(qū)動裝置的電壓輸入接口分別與電源供壓裝置 連接W獲取電壓，直流電機驅(qū)動裝置輸出端齒輪與車體后輪齒輪曬合，轉(zhuǎn)向控制裝置輸出 端通過拉桿與車體前輪轉(zhuǎn)向節(jié)相連，測速裝置輸入端測速齒輪與車體后輪齒輪曬合；
[000引主控設(shè)備中有計時器，脈沖寬度調(diào)制器，脈沖累加器，定時中斷器；
[0009]后車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和各部件之間的連接關(guān)系與上述的前車系統(tǒng)相同，前車系統(tǒng)中的 測距裝置懸置且貼合在前車車體后端上，后車系統(tǒng)中的測距裝置懸置且貼合在后車的艙機 上；
[0010] PC機可W通過無線通信裝置與前車系統(tǒng)和后車系統(tǒng)進行通信。
[0011] 進一步的技術(shù)方案：
[0012] 所述電源供壓裝置包括電池、5V穩(wěn)壓模塊、3.3V穩(wěn)壓模塊、6V穩(wěn)壓模塊、12V穩(wěn)壓模 塊、測壓模塊，電池與5V穩(wěn)壓模塊、6V穩(wěn)壓模塊的輸入接口相接，5V穩(wěn)壓模塊輸出接口與 3.3V穩(wěn)壓模塊、12V穩(wěn)壓模塊的輸入接口相接，測壓模塊輸入接口與電池相連，電源供壓裝 置的5V穩(wěn)壓模塊的輸出接口與主控設(shè)備、無線通信裝置、測速裝置、測距裝置、撥碼開關(guān)及 按鍵裝置的電壓輸入接口相連;電源供壓裝置的3.3V穩(wěn)壓模塊的輸出接口與液晶屏的電壓 輸入接口相連;電源供壓裝置的6V穩(wěn)壓模塊的輸出接口與轉(zhuǎn)向控制裝置的電壓輸入接口相 連;電源供壓裝置的12V穩(wěn)壓模塊的輸出接口與直流電機驅(qū)動裝置的電壓輸入接口相連。
[0013] 智能雙車跟隨及通信實驗方法，其特征在于，步驟如下：
[0014] 步驟一:前后車初始測距：
[0015] 前車系統(tǒng)和后車系統(tǒng)中的測距裝置配合工作，利用超聲波的發(fā)送和接收測量兩車 之間的距離，其中一個脈沖高電平時間表示超聲波從前車到后車的傳播時間，使用主控設(shè) 備中的計時器測得的脈沖高電平的時間；
[0016] 兩車之間初始距離計算公式：
[0017]初始距離Lo= t X Vvoice
[0018] 其中t是主控設(shè)備所測得的脈沖高電平時間，Vvoice是聲速，取340m/s
[0019] 步驟二:前車系統(tǒng)獲取PC機設(shè)定的前車系統(tǒng)當(dāng)前時刻目標(biāo)速度V和前車系統(tǒng)當(dāng)前 時刻的目標(biāo)打角a:
[0020] PC機給前車系統(tǒng)的無線通信裝置發(fā)送信號，前車系統(tǒng)獲取使用者在PC機上位機上 設(shè)定的前車系統(tǒng)當(dāng)前時刻目標(biāo)速度V和前車系統(tǒng)當(dāng)前時刻的目標(biāo)打角a;
[0021] 步驟前車系統(tǒng)轉(zhuǎn)向控制裝置對轉(zhuǎn)動角度的控制：
[0022] 前車系統(tǒng)將接收到的前車系統(tǒng)當(dāng)前時刻的目標(biāo)打角a經(jīng)過計算得到前車系統(tǒng)的脈 沖寬度Tl并通過主控設(shè)備的脈沖寬度調(diào)制器控制轉(zhuǎn)向控制裝置轉(zhuǎn)動，前車系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向控制 裝置的轉(zhuǎn)動角度Oi '與前車系統(tǒng)的脈沖寬度Tl的關(guān)系計算公式為：
[0023]
[0024] 其中Tl為前車系統(tǒng)的脈沖寬度，單位為ms;ai'為前車系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向控制裝置的轉(zhuǎn)動 角度，脈沖周期為20ms;
[0025] 步驟四：前車系統(tǒng)通過前車系統(tǒng)中的測速裝置獲取前車系統(tǒng)在n時刻的實際速度 vi(n)：
[0026] 用主控設(shè)備的脈沖累加器來捕捉脈沖并計數(shù)，開啟定時中斷器，就可W測得定時 中斷的周期P之內(nèi)的脈沖數(shù)X
[0027] 前車系統(tǒng)在n時刻的實際速度vi(n)計算公式；
[0028] 其中X是脈沖個數(shù)，a是測速裝置輸入端測速齒輪的齒數(shù)，d是前車后輪直徑，b是前 車后軸齒輪齒數(shù)，C是測速裝置轉(zhuǎn)動一圈所產(chǎn)生的脈沖數(shù)，P是定時中斷的周期；
[0029] 步驟五：將前車系統(tǒng)從0到n時刻為止各個時刻的實際速度V 1 ( 0 )，V 1 (1)，......vi(n)積分得到前車系統(tǒng)從0到n時刻為止所走過的路程Si(n):
[0030] 主控設(shè)備所計算出的前車系統(tǒng)的實際速度為離散變量vi(i)，其中vi(i)為前車系 統(tǒng)在i時刻的實際速度，其中i時刻為從0時刻到n時刻運一時間段中的任一時刻，故積分公 式簡化戈
即只需把前車從0到n時刻為止各個時刻的實際速度求和就能得到 前車系統(tǒng)從0到n時刻為止前車系統(tǒng)所走的路程Si(n);
[0031] 步驟六:通過增量式PID控制，使前車系統(tǒng)在n+1時刻的實際速度vi(n+l)接近預(yù)定 的前車系統(tǒng)當(dāng)前時刻目標(biāo)速度V :
[0032] 由于實際速度與目標(biāo)速度總有偏差，使用增量式PID速度調(diào)節(jié)提高車速的穩(wěn)定性， 減小實際速度與目標(biāo)速度的偏差，在n時刻將測速裝置獲取的前車系統(tǒng)在n時刻的實際速度 vi(n)與前車系統(tǒng)當(dāng)前時刻目標(biāo)速度V進行比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的調(diào)整；
[0033] 設(shè)n時刻電機電壓Un為控制量，增量式PID輸出的控制量的增量為A Un,則n-1時刻 電機電壓為Un-I，增量式PID輸出的是控制量的增量為A Un-I;
[0034] 因此電機電壓應(yīng)是化= Un-I+A化
[0035] 增量式PID輸出的是控制量的增量 AUn = Un-Un-l = A(en-en-l)+Ben+C(en-2en-l+ 6n-2 )；
[0036] 前車系統(tǒng)當(dāng)前時刻目標(biāo)速度V和前車系統(tǒng)在n時刻的實際速度Vi (n)的差值為en = V-Vi (n)，en-1 = V-Vi (n-1), en-2 = V-Vi (n-2) A, B, C為待定參數(shù)；
[0037] 待定參數(shù)A，B，C的取值按W下方法：
[0038] 先把待定參數(shù)B，C設(shè)定為0,把待定參數(shù)A從0開始逐漸增大，不斷地運行前車系統(tǒng) 或后車系統(tǒng)，直到前車系統(tǒng)或后車系統(tǒng)剛好發(fā)生超調(diào)，待定參數(shù)A設(shè)為前車系統(tǒng)或后車系統(tǒng) 剛好發(fā)生超調(diào)時的60%到80% ;
[0039] 然后參數(shù)A不變，把待定參數(shù)B從0開始逐漸增大，不斷地運行前車系統(tǒng)或后車系 統(tǒng)，直到前車系統(tǒng)或后車系統(tǒng)剛好發(fā)生超調(diào)，待定參數(shù)的受為前車系統(tǒng)或后車系統(tǒng)剛好發(fā)生 超調(diào)時的60%到80% ;
[0040] 最后待定參數(shù)村受為0;
[0041] 步驟屯:前車系統(tǒng)通過無線通信裝置，給后車系統(tǒng)發(fā)送前車系統(tǒng)當(dāng)前時刻目標(biāo)速 度V，前車系統(tǒng)當(dāng)前時刻的目標(biāo)打角aW及前車系統(tǒng)從0到n時刻為止前車系統(tǒng)所走的路程Si (n)：
[0042] 前車系統(tǒng)將從PC機接收到的全部數(shù)據(jù)包括前車系統(tǒng)當(dāng)前時刻目標(biāo)速度V，前車系 統(tǒng)當(dāng)前時刻的目標(biāo)打角CtW及前車系統(tǒng)從0到n時刻為止前車系統(tǒng)所走的路程Si(n)，通過前 車系統(tǒng)和后車系統(tǒng)中的無線通信裝置發(fā)送給后車系統(tǒng)；
[0043] 后車系統(tǒng)接收到前車系統(tǒng)當(dāng)前時刻的目標(biāo)打角a和前車系統(tǒng)從0到n時刻為止前車 系統(tǒng)所走的路程Si(n)后，由于前車系統(tǒng)不同時刻的目標(biāo)打角a的值是不同的，將不同時刻 的曰的值W數(shù)組的形式保存，使a(n)=a;
[0044] 其中a(n)是的前車系統(tǒng)在n時刻的目標(biāo)打角，且a(n)和Si(n)--對應(yīng)
[0045] 步驟八:后車系統(tǒng)根據(jù)自己所在位置，調(diào)整后車系統(tǒng)當(dāng)前時刻的目標(biāo)打角曰2
[0046] 后車速度積分得到后車到m時刻為止后車所走過的路程S2(m)
[0047] 由積分公式
導(dǎo)到后車路程S2(m)
[0048] 由步驟一測得前后車初始距離Lo,再測出后車車身的長度拉，因此后車的初始路程 為-(Lo巧2)，后車路程S2在-(Lo巧2)到0之間艙機打角為0,后車路程S2〉0之后按照前車發(fā)來 的數(shù)據(jù)行駛；
[0049] 后車系統(tǒng)接收到的前車路程Si和后車計算得到的后車路程S2都是離散的，所W在m 時刻后車系統(tǒng)計算得到的后車路程S2(m)可能是在已接收并保存的兩個相鄰路程Si(n)和Si (n+1)之間，后車系統(tǒng)將取所保存的兩個路程所對應(yīng)的兩個目標(biāo)打角取平均值后作為后車 系統(tǒng)當(dāng)前時刻的目標(biāo)打角曰2;
[0050] 例如:m時刻后車系統(tǒng)檢測到自己的當(dāng)前路程為S2(m)，而后車系統(tǒng)通過步驟屯接 收到的前車路程Si內(nèi)最接近S2(m)的有兩組數(shù)據(jù)Si(n)、Si(n+l)，其中，Si(n)為前車系統(tǒng)從0 到n時刻為止前車系統(tǒng)所走的路程，Si(n+1)為前車系統(tǒng)從0到n+1時刻為止前車系統(tǒng)所走的 路程
[0051] 與前車系統(tǒng)從0到n時刻為止前車系統(tǒng)所走的路程Si(n)對應(yīng)的打角是前車系統(tǒng)在 n時刻的目標(biāo)打角a (n);
[0052] 與前車系統(tǒng)從0到n+1時刻為止前車系統(tǒng)所走的路程Si (n+1)對應(yīng)的打角是前車系 統(tǒng)在n+1時刻的目標(biāo)打角a (n+1);
[0053] 則后車系統(tǒng)當(dāng)前時刻的目標(biāo)打角02滿足W下關(guān)系：
[0054] a2 = a(n) (S2(m) = Si(n))
[0055] a2=(a(n)+a(n+l))/2 (Si(n)<S2(m)<Si(n+l))
[0056] a2 = a(n+l) (82(111) = Si(n+l))
[0057] 步驟九：后車系統(tǒng)根據(jù)后車系統(tǒng)m時刻的目標(biāo)打角02控制轉(zhuǎn)向控制裝置實現(xiàn)轉(zhuǎn)向， 根據(jù)前車系統(tǒng)m時刻的目標(biāo)速度V和后車系統(tǒng)在m時刻的實際速度V2(m)通過PID調(diào)節(jié)控制智 能車m+1時刻的實際速度V2(m+1);
[0058] 經(jīng)過計算得到后車系統(tǒng)的的脈沖寬度T2并通過轉(zhuǎn)向控制裝置控制轉(zhuǎn)向，后車系統(tǒng) 的轉(zhuǎn)向控制裝置的轉(zhuǎn)動角度02'與后車系統(tǒng)的脈沖寬度T2的關(guān)系計算公式為：
[0化9]
[0060] 其中T2為正脈沖寬度(ms) ;〇2'為后車系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向控制裝置的轉(zhuǎn)動角度;脈沖周期 為 20ms
[0061] 之后用主控設(shè)備的脈沖計數(shù)器來捕捉脈沖并計數(shù)，開啟定時中斷，就可W測得定 時中斷的周期P之內(nèi)的脈沖數(shù)X
[0062] 后車系統(tǒng)在m時刻的實際速度V2(m)計算公式：
[0063] 其中X是脈沖個數(shù)，a是測速裝置輸入端測速齒輪的齒數(shù)，d '是后車后輪直徑，b '是 后車后軸齒輪齒數(shù)，C是測速裝置轉(zhuǎn)動一圈所產(chǎn)生的脈沖數(shù)，P是定時中斷的周期；
[0064] 再經(jīng)過增量式PID控制：
[0065] 由于實際速度與目標(biāo)速度總有偏差，使用增量式PID速度調(diào)節(jié)提高車速的穩(wěn)定性， 減小實際速度與目標(biāo)速度的偏差，在m時刻將測速裝置獲取的后車系統(tǒng)在m時刻的實際速度 V2(m)與前車系統(tǒng)當(dāng)前時刻的目標(biāo)速度V進行比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的調(diào)整；
[0066] 設(shè)m時刻電機電壓Um為控制量，增量式PID輸出的控制量的增量為A Um,則m-1時刻 電機電壓為Um-I，增量式PID輸出的是控制量的增量為A Um-I;
[0067] 因此電機電壓應(yīng)是Um = Um-I+A Um
[006引增里式PID輸出的是枉制里的增里 A Um二 Um-Um-I 二 A ( em-Gm-I ) +Bem+C ( em-2em-l + em-2 )；
[0069] 前車系統(tǒng)當(dāng)前時刻的目標(biāo)速度V和后車系統(tǒng)在m時刻的實際速度V2(m)的差值為em =V-V2(m)，em-i = V-V2(m-1), em-2 = V-V2(m-2)A,B, C為待定參數(shù)；
[0070] 待定參數(shù)A，B，C的取值按W下方法：
[0071 ]先把待定參數(shù)B，C設(shè)定為0，把待定參數(shù)A從0開始逐漸增大，不斷地運行前車系統(tǒng) 或后車系統(tǒng)，直到前車系統(tǒng)或后車系統(tǒng)剛好發(fā)生超調(diào)，待定參數(shù)A設(shè)為前車系統(tǒng)或后車系統(tǒng) 剛好發(fā)生超調(diào)時的60%到80% ;
[0072] 然后參數(shù)A不變，把待定參數(shù)B從0開始逐漸增大，不斷地運行前車系統(tǒng)或后車系 統(tǒng)，直到前車系統(tǒng)或后車系統(tǒng)剛好發(fā)生超調(diào)，待定參數(shù)的受為前車系統(tǒng)或后車系統(tǒng)剛好發(fā)生 超調(diào)時的60 %到80 %;
[0073] 最后待定參數(shù)C設(shè)為0;
[0074] 步驟十:后車系統(tǒng)的無線通信裝置把后車系統(tǒng)在m時刻的實際速度V2(m)和后車系 統(tǒng)在m時刻的所走的路程S2(m)發(fā)送給PC機并在PC機上顯示。
[0075] 本實用新型的有益效果在于：
[0076] 1.通過PC機操作系統(tǒng)軟件，使用者可W根據(jù)實際情況、實驗需要設(shè)定前車的目標(biāo) 轉(zhuǎn)角和目標(biāo)速度;同時使用者可W形象直觀地了解智能雙車的行駛狀態(tài)。
[0077] 2.通過PC機無線通信裝置與智能雙車間的通信，可W實現(xiàn)根據(jù)使用者的意愿進行 相關(guān)的調(diào)試。
[0078] 3.通過雙車間通信，可W使前車系統(tǒng)將自身的參數(shù)及狀況及時發(fā)送給后車系統(tǒng)， 使后車系統(tǒng)通過計算處理實現(xiàn)智能雙車的通信及跟隨。
[0079] 4.本實用新型操作簡單，易于調(diào)試，使使用者易于掌握主控設(shè)備工作原理、無線通 信裝置通信原理，可W生動直觀的展示智能車控制的結(jié)果，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
【附圖說明】
：
[0080] 圖1是本實用新型所述的智能雙車通信及跟隨教學(xué)實驗裝置的前車系統(tǒng)和后車系 統(tǒng)的各部件連接關(guān)系示意圖；
[0081] 圖2是本實用新型所述的智能雙車通信及跟隨教學(xué)實驗裝置的前車系統(tǒng)的整體物 理結(jié)構(gòu)示意圖；
[0082] 圖3是本實用新型所述的智能雙車通信及跟隨教學(xué)實驗裝置的后車系統(tǒng)的整體物 理結(jié)構(gòu)示意圖；
[0083] 圖4是本實用新型所述的智能雙車通信及跟隨教學(xué)實驗方法的流程框圖；
[0084] 圖中：1.主控設(shè)備，2.電源供壓裝置，3.直流電機驅(qū)動裝置，4.轉(zhuǎn)向控制裝置，5.無 線通信裝置，6.液晶屏，7.測速裝置，8.測距裝置，9.撥碼開關(guān)及按鍵裝置，10.電池。
【具體實施方式】：
[0085] 前車系統(tǒng)包括主控設(shè)備1、電源供壓裝置2、直流電機驅(qū)動裝置3、轉(zhuǎn)向控制裝置4、 無線通信裝置5、液晶屏6、測速裝置7、測距裝置8、撥碼開關(guān)及按鍵裝置9和PC機，主控設(shè)備I 信號接口與直流電機驅(qū)動裝置3、轉(zhuǎn)向控制裝置4、無線通信裝置5、液晶屏6、測速裝置7、測 距裝置8、撥碼開關(guān)及按鍵裝置9的信號接口相連，主控設(shè)備1、無線通信裝置5、測速裝置7、 測距裝置8、撥碼開關(guān)及按鍵裝置9、液晶屏6、轉(zhuǎn)向控制裝置4和直流電機驅(qū)動裝置3的電壓 輸入接口分別與電源供壓裝置2連接W獲取電壓，直流電機驅(qū)動裝置3輸出端齒輪與車體后 輪齒輪曬合，轉(zhuǎn)向控制裝置4輸出端通過拉桿與車體前輪轉(zhuǎn)向節(jié)相連，測速裝置7輸入端測 速齒輪與車體后輪齒輪曬合；
[0086] 主控設(shè)備1中有計時器，脈沖寬度調(diào)制器，脈沖累加器，定時中斷器；
[0087] 后車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和各部件之間的連接關(guān)系與上述的前車系統(tǒng)相同，前車系統(tǒng)中的 測距裝置8懸置且貼合在前車車體后端上，后車系統(tǒng)中的測距裝置8懸置且貼合在后車的艙 機上；
[0088] PC機可W通過無線通信裝置5與前車系統(tǒng)和后車系統(tǒng)進行通信。
[0089] 所述電源供壓裝置2包括電池10、5V穩(wěn)壓模塊、3.3V穩(wěn)壓模塊、6V穩(wěn)壓模塊、12V穩(wěn) 壓模塊、現(xiàn)化模塊，電池10與5V穩(wěn)壓模塊、6V穩(wěn)壓模塊的輸入接口相接，5V穩(wěn)壓模塊輸出接 口與3.3V穩(wěn)壓模塊、12V穩(wěn)壓模塊的輸入接口相接，測壓模塊輸入接口與電池10相連，電源 供壓裝置2的5V穩(wěn)壓模塊的輸出接口與主控設(shè)備1、無線通信裝置5、測速裝置7、測距裝置8、 撥碼開關(guān)及按鍵裝置9的電壓輸入接口相連;電源供壓裝置2的3.3V穩(wěn)壓模塊的輸出接口與 液晶屏6的電壓輸入接口相連；電源供壓裝置2的6V穩(wěn)壓模塊的輸出接口與轉(zhuǎn)向控制裝置4 的電壓輸入接口相連；電源供壓裝置2的12V穩(wěn)壓模塊的輸出接口與直流電機驅(qū)動裝置3的 電壓輸入接口相連。
[0090] 所述電源供壓裝置2的5V穩(wěn)壓模塊應(yīng)用的主要忍片為LM2940或TPS7350; 3.3V穩(wěn)壓 模塊應(yīng)用的主要忍片為4151117^?57333;6￥穩(wěn)壓模塊應(yīng)用的主要忍片為1112941或1112956; 12V穩(wěn)壓模塊應(yīng)用的主要忍片為MC34063。
[0091] 所述直流電機驅(qū)動裝置3,包括驅(qū)動電路模塊和直流電機。
[0092] 驅(qū)動電路模塊，電壓輸入接口與12V穩(wěn)壓模塊的輸出接口相接，信號輸入接口與主 控設(shè)備1脈沖寬度調(diào)制器接口相接，輸出接口與直流電機輸入接口相接。驅(qū)動電路模塊，采 用H橋4mos管方案，采用雙IR2104驅(qū)動方案。
[0093] 直流電機輸入接口與驅(qū)動電路模塊輸出接口相接，輸出端齒輪與智能車車體后輪 齒輪曬合。
[0094] 所述轉(zhuǎn)向控制裝置4，應(yīng)用艙機實現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制。
[0095] 艙機，電壓輸入接口與6V穩(wěn)壓模塊的輸出接口相接，信號輸入接口與主控設(shè)備1外 設(shè)接口脈沖寬度調(diào)制器相接，輸出端通過拉桿與智能車車體前輪轉(zhuǎn)向節(jié)相連。
[0096] 所述無線通信裝置5,電壓輸入接口與5V穩(wěn)壓模塊的輸出接口相接，信號輸入接口 與主控設(shè)備1外設(shè)接口異步串行接口相接，無線通信裝置5與PC機進行通信。
[0097] 所述液晶屏6，電壓輸入接口與3.3V穩(wěn)壓模塊的輸出接口相接，信號輸入接口與主 控設(shè)備1外設(shè)接口 I/O接口相接。
[0098] 所述測速裝置7,采用光電編碼器作為測速裝置7。
[0099] 所述測距裝置8,電壓輸入接口與5V穩(wěn)壓模塊的輸出接口相接，信號輸出接口主控 設(shè)備1外設(shè)接口模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊相連。
[0100]所述撥碼開關(guān)及按鍵裝置9,電壓輸入接口與5V穩(wěn)壓模塊的輸出接口相接，信號輸 出接口主控設(shè)備1外設(shè)接口 I/O接口相連。
[0101 ]所述的智能雙車跟隨及通信實驗方法，步驟如下：
[0102] 步驟一:前后車初始測距
[0103] 前車系統(tǒng)和后車系統(tǒng)中的測距裝置8配合工作，利用超聲波的發(fā)送和接收測量兩 車之間的距離，其中一個脈沖高電平時間表示超聲波從前車到后車的傳播時間，使用主控 設(shè)備1中的計時器測得的脈沖高電平的時間；
[0104] 兩車之間初始距離計算公式：
[0105] 初始距離Lo= t X Vvoice
[0106] 其中t是主控設(shè)備1所測得的脈沖高電平時間，Vvoice是聲速，取340m/s
[0107] 步驟二:前車系統(tǒng)獲取PC機設(shè)定的前車系統(tǒng)當(dāng)前時刻目標(biāo)速度V和前車系統(tǒng)當(dāng)前 時刻的目標(biāo)打角a:
[0108] PC機給前車系統(tǒng)的無線通信裝置5發(fā)送信號，前車系統(tǒng)獲取使用者在PC機上位機 上設(shè)定的前車系統(tǒng)當(dāng)前時刻目標(biāo)速度V和前車系統(tǒng)當(dāng)前時刻的目標(biāo)打角a;
[0109] 步驟前車系統(tǒng)轉(zhuǎn)向控制裝置4對轉(zhuǎn)動角度的控制
[0110] 前車系統(tǒng)將接收到的前車系統(tǒng)當(dāng)前時刻的目標(biāo)打角a經(jīng)過計算得到前車系統(tǒng)的脈 沖寬度Tl并通過主控設(shè)備1的脈沖寬度調(diào)制器控制轉(zhuǎn)向控制裝置4轉(zhuǎn)動，前車系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向控 制裝置4的轉(zhuǎn)動角度ai'與前車系統(tǒng)的脈沖寬度Tl的關(guān)系計算公式為：
[0111]
[0112] 其中Tl為前車系統(tǒng)的脈沖寬度，單位為ms;ai'為前車系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向控制裝置4的轉(zhuǎn)動 角度，脈沖周期為20ms;
[0113] 步驟四：前車系統(tǒng)通過前車系統(tǒng)中的測速裝置7獲取前車系統(tǒng)在n時刻的實際速度 vi(n)
[0114] 用主控設(shè)備1的脈沖累加器來捕捉脈沖并計數(shù)，開啟定時中斷器，就可W測得定時 中斷的周期P之內(nèi)的脈沖數(shù)X
[0115] 前車系統(tǒng)在n時刻的實際速度vi(n)計算公式；
[0116] 其中X是脈沖個數(shù)，a是測速裝置7輸入端測速齒輪的齒數(shù)，d是前車后輪直徑，b是 前車后軸齒輪齒數(shù)，C是測速裝置轉(zhuǎn)動一圈所產(chǎn)生的脈沖數(shù)，P是定時中斷的周期；
[0117] 步驟五：將前車系統(tǒng)從0到n時刻為止各個時刻的實際速度Vi(O)，Vi (1)，......vi(n)積分得到前車系統(tǒng)從0到n時刻為止所走過的路程Si(n)
[0118] 主控設(shè)備1所計算出的前車系統(tǒng)的實際速度為離散變量vi(i)，其中vi(i)為前車系 統(tǒng)在i時刻的實際速度，其中i時刻為從0時刻到n時刻運一時間段中的任一時刻，故積分公 式簡化戈
即只需把前車從0到n時刻為止各個時刻的實際速度求和就能得到 前車系統(tǒng)從0到n時刻為止前車系統(tǒng)所走的路程Si(n);
[0119] 步驟六:通過增量式PID控制，使前車系統(tǒng)在n+1時刻的實際速度vi(n+l)接近預(yù)定 的前車系統(tǒng)當(dāng)前時刻目標(biāo)速度V;
[0120] 增量式PID控制：
[0121] 由于實際速度與目標(biāo)速度總有偏差，使用增量式PID速度調(diào)節(jié)提高車速的穩(wěn)定性， 減小實際速度與目標(biāo)速度的偏差，在n時刻將測速裝置7獲取的前車系統(tǒng)在n時刻的實際速 度vi(n)與前車系統(tǒng)當(dāng)前時刻目標(biāo)速度V進行比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的調(diào)整；
[0122] 設(shè)n時刻電機電壓Un為控制量，增量式PID輸出的控制量的增量為A Un,則n-1時刻 電機電壓為Un-I，增量式PID輸出的是控制量的增量為A Un-I;
[0123] 因此電機電壓應(yīng)是化=Un-I+A化
[0124] 增量式PID輸出的是控制量的增量 A Un = Un-Un-I = A(Gn-Gn-I)+Ben+C(en-2en-l + en-2)；
[0125] 前車系統(tǒng)當(dāng)前時刻目標(biāo)速度V和前車系統(tǒng)在n時刻的實際速度vi(n)的差值為en = V-Vi (n)，en-i = V-Vi (n-1), en-2 = V-Vi (n-2) A, B, C為待定參數(shù)；
[01%]待定參數(shù)A，B，C的取值按W下方法：
[0127] 先把待定參數(shù)B，C設(shè)定為0，把待定參數(shù)A從0開始逐漸增大，不斷地運行前車系統(tǒng) 或后車系統(tǒng)，直到前車系統(tǒng)或后車系統(tǒng)剛好發(fā)生超調(diào)，待定參數(shù)A設(shè)為前車系統(tǒng)或后車系統(tǒng) 剛好發(fā)生超調(diào)時的60%到80% ;
[0128] 然后參數(shù)A不變，把待定參數(shù)B從0開始逐漸增大，不斷地運行前車系統(tǒng)或后車系 統(tǒng)，直到前車系統(tǒng)或后車系統(tǒng)剛好發(fā)生超調(diào)，待定參數(shù)的受為前車系統(tǒng)或后車系統(tǒng)剛好發(fā)生 超調(diào)時的60 %到80 %;
[0129] 最后待定參數(shù)C設(shè)為0;
[0130] 步驟屯:前車系統(tǒng)通過無線通信裝置5,給后車系統(tǒng)發(fā)送前車系統(tǒng)當(dāng)前時刻目標(biāo)速 度V，前車系統(tǒng)當(dāng)前時刻的目標(biāo)打角aW及前車系統(tǒng)從0到n時刻為止前車系統(tǒng)所走的路程Si (n)：
[0131] 前車系統(tǒng)將從PC機接收到的全部數(shù)據(jù)包括前車系統(tǒng)當(dāng)前時刻目標(biāo)速度V，前車系 統(tǒng)當(dāng)前時刻的目標(biāo)打角aW及前車系統(tǒng)從0到n時刻為止前車系統(tǒng)所走的路程Si(n)，通過前 車系統(tǒng)和后車系統(tǒng)中的無線通信裝置5發(fā)送給后車系統(tǒng)；
[0132] 后車系統(tǒng)接收到前車系統(tǒng)當(dāng)前時刻的目標(biāo)打角a和前車系統(tǒng)從0到n時刻為止前車 系統(tǒng)所走的路程Si(n)后，由于前車系統(tǒng)不同時刻的目標(biāo)打角a的值是不同的，將不同時刻 的曰的值W數(shù)組的形式保存，使a(n)=a;
[0133] 其中a (n)是的前車系統(tǒng)在n時刻的目標(biāo)打角，且a (n)和Si (n)-一對應(yīng)
[0134] 步驟八:后車系統(tǒng)根據(jù)自己所在位置，調(diào)整后車系統(tǒng)當(dāng)前時刻的目標(biāo)打角曰2
[0135] 后車速度積分得到后車到m時刻為止后車所走過的路程S2(m)
[0136] 由積分公式
尋到后車路程S2(m)
[0137] 由步驟一測得前后車初始距離Lo,再測出后車車身的長度拉，因此后車的初始路程 為-(Lo巧2)，后車路程S2在-(Lo巧2)到0之間艙機打角為0，后車路程S2〉0之后按照前車發(fā)來 的數(shù)據(jù)行駛；
[0138] 后車系統(tǒng)接收到的前車路程Si和后車計算得到的后車路程S2都是離散的，所W在m 時刻后車系統(tǒng)計算得到的后車路程S2(m)可能是在已接收并保存的兩個相鄰路程Si(n)和Si (n+1)之間，后車系統(tǒng)將取所保存的兩個路程所對應(yīng)的兩個目標(biāo)打角取平均值后作為后車 系統(tǒng)當(dāng)前時刻的目標(biāo)打角曰2;
[0139] 例如:m時刻后車系統(tǒng)檢測到自己的當(dāng)前路程為S2(m)，而后車系統(tǒng)通過步驟屯接 收到的前車路程Si內(nèi)最接近S2(m)的有兩組數(shù)據(jù)Si(n)、Si(n+l)，其中，Si(n)為前車系統(tǒng)從0 到n時刻為止前車系統(tǒng)所走的路程，Si(n+1)為前車系統(tǒng)從0到n+1時刻為止前車系統(tǒng)所走的 路程
[0140] 與前車系統(tǒng)從0到n時刻為止前車系統(tǒng)所走的路程Si(n)對應(yīng)的打角是前車系統(tǒng)在 n時刻的目標(biāo)打角a (n);
[0141] 與前車系統(tǒng)從0到n+1時刻為止前車系統(tǒng)所走的路程Si(n+1)對應(yīng)的打角是前車系 統(tǒng)在n+1時刻的目標(biāo)打角a (n+1);
[0142] 則后車系統(tǒng)當(dāng)前時刻的目標(biāo)打角02滿足W下關(guān)系：
[0143] a2 = a(n) (S2(m) = Si(n))
[0144] a2=(a(n)+a(n+l))/2 (Si(n)<S2(m)<Si(n+l))
[0145] a2 = a(n+l) (S2(m) = Si(n+l))
[0146] 步驟九：后車系統(tǒng)根據(jù)后車系統(tǒng)m時刻的目標(biāo)打角02控制轉(zhuǎn)向控制裝置4實現(xiàn)轉(zhuǎn) 向，根據(jù)前車系統(tǒng)m時刻的目標(biāo)速度V和后車系統(tǒng)在m時刻的實際速度V2(m)通過PID調(diào)節(jié)控 制智能車m+1時刻的實際速度V2(m+1);
[0147] 經(jīng)過計算得到后車系統(tǒng)的的脈沖寬度T2并通過轉(zhuǎn)向控制裝置4控制轉(zhuǎn)向，后車系 統(tǒng)的轉(zhuǎn)向控制裝置4的轉(zhuǎn)動角度02'與后車系統(tǒng)的脈沖寬度T2的關(guān)系計算公式為：
[014 引
[0149] 其中T2為正脈沖寬度(ms) ;〇2'為后車系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向控制裝置4的轉(zhuǎn)動角度;脈沖周期 為20ms
[0150] 之后用主控設(shè)備1的脈沖計數(shù)器來捕捉脈沖并計數(shù)，開啟定時中斷，就可W測得定 時中斷的周期P之內(nèi)的脈沖數(shù)X
[0151] 后車系統(tǒng)在m時刻的實際速度V2(m)計算公式
[0152] 其中X是脈沖個數(shù)，a是測速裝置7輸入端測速齒輪的齒數(shù)，d'是后車后輪直徑，b' 是后車后軸齒輪齒數(shù)，C是測速裝置轉(zhuǎn)動一圈所產(chǎn)生的脈沖數(shù)，P是定時中斷的周期；
[0153] 再經(jīng)過增量式PID控制：
[0154] 由于實際速度與目標(biāo)速度總有偏差，使用增量式PID速度調(diào)節(jié)提高車速的穩(wěn)定性， 減小實際速度與目標(biāo)速度的偏差，在m時刻將測速裝置7獲取的后車系統(tǒng)在m時刻的實際速 度V2(m)與前車系統(tǒng)當(dāng)前時刻的目標(biāo)速度V進行比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的調(diào)整；
[0155] 設(shè)m時刻電機電壓Um為控制量，增量式PID輸出的控制量的增量為A Um,則m-1時刻 電機電壓為Um-I，增量式PID輸出的是控制量的增量為A Um-I;
[0156] 因此電機電壓應(yīng)是Um = Um-I+A Um
[01 57]增里式PID輸出的是枉制里的增里 A Um二 Um-Um-I 二 A ( em-Gm-I ) +Bem+C ( em-2em-l + em-2 )；
[0158]前車系統(tǒng)當(dāng)前時刻的目標(biāo)速度V和后車系統(tǒng)在m時刻的實際速度V2 (m)的差值為em =V-V2(m)，em-1 = V-V2(m-1), em-2 = V-V2(m-2)A,B, C為待定參數(shù)；
[0159 ]待定參數(shù)A，B，C的取值按W下方法：
[0160] 先把待定參數(shù)B，C設(shè)定為0，把待定參數(shù)A從0開始逐漸增大，不斷地運行前車系統(tǒng) 或后車系統(tǒng)，直到前車系統(tǒng)或后車系統(tǒng)剛好發(fā)生超調(diào)，待定參數(shù)A設(shè)為前車系統(tǒng)或后車系統(tǒng) 剛好發(fā)生超調(diào)時的60%到80% ;
[0161] 然后參數(shù)A不變，把待定參數(shù)B從0開始逐漸增大，不斷地運行前車系統(tǒng)或后車系 統(tǒng)，直到前車系統(tǒng)或后車系統(tǒng)剛好發(fā)生超調(diào)，待定參數(shù)的受為前車系統(tǒng)或后車系統(tǒng)剛好發(fā)生 超調(diào)時的60 %到80 %;
[0162] 最后待定參數(shù)C設(shè)為0;
[0163] 步驟十：后車系統(tǒng)的無線通信裝置5把后車系統(tǒng)在m時刻的實際速度V2(m)和后車 系統(tǒng)在m時刻的所走的路程S2(m)發(fā)送給PC機并在PC機上顯示。
【主權(quán)項】
1. 智能雙車跟隨及通信實驗設(shè)備，包括安裝在前車上的前車系統(tǒng)和安裝在后車上的后 車系統(tǒng)，其特征在于： 前車系統(tǒng)包括主控設(shè)備（1)、電源供壓裝置(2)、直流電機驅(qū)動裝置(3)、轉(zhuǎn)向控制裝置 (4) 、無線通信裝置(5)、液晶屏(6)、測速裝置(7)、測距裝置(8)、撥碼開關(guān)及按鍵裝置(9)和 PC機，主控設(shè)備（1)信號接口與直流電機驅(qū)動裝置（3)、轉(zhuǎn)向控制裝置(4)、無線通信裝置 (5) 、液晶屏(6)、測速裝置(7)、測距裝置(8)、撥碼開關(guān)及按鍵裝置(9)的信號接口相連，主 控設(shè)備（1)、無線通信裝置(5)、測速裝置(7)、測距裝置(8)、撥碼開關(guān)及按鍵裝置(9)、液晶 屏(6)、轉(zhuǎn)向控制裝置(4)和直流電機驅(qū)動裝置(3)的電壓輸入接口分別與電源供壓裝置(2) 連接以獲取電壓，直流電機驅(qū)動裝置(3)輸出端齒輪與車體后輪齒輪嚙合，轉(zhuǎn)向控制裝置 (4)輸出端通過拉桿與車體前輪轉(zhuǎn)向節(jié)相連，測速裝置(7)輸入端測速齒輪與車體后輪齒輪 嚙合； 主控設(shè)備（1)中有計時器，脈沖寬度調(diào)制器，脈沖累加器，定時中斷器； 后車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和各部件之間的連接關(guān)系與上述的前車系統(tǒng)相同，前車系統(tǒng)中的測距 裝置(8)懸置且貼合在前車車體后端上，后車系統(tǒng)中的測距裝置(8)懸置且貼合在后車的舵 機上； PC機可以通過無線通信裝置(5)與前車系統(tǒng)和后車系統(tǒng)進行通信。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能雙車跟隨及通信實驗設(shè)備，其特征在于:所述電源供壓裝 置(2)包括電池（10)、5V穩(wěn)壓模塊、3.3V穩(wěn)壓模塊、6V穩(wěn)壓模塊、12V穩(wěn)壓模塊、測壓模塊，電 池（10)與5V穩(wěn)壓模塊、6V穩(wěn)壓模塊的輸入接口相接，5V穩(wěn)壓模塊輸出接口與3.3V穩(wěn)壓模塊、 12V穩(wěn)壓模塊的輸入接口相接，測壓模塊輸入接口與電池（10)相連，電源供壓裝置(2)的5V 穩(wěn)壓模塊的輸出接口與主控設(shè)備（1)、無線通信裝置(5)、測速裝置(7)、測距裝置(8)、撥碼 開關(guān)及按鍵裝置(9)的電壓輸入接口相連;電源供壓裝置(2)的3.3V穩(wěn)壓模塊的輸出接口與 液晶屏(6)的電壓輸入接口相連;電源供壓裝置(2)的6V穩(wěn)壓模塊的輸出接口與轉(zhuǎn)向控制裝 置(4)的電壓輸入接口相連；電源供壓裝置(2)的12V穩(wěn)壓模塊的輸出接口與直流電機驅(qū)動 裝置(3)的電壓輸入接口相連。
【文檔編號】G09B19/16GK205722518SQ201620158504
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年3月2日
【發(fā)明人】李靜, 劉征宇, 劉政, 黃祺壟, 王敬凱, 劉洪升
【申請人】吉林大學(xué)