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1、一个低成本的自主导航车的制作,CREATING A LOW-COST AUTONOMOUS VEHICLE,摘要,自治小车是由许多零件和控制器组成的。而这些是取决于车自身要完成的任务的。在开发低风险自主车时，一个最大的挑战就是保持低成本。因为低成本才能带来高的消费者应用。便宜的微控制器，超声波传感器，和一个全球定位系统组成的低成本自主车将导航避免障碍直到一个预定的位置。这篇论文给出了一个低成本的自主车的设计，使用了一个修改的雷达控制装在小车底板的GPS和超音速传感器，来达到一个预定的地理位置。,我们主要关注的是在一个最小预算的情况下，车能完成多少任务。一个预算表明使用低成本的处理器和和商业可获
2、得的零部件可以很好的完成高性能要求。因为这个系统要用到电池，所以我们对能耗给予了很大的关注。,引言,一个自主小车是一个自导航的车就是不需要任何操作员来导航或者完成它的任务。自主车是最近发展起来的机器人的一个分支学科，主要包括三种形式：对空的，陆地的和海下的。 很多公司和组织花很多的时间和金钱来开发自主车以满足不同的应用。包括精确的固定飞行，探测危险区域（如：生化污染区，以及雷达辐射区）检查水下管道的完整性，和探险其它星球的表面等等。,自主车的一个可能的任务就是按照一个预先编好的路线一避免任何可能遇到的障碍，这个功能在一些应用领域是十分有效的，比如：自动伐木车，安全检查机器人，灭火系统，和一个地
3、形地图车。这个车可以自己通过传感器来看到自己的位置以及周围的东西。这些传感器因距离的远近而不同。 作一个自主车来完成这个任务是爱何华大学的一个主要研究课题。基金来自于电子电气工程系。这个项目的目的就是设计和建造一个低成本的自主车控制系统对一个地面车实施控制。这个车必须能按照一个预定的路线避免障碍并以一定的速度行进。开发这个控制系统的平台是一个音频控制模式的小车。,导航系统,为了自主地导航一个车，控制系统必须能够有能力去确定他现在的位置和前进的方向。位置可以通过一个外部的声音利用像全球定位系统来确定，或者通过使用电子罗盘路径计数器获得一个已知的开始点来计算一个前进的路径。然而，两者都不是完美的。
4、GPS系统提供了很好的整体定位信息而不依赖于以前的路径结果。这样就避免了来自于以前路径的计算错误。由于这个原因我们就选择了低成本，易于使用的GPS的方法来定位我们的自主车。然而卫星信号接收的有限性限制了GPS系统的导航功能。这种限制可能通过使用不同的GPS来弥补这个不足，但是要花多一些花费,GPS16接口协议是基于国家潜水电子协会的NMEA 0183 ASC接口说明的。GPS可以每一秒一次的速度被构造成流标准句包括不同的GPS系统信息。通过GPS获得的数据被使用在我们的工程里，主要包括经度和纬度形成的一个ASC测试字符组，“ddmm，mmmm”代表度，分，秒，还包括GPS质量标尺，天线在平均海
5、平面的相对高度，地面速度以及地形等等。 分析这些字符流来把有效的相关数据转换成有用的变量。绝对位置可以通过三维向量来准确定位。在测试中，相对位置比较准确，但绝对位置的获得超时了。,障碍避免,一个成本并不高但是也可以实现远距离的探测的超声波远距离探测器。他是通过产生一个电压波然后在探测来自目标物的返回信号。 超声波探测器的优点是能在光线差或者水下使用。它提供了相对比较好的深度解决方案。例如，一个声音传递时是以下面的前两个式子描述的进行的，要求超声波探测器在2到5个周期内探测到。那么对于一个32KHZ的传感器，可以计算如（3）和（4）。,图一说明了一个电波模式,是一个关于SFR08超声波传感器的.
6、电波带宽是一个由传感器的物理特性和操作频率决定的函数.等式(5)和(6)描述了描述了波角作为一个频率的函数.,一旦传感器接收到了开始命令通过IIC总线时.片上的微处理器就开始产生一个电压波并且在一个存储器集里记录16个回声. 如图2所示,三个超声波记录探测器被安在了模式车的前面.6英尺高每个有45度的偏移角.由于它们很接近地面和传感器的圆锥视角.传感器被调整为大约高于平地30英尺的地方读出反射信息.,信息处理,任何的导航系统的一个核心就是他的处理来自传感器的数据的能力,并以一个有效的方式控制它的输出.处理器的复杂性取决于被处理数据的数据量和处理器完成任务的耗时.对于大而昂贵的系统而言,高性能的
7、计算能力或许是必须的,但是,对于一个小的系统来说,专用领域的可编程门阵列(FPGA)或许比较适合于处理和速度的要求.这里有大量的微控制器可以获得,有单片机,有ARM等等.,基于这些标准对于这个项目,我们选择了Rabbit 2000处理器作为中央处理器单元.这个特殊的处理器有足够的I/O口.可以装50000行代码并有浮点运算功能.这个开发环境和带存储器的处理器单元作为一个便宜的包裹.这些得益于Rabbit的使用通常的接口比如:RS232了,还有IIC信息传送等.图三显示了它在项目中的连接.,作出抉择,微控制器负责收集来自传感器的所有的数据,基于这些信息来作出决定并且控制电机 控制算法中使用了一个
8、多任务结构包括三个独立的环。所有的三个环平行执行。他们允许每个都部件都可以以自己的节奏运行。这个方案保证从GPS那里读取合适的数据并从超声波传感器那里提供最及时的信息。,第一个环刷新包括来自超声波传感器信息的数据存储器。如果在这个环里探测到了障碍，程序会设置一个标志位来告诉其它的环有障碍存在，从而使得车子避免了障碍。当传感器不再探测障碍时障碍标识就被清零。,第二个环读来自GPS的信息包括经度纬度和位置和速度。 第三环显示当前的位置离目的地的距离和角度。和当前来自于超声波传感器的数据并在一个LCD上显示。,控制速度和旋转,车子用了两个电机：一个是导航一个为了速度。第一个通过FutaS3003伺服
9、系统来实现的。这个伺服系统是通过50HZ的PWM信号来控制的。脉宽是在1ms和2ms内控制左右方向。伺服的手臂被连在前轮来导航小车。,一个直直转换器被用来控制电机。微控制器提供的PWM信号连接在呢个IRL3302门上。调整这个PWM责任环来控制电机的速度。这个方案在平地上工作的很好。但是就是没有必要的反馈环来调整PWM来保持常速。当通过不同的地形时。另外，这种方法不提供刹车技术。,电源管理,电源管理是一个大的挑战在一个便携式设备应用上。车电源系统必须设计成能给各种部件提供它们需要的电压。 在车上的主要的电源消耗是电机的耗电。大的驱动电机的最大缺点就是会导致大的电压作用于其它的电子部件。为了避免
10、这种事情的发生，直流电机控制器自己连了12v的电源。,结论,这个车可以被自主导航到特定的位置。它确实避免了沿路的障碍。但是偏移确实是存在。另外的一个问题是由于没有刹车所以车子往往会走过预定的停留点。导致它不得不转回来那个点。刹车可以被执行通过控制电机用一个H桥转换器来代替一个单单的转换器。 障碍避免很好的完成对于大多数的目标。它可以探测的小车和其它的固体目标。两个问题就是：及时发现目标并作出调整和没有看到适当距离的路径。这些问题可以被解决通过调整超声波传感器。,最后,这个项目显示一个自动导航车可以被实现在一个很小的预算支出下。车导航系统是通过使用微控制器一个，GPS和超声波传感器安在一个改造过的商业模型无线电小车的底盘上。虽然这个项目是在一个小的预算和小的规模上完成的。但是同样的概念和思想可以被用于大规模的应用场合和更多的预算支出。,