《智能駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐》 課件 第二章 智能駕駛實(shí)踐平臺(tái)簡(jiǎn)介

智能駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐第二章智能駕駛實(shí)踐平臺(tái)簡(jiǎn)介2.1智能小車(chē)整體架構(gòu)2.2智能小車(chē)環(huán)境感知2.3智能小車(chē)計(jì)算平臺(tái)2.1智能小車(chē)整體架構(gòu)該智能小車(chē)硬件系統(tǒng)模塊包含底盤(pán)、傳感器和中央處理電路板三大模塊。智能小車(chē)的底盤(pán)包括基本的部件如車(chē)架、車(chē)輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)等，底盤(pán)作用是支承、安裝小車(chē)各部件、總成，形成小車(chē)的整體造型，并接受驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力，使小車(chē)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，保證正常驅(qū)動(dòng)，如圖2-1所示。圖2?1智能小車(chē)底盤(pán)1—轉(zhuǎn)向系統(tǒng)2—轉(zhuǎn)向舵機(jī)3—減振系統(tǒng)4—驅(qū)動(dòng)電機(jī)5—傳動(dòng)系統(tǒng)6—車(chē)架2.1智能小車(chē)整體架構(gòu)2.1.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整個(gè)智能小車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由三個(gè)部分組成，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)控制電路（電調(diào)）和電池。1.驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)是智能小車(chē)的動(dòng)力來(lái)源，采用SD型21.5TG2有感無(wú)刷電機(jī)，內(nèi)置霍爾編碼器，能更方便判斷電機(jī)轉(zhuǎn)速，如圖2-2所示。電機(jī)極數(shù)是2，KV值是1520，支持的鋰電池節(jié)數(shù)是2~3s，其空載電流為1.1A。電機(jī)外徑36㎜，電機(jī)長(zhǎng)度52.8㎜，軸徑為3.17㎜，電機(jī)重186g。圖2?2SD型21.5TG2有感無(wú)刷電機(jī)2.1智能小車(chē)整體架構(gòu)2.1.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)有無(wú)刷電機(jī)和有刷電機(jī)兩種。有刷電機(jī)是內(nèi)含電刷裝置的將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能(電動(dòng)機(jī))或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能(發(fā)電機(jī))的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其基本構(gòu)造組件包括定子、轉(zhuǎn)子、電刷和換向器，定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)工作時(shí)，線圈和換向器旋轉(zhuǎn)，磁鋼和碳刷不轉(zhuǎn)，線圈電流方向的交替變化是隨電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的換向器和電刷來(lái)完成的，如圖2-3所示。1.驅(qū)動(dòng)電機(jī)圖2?3有刷電機(jī)結(jié)構(gòu)2.1智能小車(chē)整體架構(gòu)2.1.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1.驅(qū)動(dòng)電機(jī)有刷電機(jī)是所有電機(jī)的基礎(chǔ)，它具有啟動(dòng)快、制動(dòng)及時(shí)，可在大范圍內(nèi)平滑地調(diào)速，控制電路相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。電機(jī)只有兩條線，紅色線為電源線，黑色線為接地線，對(duì)其的控制只能是電源回路的通斷。因此，對(duì)電機(jī)的控制不能直接連接電源，電源與電機(jī)之間還需要一塊控制電路即驅(qū)動(dòng)模塊，從而控制電機(jī)啟停和正反轉(zhuǎn)來(lái)完成行駛?cè)蝿?wù)。無(wú)刷電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和驅(qū)動(dòng)器組成。無(wú)刷電機(jī)采取電子換向，線圈不動(dòng)，磁極旋轉(zhuǎn)。無(wú)刷電機(jī)，是使用一套電子設(shè)備，通過(guò)霍爾元件，感知永磁體磁極的位置，根據(jù)這種感知，使用電子線路，適時(shí)切換線圈中電流的方向，保證產(chǎn)生正確方向的磁力，來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，如圖2-4所示。圖2-4有感無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)2.1智能小車(chē)整體架構(gòu)2.1.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2.驅(qū)動(dòng)控制電路由于要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制，電源不能直接與電機(jī)連接，還需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，如圖2-5所示。電機(jī)由電池（或直流電源）提供恒定的直流電壓。電壓幅度決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此是電池或直流電源是一個(gè)線性激勵(lì)源。改變直流有感無(wú)刷電機(jī)速度的最有效方式是采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)。PWM技術(shù)是以固定的頻率開(kāi)關(guān)恒壓源。改變PWM信號(hào)的脈沖寬度可以調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。脈沖高低電平間的比例稱(chēng)為PWM信號(hào)的占空比。直流電池電壓的幅度等于PWM信號(hào)的平均幅度。圖2?5直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器2.1智能小車(chē)整體架構(gòu)3.電池2.1.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電池采用4000mAh鋰電池，長(zhǎng)138㎜、寬43mm、高25mm，由三塊電池并聯(lián)而成，最高能提供11.1V電壓，能夠滿足電機(jī)的正常運(yùn)行。電池上紅色線為火線，黑色線為零線，如圖2-6所示，其接線不能和電機(jī)直接連接。圖2?6電池2.1智能小車(chē)整體架構(gòu)2.1.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3.電池汽車(chē)的傳動(dòng)系統(tǒng)一般由離合器、變速器、萬(wàn)向傳動(dòng)裝置、主減速器、差速器和半軸等組成，其基本功用是將發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的動(dòng)力傳給汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，使汽車(chē)能在一定速度上行駛。智能小車(chē)的傳動(dòng)系統(tǒng)雖然與汽車(chē)的傳動(dòng)系統(tǒng)有所不同，但主要的傳動(dòng)路線大致和汽車(chē)相同，驅(qū)動(dòng)電機(jī)后置后驅(qū)，輸出齒輪與傳動(dòng)軸大齒輪嚙合，再以帶傳動(dòng)的方式給智能小車(chē)提供動(dòng)力，如圖2-7所示。圖2?7智能小車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)1—電機(jī)齒輪2—傳動(dòng)軸大齒輪3—皮帶4—轉(zhuǎn)向節(jié)2.1智能小車(chē)整體架構(gòu)2.1.2懸架系統(tǒng)懸架系統(tǒng)是汽車(chē)的車(chē)架與車(chē)橋或車(chē)輪之間的一切傳力連接裝置的總稱(chēng)，其功能是傳遞作用在車(chē)輪和車(chē)架之間的力和力矩，并且緩沖由不平路面?zhèn)鹘o車(chē)架和車(chē)身的沖擊力，并衰減由此引起的震動(dòng)，以保證汽車(chē)平順行駛。懸架系統(tǒng)應(yīng)有的功能是支持車(chē)身，改善乘坐的感覺(jué)，不同的懸架設(shè)置會(huì)使駕駛者有不同的駕駛感受。外表看似簡(jiǎn)單的懸架系統(tǒng)綜合多種作用力，決定著汽車(chē)的穩(wěn)定性、舒適性和安全性，是現(xiàn)代汽車(chē)十分關(guān)鍵的部件之一。智能小車(chē)的懸架系統(tǒng)相比實(shí)際汽車(chē)會(huì)簡(jiǎn)化許多，但本質(zhì)形式不變，也主要由彈性元件、導(dǎo)向裝置和減振器三部分組成。彈性元件（彈簧）使車(chē)架與車(chē)橋之間作彈性聯(lián)系，承受或傳遞垂直載荷，緩和及抑制不平路面所引起的沖擊；導(dǎo)向裝置（上、下控制臂）是用來(lái)傳遞縱向力、側(cè)向力及其力矩，其主要功能是保證車(chē)輪相對(duì)于車(chē)架或車(chē)身有一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；減振器用以加快振動(dòng)的衰減，限制車(chē)輪和車(chē)身的振動(dòng)。從圖2-8和圖2-9所示可以看出，智能小車(chē)的懸架類(lèi)似于雙橫臂式獨(dú)立懸架系統(tǒng)，側(cè)傾中心高，有較強(qiáng)的抗側(cè)傾能力，良好的操縱穩(wěn)定性和舒適性等優(yōu)點(diǎn)。2.1智能小車(chē)整體架構(gòu)2.1.2懸架系統(tǒng)圖2?8懸架實(shí)物圖圖2?9懸架結(jié)構(gòu)圖1—下控制臂2—半軸3—上控制臂4—減振器2.1智能小車(chē)整體架構(gòu)2.1.3轉(zhuǎn)向系統(tǒng)1.轉(zhuǎn)向舵機(jī)轉(zhuǎn)向舵機(jī)是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)的核心部件，由于可以通過(guò)程序連續(xù)控制其轉(zhuǎn)角，因而被廣泛應(yīng)用智能小車(chē)以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向以及機(jī)器人各類(lèi)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中。智能小車(chē)的所有需要轉(zhuǎn)向的行駛都依賴于轉(zhuǎn)向舵機(jī)，它具有體積小、力矩大、外部機(jī)械設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，無(wú)論是在硬件設(shè)計(jì)還是軟件設(shè)計(jì)，舵機(jī)設(shè)計(jì)是小車(chē)控制部分重要的組成部分。舵機(jī)一般分?jǐn)?shù)字舵機(jī)和模擬舵機(jī)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)基本相同。舵機(jī)的主體結(jié)構(gòu)如圖2-10所示，主要有幾個(gè)部分：外殼、減速齒輪組、電機(jī)、電位器、控制電路。舵機(jī)的外殼一般是塑料的，特殊的舵機(jī)可能會(huì)有金屬鋁合金外殼。金屬外殼能夠提供更好的散熱，可以讓舵機(jī)內(nèi)的電機(jī)運(yùn)行在更高功率下，以提供更高的扭矩輸出。金屬外殼也可以提供更牢固的固定位置。數(shù)字舵機(jī)和模擬舵機(jī)最大的區(qū)別體現(xiàn)在控制電路上，數(shù)字舵機(jī)的伺服控制器采用了數(shù)字電路，而模擬舵機(jī)的控制器采用的是模擬電路。數(shù)字舵機(jī)可以提供更快的響應(yīng)和加速效果，控制靈敏度更好。高靈敏度的控制建議選擇數(shù)碼舵機(jī)，如直升機(jī)的控制，高速固定翼飛機(jī)，高速滑翔機(jī)，比賽用車(chē)膜型，云臺(tái)的控制等。低速固定翼飛機(jī)、船模、娛樂(lè)用車(chē)模等可以考慮模擬舵機(jī)。2.1智能小車(chē)整體架構(gòu)1.轉(zhuǎn)向舵機(jī)圖2?10舵機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖2.1智能小車(chē)整體架構(gòu)1.轉(zhuǎn)向舵機(jī)舵機(jī)轉(zhuǎn)速由舵機(jī)無(wú)負(fù)載的情況下轉(zhuǎn)過(guò)60°角所需時(shí)間來(lái)衡量，常見(jiàn)舵機(jī)的速度一般在0.11/60°~0.21S/60°之間。舵機(jī)轉(zhuǎn)矩的單位是kg·cm，可以理解為在舵盤(pán)上距舵機(jī)軸中心水平距離1cm處，舵機(jī)能夠帶動(dòng)的物體重量。舵機(jī)的工作電壓對(duì)性能有重大的影響，舵機(jī)推薦的電壓一般都是4.8V或6V。有的舵機(jī)可以在7V以上工作，比如12V的舵機(jī)。較高的電壓可以提高電機(jī)的速度和扭矩，選擇舵機(jī)還需要看控制器所能提供的電壓。舵機(jī)的功率（速度×轉(zhuǎn)矩）和舵機(jī)的尺寸比值可以理解為該舵機(jī)的功率密度，一般同樣品牌的舵機(jī)，功率密度大的價(jià)格高。選擇舵機(jī)需要在計(jì)算所需扭矩和速度，并確定使用電壓的條件下，選擇有150%左右甚至更大扭矩富余的舵機(jī)。2.1智能小車(chē)整體架構(gòu)2.舵機(jī)控制原理舵機(jī)簡(jiǎn)單的說(shuō)就是集成了直流電機(jī)、電機(jī)控制器和減速器等，并封裝在一個(gè)便于安裝的外殼里的伺服單元，能夠利用簡(jiǎn)單的輸入信號(hào)比較精確的轉(zhuǎn)動(dòng)給定角度的電機(jī)系統(tǒng)。舵機(jī)是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。舵機(jī)安裝了一個(gè)電位器（或其它角度傳感器）檢測(cè)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，控制板根據(jù)電位器的信息能比較精確的控制和保持輸出軸的角度。舵機(jī)是一個(gè)微型的伺服控制系統(tǒng)，具體的控制原理如圖2-11所示。圖2?11舵機(jī)控制原理圖2.1智能小車(chē)整體架構(gòu)2.舵機(jī)控制原理工作原理是控制電路接收信號(hào)源的控制脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；齒輪組將起減速增矩的作用，即降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，并增加電機(jī)的輸出扭矩；電位器和齒輪組的末級(jí)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度；電路板檢測(cè)并根據(jù)電位器判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度。脈寬調(diào)制信號(hào)來(lái)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，脈沖寬度是舵機(jī)控制器所需的編碼信息。舵機(jī)的控制脈沖周期20ms，脈寬從0.5ms-2.5ms，分別對(duì)應(yīng)-90°到+90°的位置，如圖2-12所示。2.1智能小車(chē)整體架構(gòu)2.舵機(jī)控制原理舵機(jī)的輸入線共有三條，如圖2-13所示，中間是紅色電源線；黑色接地線，白色是控制線。電源線和接地線接通后形成回路，給舵機(jī)內(nèi)的電機(jī)供電。根據(jù)舵機(jī)的型號(hào)不同，一般電源有4.8V和6.0V兩種規(guī)格，分別對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)矩輸出標(biāo)準(zhǔn)，6.0V輸出較大轉(zhuǎn)矩。舵機(jī)直接從控制信號(hào)線接收PWM信號(hào)即可控制轉(zhuǎn)角。舵機(jī)的控制信號(hào)周期為20ms的PWM信號(hào)，其中脈沖寬度從0.5～2.5ms，相對(duì)應(yīng)的舵盤(pán)位置為0～180°，呈線性變化。即給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持一定對(duì)應(yīng)角度上，無(wú)論外界轉(zhuǎn)矩怎么改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)位置上。2.1智能小車(chē)整體架構(gòu)3.智能小車(chē)的轉(zhuǎn)向原理智能小車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用阿克曼轉(zhuǎn)向原理設(shè)計(jì)。阿克曼轉(zhuǎn)向是一種現(xiàn)代汽車(chē)的轉(zhuǎn)向方式，是為了解決在汽車(chē)轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，內(nèi)外輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度不一樣，內(nèi)側(cè)輪胎轉(zhuǎn)彎半徑小于外側(cè)輪胎的問(wèn)題。依據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何設(shè)計(jì)的車(chē)輛，沿著彎道轉(zhuǎn)彎時(shí)，利用四連桿的相等曲柄使內(nèi)側(cè)輪的轉(zhuǎn)向角比外側(cè)輪大大約2~4°，使四個(gè)輪子路徑的圓心大致上交會(huì)于后軸的延長(zhǎng)線上瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心，理論上可以讓車(chē)輛的車(chē)輪做純滾動(dòng)的順暢轉(zhuǎn)彎。圖2-14所示就是理想的阿克曼轉(zhuǎn)向。2.1智能小車(chē)整體架構(gòu)3.智能小車(chē)的轉(zhuǎn)向原理智能小車(chē)的轉(zhuǎn)向工作原理可理解為：轉(zhuǎn)向舵機(jī)收到轉(zhuǎn)角信號(hào)時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部齒輪旋轉(zhuǎn)使轉(zhuǎn)向搖臂左右擺動(dòng)，轉(zhuǎn)向搖臂帶動(dòng)轉(zhuǎn)向直拉桿左右擺動(dòng)，與汽車(chē)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)最大的不同在于小車(chē)上的“轉(zhuǎn)向器”結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直接采用固定軸承加擺臂的形式轉(zhuǎn)變了拉桿的運(yùn)動(dòng)方向，最后使轉(zhuǎn)向節(jié)臂左右擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，如圖2-15所示。2.2智能小車(chē)環(huán)境感知傳感器是一種檢測(cè)裝置，能夠?qū)⒉杉男畔ⅲ匆欢ㄒ?guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。智能車(chē)輛環(huán)境感知模塊是利用各種傳感器對(duì)本車(chē)所處的周邊環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，為處理模塊控制操作提供有效依據(jù)，多種傳感器的結(jié)合應(yīng)用為智能車(chē)輛環(huán)境感知模塊提供了技術(shù)保障。傳感器是智能小車(chē)的“感覺(jué)器官”，是小車(chē)能稱(chēng)之為“智能”的必要件。2.2.1杜邦線杜邦線，也叫跳線，是美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)的有特殊效用的縫紉線，無(wú)需焊接，可以牢靠地和插針連接，快速進(jìn)行電路試驗(yàn)，主要用于模塊之間的連接，傳輸電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)控制電路板之間的通信，如圖2-16所示。杜邦線分為三種，“公對(duì)公”“母對(duì)母”“公對(duì)母”，分別適用于不同的端口連接，該鏈接方式具有即拔即插、無(wú)需焊接、傳輸穩(wěn)定、通斷自由等優(yōu)點(diǎn)，不同的傳輸路線可用不同顏色的線進(jìn)行區(qū)分。圖2?16杜邦線2.2智能小車(chē)環(huán)境感知2.2.2霍爾傳感器“霍爾”一般指霍爾效應(yīng)，是美國(guó)物理學(xué)家霍爾于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的垂直于磁場(chǎng)和電流方向的兩個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。這個(gè)電勢(shì)差也被叫做霍爾電勢(shì)差?；魻杺鞲衅髟陔姍C(jī)的尾部，霍爾傳感器接線如圖2-17。通過(guò)霍爾傳感器測(cè)速的方法有很多，主要有頻率測(cè)速法和周期測(cè)速法。圖2?17霍爾傳感器2.2智能小車(chē)環(huán)境感知2.2.2霍爾傳感器（1）頻率測(cè)速法

通過(guò)在相同的時(shí)間T間隔內(nèi)計(jì)算傳感器輸出的脈沖個(gè)數(shù)來(lái)算出轉(zhuǎn)速。設(shè)R為每轉(zhuǎn)的脈沖信號(hào)數(shù)，T為間隔時(shí)間，M為T(mén)時(shí)間內(nèi)測(cè)得的脈沖數(shù)?？梢?jiàn)這種測(cè)速法的分辨率取決于電機(jī)轉(zhuǎn)一周的輸出R和測(cè)速周期T，極對(duì)數(shù)越多或測(cè)量周期越長(zhǎng)，則分辨率越小，但一般電機(jī)的R不大，且測(cè)量周期不宜過(guò)大，因?yàn)闇y(cè)量周期過(guò)大為影響測(cè)速的反應(yīng)速度，降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。所以這種方法是不可取的。（2）周期測(cè)速法通過(guò)測(cè)量傳感器發(fā)出的相鄰兩個(gè)脈沖之間的T來(lái)算出轉(zhuǎn)速；因?yàn)橄噜弮蓚€(gè)脈沖對(duì)應(yīng)輪子上的物理距離N是確定的。用一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)三個(gè)霍爾的脈沖信號(hào)進(jìn)行采集；從一個(gè)脈沖觸發(fā)開(kāi)始計(jì)時(shí)，到下一個(gè)脈沖觸發(fā)新的計(jì)時(shí)，測(cè)得每?jī)蓚€(gè)脈沖間的時(shí)間T；所以，T法測(cè)速的電機(jī)速度speed=N/T。注意，關(guān)于N的獲得有兩種方法，①根據(jù)電機(jī)參數(shù)即可獲得，用輪子周長(zhǎng)除以輪子轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)；②可以測(cè)量10圈輪子累積脈沖，求平均值。2.2智能小車(chē)環(huán)境感知2.2.3超聲波測(cè)距傳感器人類(lèi)耳朵能聽(tīng)到的聲波頻率為20Hz~20kHz。頻率高于20kHz赫茲的聲波稱(chēng)為“超聲波”。因其方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測(cè)距、測(cè)速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。常用的是壓電式超聲波發(fā)生器，是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的，利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換成超聲波發(fā)射出去，而在接收時(shí)，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。超聲波傳感器探頭內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。2.2智能小車(chē)環(huán)境感知2.2.4攝像頭這里攝像頭指廣義的攝像頭傳感器，根據(jù)類(lèi)型包括單目、雙目、紅外、魚(yú)眼等攝像頭，主要負(fù)責(zé)對(duì)前方車(chē)輛和行人等障礙物的圖像采集以及對(duì)前方信號(hào)燈與交通標(biāo)志標(biāo)線的信息采集。攝像頭是視覺(jué)傳感器系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，視覺(jué)傳感器系統(tǒng)是無(wú)人駕駛智能汽車(chē)障礙物的識(shí)別以及避障中的重要組成部分，主要由圖像的采集模塊、處理模塊、特征提取模塊等組成。2.2智能小車(chē)環(huán)境感知2.2.5激光雷達(dá)激光掃描雷達(dá)的工作原理是：激光器以逆時(shí)針在水平方向上發(fā)射的激光束完成190°的平面掃描。當(dāng)激光束遇到目標(biāo)障礙物時(shí)，反射回來(lái)激光束被光學(xué)接收系統(tǒng)的探測(cè)器檢測(cè)到，會(huì)轉(zhuǎn)變成一個(gè)電信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波和放大之后，輸入到內(nèi)部的數(shù)字信號(hào)處理器，經(jīng)過(guò)處理后輸出到采集程序顯示在計(jì)算機(jī)上。在激光雷達(dá)的實(shí)際應(yīng)用中，掃描周期、尾度測(cè)量范圍和尾度分辨率以及探測(cè)距離等是主要關(guān)注的量。2.3智能小車(chē)計(jì)算平臺(tái)智能小車(chē)的中央處理電路板選用Raspberry4B（樹(shù)莓派），智能小車(chē)的中央處理器是整個(gè)智能小車(chē)的“大腦”，其集信號(hào)的讀取、處理、調(diào)控、輸出為一體，調(diào)控整個(gè)小車(chē)實(shí)現(xiàn)特定功能，如圖2-23所示。2.3智能小車(chē)計(jì)算平臺(tái)2.3.1樹(shù)莓派接口及配件介紹1.樹(shù)莓派板載接口樹(shù)莓派3B+是采用BCM2837B0型號(hào)的CPU，是一個(gè)64位的處理器，其主頻高達(dá)1.4GHz，性能已經(jīng)很強(qiáng)勁，這個(gè)處理器包含完整的性能優(yōu)化和散熱器。這允許更好的時(shí)鐘頻率，并能準(zhǔn)確地監(jiān)控芯片溫度，功能圖如2-24所示。2.3智能小車(chē)計(jì)算平臺(tái)2.3.1樹(shù)莓派接口及配件介紹1.樹(shù)莓派板載接口雙頻無(wú)線網(wǎng)卡和藍(lán)牙采用CypressCYW43455“combo”芯片，與上一代相比，3B+在2.4GHz頻帶地傳輸表現(xiàn)更好，并且在5GHz頻帶表現(xiàn)更好。以往地樹(shù)莓派設(shè)備使用LAN951x系列芯片，它將USBHUB與10/100以太網(wǎng)控制器結(jié)合在一起。對(duì)于樹(shù)莓派3B+，升級(jí)版LAN7515支持千兆以太網(wǎng)，而當(dāng)USB2.0連接應(yīng)用處理器限制了可用寬帶。樹(shù)莓派3B+的應(yīng)用處理器在原有地工藝下提升了主頻，所以運(yùn)行時(shí)發(fā)熱量比原來(lái)的樹(shù)莓派3B要大，可以采用一些輔助的散熱手段。2.3智能小車(chē)計(jì)算平臺(tái)2.3.1樹(shù)莓派接口及配件介紹2.樹(shù)莓派I/O口I/O是輸入/輸出Input/Output的縮寫(xiě)，通常指數(shù)據(jù)在內(nèi)部存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器或其他周邊設(shè)備之間的輸入和輸出。I/O接口的功能是負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)CPU通過(guò)系統(tǒng)總線把I/O電路和外圍設(shè)備聯(lián)系在一起。輸入/輸出設(shè)備是硬件中由人（或其他系統(tǒng)）使用與計(jì)算器進(jìn)行通信的部件。樹(shù)莓派的IO口一共有40個(gè)管腳，具體定義如圖2-25所示。2.3智能小車(chē)計(jì)算平臺(tái)2.3.1樹(shù)莓派接口及配件介紹GPIO（GeneralPurposeI/OPorts）意思為通用輸入/輸出端口，通俗地說(shuō)，就是一些引腳，可以通過(guò)它們輸出高低電平或者通過(guò)它們讀入引腳的狀態(tài)，是高電平或是低電平。GPIO是個(gè)比較重要的概念，用戶可以通過(guò)GPIO口和硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互（如UART），控制硬件工作（如LED、蜂鳴器等），讀取硬件的工作狀態(tài)信號(hào)（如中斷信號(hào)）等。GPIO口的使用非常廣泛。掌握了GPIO，差不多相當(dāng)于掌握了操作硬件的能力。+3.3V和+5V用于給其他模塊（如傳感器、驅(qū)動(dòng)板）供電，GND連接其他模塊的GND接口，形成電源回路。2.3智能小車(chē)計(jì)算平臺(tái)3.樹(shù)莓派電源適配器樹(shù)莓派正常工作需要一個(gè)較為穩(wěn)定的電源適配器或充電寶提供電源，樹(shù)莓派采用microusb供電接口，要求5V電壓，2.5A電流，電腦usb接口只提供5V、1A的電源不能滿足此要求，因此樹(shù)莓派不能插在電腦上使用，而該款充電器好能提供5V、2.5A的穩(wěn)定電源，因此可作為樹(shù)莓派的電源適配器，如圖2-26所示。同樣的，在選擇充電寶時(shí)，也要求選用最低能提供5V電壓、2.5A電流的充電寶。圖2?26樹(shù)莓派電源適配器2.3.1樹(shù)莓派接口及配件介紹2.3智能小車(chē)計(jì)算平臺(tái)2.3.2樹(shù)莓派系統(tǒng)燒錄與配置樹(shù)莓派是基于ARM的微型電腦主板，以SD/MicroSD卡為內(nèi)存硬盤(pán)，其是只有信用卡大小的微型電腦。從早期的A、B型到現(xiàn)在的3B+型，其外部接口更加豐富、功能更加強(qiáng)大、使用更加廣泛。Matlab/Simulink是用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。Matlab發(fā)展至今版本不斷更新，從R2014a便提供了樹(shù)莓派的支持包，其版本與樹(shù)莓派的匹配情況如圖2-27所示。本書(shū)選用樹(shù)莓派3B+與提供其支持包的R2018bMatlab/Simulink進(jìn)行搭接。2.3智能小車(chē)計(jì)算平臺(tái)2.3.2樹(shù)莓派系統(tǒng)燒錄與配置1.樹(shù)莓派系統(tǒng)燒錄與基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置樹(shù)莓派支持多種系統(tǒng)，主要包括Raspbian、windows10I0T、UBUNTUMATE等，常用的是Raspbian系統(tǒng)，本書(shū)圍繞此系統(tǒng)講解。首先登錄網(wǎng)站（/downloads/）下載系統(tǒng)文件，如圖2-28所示。然后在windows電腦上安裝系統(tǒng)燒入軟件etcher，最后用讀卡器把樹(shù)莓派配套的存儲(chǔ)卡接入電腦，然后打開(kāi)etcher開(kāi)始系統(tǒng)燒入。2.3智能小車(chē)計(jì)算平臺(tái)2.3.2樹(shù)莓派系統(tǒng)燒錄與配置1.樹(shù)莓派系統(tǒng)燒錄與基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置第一步點(diǎn)擊Selectimage選擇在官網(wǎng)下載的系統(tǒng)文件，第二步點(diǎn)擊Selectdrive選擇U盤(pán)盤(pán)符，第三步點(diǎn)擊Flash開(kāi)始燒入系統(tǒng)，如圖2-29所示。在系統(tǒng)燒入期間或完成后，如有提示不可識(shí)別文件系統(tǒng)或者要格式化磁盤(pán)，選擇格式化磁盤(pán)。安裝后出現(xiàn)FlashComplete表示系統(tǒng)成功燒入，將內(nèi)存卡插入樹(shù)莓派可正常使用。如安裝失敗，退出軟件并格式化U盤(pán)再次嘗試。2.3智能小車(chē)計(jì)算平臺(tái)2.3.2樹(shù)莓派系統(tǒng)燒錄與配置2.樹(shù)莓派基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置樹(shù)莓派與Matlab/simulink進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸之前，需要將樹(shù)莓派和安裝好Matlab/simulink的電腦置于同一網(wǎng)絡(luò)下，然后獲取樹(shù)莓派端的IP地址，設(shè)置樹(shù)莓派系統(tǒng)的密碼等，步驟如下：（1）獲取樹(shù)莓派端的IP地址

樹(shù)莓派連接顯示屏、鍵盤(pán)及鼠標(biāo)，接線如下圖2-30所示。點(diǎn)擊樹(shù)莓派系統(tǒng)桌面左上角命令編輯框并輸入“ifconfig”命令，按“回車(chē)”鍵彈出系統(tǒng)相關(guān)信息，圖2-31所示樹(shù)莓派的IP地址為“4”，該地址與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有關(guān)。2.3智能小車(chē)計(jì)算平臺(tái)2.3.2樹(shù)莓派系統(tǒng)燒錄與配置2.樹(shù)莓派基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置（2）密碼設(shè)置

樹(shù)莓派搭接時(shí)要在simulink端輸入樹(shù)莓派的密碼、用戶名等基本信息，可點(diǎn)擊系統(tǒng)桌面左上角菜單按鈕設(shè)置，如圖2-32所示。按照上述操作步驟，將會(huì)彈出如圖2-33所示界面。鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊【ChangePassword】將會(huì)彈出修改密碼的界面。如若密碼設(shè)置成功將會(huì)彈出“Thepasswordhasbeenchangedsuccessfully”。2.3智能小車(chē)計(jì)算平臺(tái)2.3.2樹(shù)莓派系統(tǒng)燒錄與配置2.樹(shù)莓派基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置除了通過(guò)外接設(shè)備連接樹(shù)莓派，還可以使用Windows系統(tǒng)自帶的遠(yuǎn)程桌面連接。如圖2-34所示，首先打開(kāi)遠(yuǎn)程桌面連接，輸入樹(shù)莓派IP地址，再輸入樹(shù)莓派系統(tǒng)賬戶名和密碼。此軟件不僅可以投影屏幕，還可通過(guò)復(fù)制粘貼操作將電腦和樹(shù)莓派的程序和文件進(jìn)行傳輸。還可采用VNC-Viewer軟件和FileZilla軟件。VNC-Viewer軟件跟系統(tǒng)自帶的遠(yuǎn)程桌面連接一樣，兼容性和穩(wěn)定性要差一點(diǎn)，但不可以直接將電腦上的文件復(fù)制粘貼到樹(shù)莓派。FileZilla軟件是建立在SSH服務(wù)下的文件傳輸軟件，通過(guò)該軟件可以在電腦端把編好的程序或者其他文件傳輸?shù)綐?shù)莓派。2.3智能小車(chē)計(jì)算平臺(tái)2.3.3開(kāi)發(fā)工具樹(shù)莓派可以采用Python語(yǔ)言、C++語(yǔ)言或者M(jìn)atlab/Simulink進(jìn)行開(kāi)發(fā)。1.pythonPython是一個(gè)解釋型的面向?qū)ο蟮?、跨平臺(tái)的編程語(yǔ)言。良好的可靠性、清晰的語(yǔ)法和易用性，使它成為最流行的編程語(yǔ)言之一。Python語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)除簡(jiǎn)單易學(xué)、免費(fèi)開(kāi)源以外，還有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）高層語(yǔ)言

（2）可移植性（3）可擴(kuò)展性

（4）可嵌入性

（5）豐富的庫(kù)

（6）規(guī)范的代碼2.3智能小車(chē)計(jì)算平臺(tái)2.3.3開(kāi)發(fā)工具2.MATLAB/SimulinkSimulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink的特點(diǎn)有：豐富的可擴(kuò)充的預(yù)定義模塊庫(kù)；交互式的圖形編輯器來(lái)組合和管理直觀的模塊圖；以設(shè)計(jì)功能的層次性來(lái)分割模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)的管理；通過(guò)ModelExplorer導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號(hào)、參數(shù)、屬性，生成模型代碼；提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫(xiě)代碼集成；使用EmbeddedMATLAB?模塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用MATLAB算法；使用定步長(zhǎng)或變步長(zhǎng)運(yùn)行仿真，根據(jù)仿真模式(Normal,Accelerator,RapidAccelerator)來(lái)決定以解釋性的方式運(yùn)行或以編譯C代碼的形式來(lái)運(yùn)行模型；圖形化的調(diào)試器和剖析器來(lái)檢查仿真結(jié)果，診斷設(shè)計(jì)的性能和異常行為；可訪問(wèn)MATLAB從而對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)；模型分析和診斷工具來(lái)保證模型的一致性，確定模型中的錯(cuò)誤。2.3智能小車(chē)計(jì)算平臺(tái)2.3.3開(kāi)發(fā)工具2.MATLAB/SimulinkMATLAB中名為SimulinkSupportPackageforRaspberryPiHardware的硬件支持包可以無(wú)線連接樹(shù)莓派，從而搭建模型實(shí)現(xiàn)對(duì)樹(shù)莓派管腳的控制，在模型驅(qū)動(dòng)小車(chē)的過(guò)程中，simulink會(huì)自動(dòng)把模型轉(zhuǎn)為C代碼通過(guò)局域網(wǎng)傳輸?shù)綐?shù)莓派中，樹(shù)莓派才能驅(qū)動(dòng)小車(chē)，如圖2-36所示。2.3智能小車(chē)計(jì)算平臺(tái)2.3.3開(kāi)發(fā)工具2.MATLAB/Simulink（1）simulink文件創(chuàng)建

打開(kāi)matlab軟件，啟動(dòng)simulink有三種方式：①單擊工具欄上的simulink按鈕；②在命令行窗口輸入simulink然后回車(chē)；③在MATLAB工具欄上選擇新建SimulinkModel選項(xiàng)，如圖2-37所示。2.3智能小車(chē)計(jì)算平臺(tái)2.3.3開(kāi)發(fā)工具2.MATLAB/Simulink（2）simulink模塊創(chuàng)建與參數(shù)設(shè)置

通過(guò)菜單欄View--LibraryBrowser或者點(diǎn)擊上方工具條的圖標(biāo)，進(jìn)入模塊庫(kù)瀏覽器，如圖2-38所示。點(diǎn)擊左側(cè)模塊列表找到需要的模塊，也可通過(guò)左上方搜索框進(jìn)行搜索，如圖2-39所示。2.3智能小車(chē)計(jì)算平臺(tái)2.3.3開(kāi)發(fā)工具2.MATLAB/Simulink點(diǎn)擊需要的模塊，然后單擊右鍵，選擇添加，也可直接按住左鍵將模塊拖到simulink。各個(gè)模塊的相關(guān)信息可在點(diǎn)擊右鍵之后再選擇幫助。如圖2-40所示在simulink文件空白處雙擊鼠標(biāo)左鍵，輸入模塊名稱(chēng)也可添加。右鍵點(diǎn)住模塊直接拉動(dòng)可創(chuàng)建相同模塊，也可以用復(fù)制粘貼代替操作。左鍵雙擊模塊可對(duì)模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，不設(shè)置時(shí)軟件會(huì)將其置于默認(rèn)值。2.3智能小車(chē)計(jì)算平臺(tái)2.3.3開(kāi)發(fā)工具2.MATLAB/Simulink（3）simulink模塊連接與移動(dòng)

模塊與模塊之間的連接分為自動(dòng)連接和手動(dòng)連接。模塊自動(dòng)連接可先用鼠標(biāo)選擇模塊，然后按住Ctrl鍵不放，再用鼠標(biāo)單擊目標(biāo)模塊，軟件會(huì)自動(dòng)將源模塊的輸出端口與目標(biāo)模塊的輸入端口相連。模塊手動(dòng)連接可先把鼠標(biāo)光標(biāo)放置在源模塊的輸出端口，當(dāng)光標(biāo)形狀變?yōu)槭中螘r(shí)，按住鼠標(biāo)左鍵，拖動(dòng)光標(biāo)指針到目標(biāo)模塊的輸入端口。當(dāng)一條信號(hào)線需要與多個(gè)模塊連接時(shí)，可按住ctrl鍵然后用鼠標(biāo)左鍵再拉出一條線，如圖2-41所示。按住鼠標(biāo)中鍵不放可以移動(dòng)所有模塊；移動(dòng)部分模塊時(shí)先用鼠標(biāo)左鍵框選，然后左鍵拉動(dòng)框內(nèi)任意模塊；移動(dòng)單個(gè)模塊時(shí)鼠標(biāo)左鍵直接拉動(dòng)即可。2.3智能小車(chē)計(jì)算平臺(tái)2.3.3開(kāi)發(fā)工具2.MATLAB/Simulink（4）simulink模型子系統(tǒng)創(chuàng)建

左鍵框選所需模塊，在右下角菜單出現(xiàn)創(chuàng)建按鈕，如圖2-42所示，分別是普通子系統(tǒng)、使能子系統(tǒng)（EnabledSubsystem）、觸發(fā)子系統(tǒng)（TriggeredSubsystem）和函數(shù)調(diào)用子系統(tǒng)（Function-CallSubsystem），可以在普通子系統(tǒng)里面放置Enabled和Triggered模塊將其轉(zhuǎn)變?yōu)槭鼓芑蛴|發(fā)子系統(tǒng)。下面對(duì)常用子系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。2.3智能小車(chē)計(jì)算平臺(tái)2.3.3開(kāi)發(fā)工具2.MATLAB/Simulink如圖2-43所示為使能子系統(tǒng)（EnabledSubsystem）：當(dāng)控制信號(hào)值為正，子系統(tǒng)執(zhí)行。2.3智能小車(chē)計(jì)算平臺(tái)2.3.3開(kāi)發(fā)工具2.MATLAB/Simulink圖2-44所示為觸發(fā)子系統(tǒng)（TriggeredSubsystem）：當(dāng)控制信號(hào)的符號(hào)發(fā)生改變時(shí)（也就是控制信號(hào)發(fā)生過(guò)零時(shí)），子系統(tǒng)開(kāi)始執(zhí)行。觸發(fā)子系統(tǒng)的觸發(fā)執(zhí)行有三種形式。①控制信號(hào)上升沿觸發(fā)：控制信號(hào)具有上升沿形式；②控制信號(hào)下降沿觸發(fā)：控制信號(hào)具有下降沿形式；③控制信號(hào)雙邊沿觸發(fā)：控制信號(hào)在上升沿或下降沿時(shí)觸發(fā)子系統(tǒng)。2.3智能小車(chē)計(jì)算平臺(tái)2.3.3開(kāi)發(fā)工具2.MATLAB/Simulink函數(shù)調(diào)用子系統(tǒng)（Function-CallSubsystem）類(lèi)似于用文本語(yǔ)言（如M語(yǔ)言）編寫(xiě)的S-函數(shù)，只不過(guò)它是通過(guò)Simulink模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常利用Stateflow圖、函數(shù)調(diào)用生成器或S-函數(shù)執(zhí)行函數(shù)調(diào)用子系統(tǒng)。創(chuàng)建好后可點(diǎn)擊子系統(tǒng)下方名稱(chēng)，然后進(jìn)行修改，便于以后快速找到子系統(tǒng)。選中子系統(tǒng)然后雙擊左鍵即可進(jìn)入子系統(tǒng)，當(dāng)需要退出子系統(tǒng)時(shí)可按esc鍵，也可點(diǎn)擊上方菜單欄的三個(gè)方向按鈕進(jìn)行退出和切換系統(tǒng)，如圖2-45所示。當(dāng)子系統(tǒng)有多個(gè)輸入個(gè)輸出時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)需要?jiǎng)?chuàng)建多個(gè)In和Out模塊。2.3智能小車(chē)計(jì)算平臺(tái)2.3.3開(kāi)發(fā)工具2.MATLAB/Simulink（5）S函數(shù)

由于S函數(shù)涉及內(nèi)容較多，本書(shū)只做簡(jiǎn)單介紹和講解。MATLAB中的S函數(shù)為用戶提供了拓展Simulink功能的一種強(qiáng)大機(jī)制。通過(guò)編寫(xiě)S函數(shù)，用戶可以向Simulink模塊中添加自己的算法，該算法采用MATLAB語(yǔ)言編寫(xiě)，也可以用C語(yǔ)言編寫(xiě)。只要遵循一定的規(guī)則，用戶就可以在S函數(shù)中實(shí)現(xiàn)任意算法。S函數(shù)是系統(tǒng)函數(shù)(SystemFunction)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是指采用非圖形化的方式描述一個(gè)模塊。S-函數(shù)使用特定的調(diào)用語(yǔ)法，這種語(yǔ)法可以與Simulink中的方程求解器相互作用，