汽车智能跟随辅助系统设计

孙迎丽 高道港 梁爽 袁梦 李泽旭

摘 要：文章介绍了智能跟随辅助系统应用小车的设计方案，包括用超声波定位技术实现的跟随功能、硬件设计、软件设计等，建立了跟随技术的数学模型，实现了以交通工具为对象的跟随技术的应用。根据实际效果，分析了智能跟随辅助系统在应用中存在的研究点，并且设置了灵活的控速防撞反馈，提高智能跟随系统的反应性能，提高了行驶过程中的安全性，最终实现新型的城市出行智能交通。

关键词：新型智能交通;智能跟随;城市出行

Abstract： This article introduces the design scheme of an intelligent follow-up assistance system application car， including the follow-up function， hardware design， and software design using ultrasonic positioning technology. The mathematical model of the follow-up technology is established， and the follow-up technology for vehicles is implemented Applications. According to the actual results， the research points in the application of the intelligent following assist system are analyzed， and flexible speed control and anti-collision feedback are set to improve the response performance of the intelligent following system and improve the safety during driving. Finally， a new type of Intelligent transportation for urban travel.

1 引言

智能交通是未来交通的发展前景，在无人驾驶研究技术的发展进步下，智能交通更趋向于多元化，智能跟随系统也将成为无人驾驶技术的一个重要辅助系统，即将逐步取代传统，成为创新、灵活的新一代产物。这些年来，交通智能化已是一种主流趋势，然而目前，国内市场上暂时还没有出现具有跟随性的智能交通系统。如今中国具有跟随性的产品，主要是有轨机械跟随[1]，用于工厂的各类生产机车的一部分，或是比赛场的有轨跟随拍摄车，并没有实际针对超市、旅馆、飞机场等大众场合，或家庭个人的产品[2]。因此，通过基于超声波定位和无线电通信技术以及其他传感器技术的综合运用，设计了一款能够对特定移动目标进行实时跟踪并且能够灵活地躲避其他车辆的智能小车。利用超声波雷达定位、避障，可以根据不同场合的技术要求设置小车的跟随、避障距离和方式等参数，可以实现较为精准地实现跟随、避障的目的，建立一种无人驾驶技术的设计模型向智能化发展。

2 设计方案

2.1 功能实现

系统定位识别是依靠超声波实现的。超声波定位技术是基于超声波测距原理实现的。跟随系统的发送端首先向跟随对象发送无线电信号，与此同时发送端开始计时，跟随对象接收到无线电信号后向发送端发送超声波信号，由于跟随对象距离无线电信号发送端上的4个超声波接收器距离不同，则超声波信号到达4个接收器的时间也不尽相同，单片机通过对4个接收器接收超声波时间的比较和运算，计算出各个超声波接收器到跟随对象的距离。然后基于超声波定位的相应算法，建立坐标系，可以计算出跟随对象所在的方向和距离，从而判断跟随对象的相对位置。在知道跟随对象的位置信息后，将信息反馈给主控芯片，主控芯片通过PWM控制电机转速实现小车按照设定距离跟随目标。左转时，右侧接收的超声波要弱于左侧，此时右轮电机加速，实现左转;右转原理与此正好相反。整体结构示意图如图1图2所示：

2.2 系统硬件设计

硬件设计部分包括超声波发送和接收电路、无线通信模塊、双电机驱动电路、稳压电路、降压电路等，硬件设计框图如图3所示：

2.2.1 超声波发送和接收电路

基于超声波定位原理，采用“三发送四接收”安装方式，既确保了发送角度全方面概括，也使得接收超声波更加完全。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物，通过障碍物的反馈，超声波接收器收到对应的反射波，同时停止计时。利于这一原理，将超声波分成发送和接收两个模块，两个模块间通过无线电通信实现同步，根据传输的超声波发送接收情况，加之超声波在空气中的传播速度计算出两者间的距离。因为采用了多对超声波模块，根据每个超声波各自的情况算出的距离可间接判断出方位，从而得知跟随对象的坐标。控制单元根据得到的坐标可进行相应的动作。其设计电路如图4图5所示。

2.2.2 无线通信模块

无线通信模块由编码芯片PT2262 发出的编码信号：地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272 接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT 脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平。据此原理，无线通信模块间传输串行数据信号。无线通信模块电路如图6所示。

2.2.3 双电机驱动电路

本次设计采用飞思卡尔专用电机RS-540，工作电压范围是5.4V-9V，额定工作电压是DC7.2V，最大工作电流是11.6A，最大力矩是24.8mN.M，最大输出功率51.49W。驱动电路如图7所示。

2.3 系统软件设计

本文智能跟随车运用美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机的软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（μVision）将这些部分组合在一起。软件设计部分利用超声波模块计算的返回时间即s=340t/2，确定小车距离。通过三个超声波模块接收信号的位置，来决定小车方向，并用串口通信传输给主控单元。小车的转向是通过串口给定的PWM波信号使舵机转过一定的角度（920us到2120us为0～180度的转向角）。小车的移动是7.2v的电池通过稳压模块给予电机驱动模块固定的电压，用给定PWM波信号驱动电机来实现的。

3 在城市出行设计方面的应用

首先，智能跟随系统可以应用在城市多车出行上。跟随系统友好地考虑到了多人出行时乘坐空间的局限性，为多人出行很周到地制定了交通出行方案。同时，随着智能跟随系统的完善，多车跟随已然不是问题，这从很大程度上保证了多人出行的便利性，也为司机不适合驾驶的情况做了周全的计划。其次，上下班高峰期是城市交通较为拥堵的时段，车

速较低，移动慢，并且时停时走。开启智能跟随辅助系统可以缓解疲劳，解放双手。再者，高速路上车速较快，加之车内舒适环境使驾驶者怠惰，容易产生因没有保持安全距离而产生的交通事故，跟随辅助系统可以保持实时的安全距离监测，提高高速驾驶的安全性。道路行驶时跟随辅助系统的应用如所图8示。

4 结论

智能跟随系统应用小车实现了跟随前车及避障等功能，具有较好的实用性，符合未来交通方面的需求，具有较大的应用场景。本次的环境模拟跟随车在功能实现方面比较理想，但与真正投入使用还需要一些改进，变更精度更高的毫米波雷达或激光雷达将具有显著的优越性。智能跟随辅助系统能广泛的运用在轿车、客车、货车等交通工具上。该系统具有良好的稳定性和操作性，能够提高广大司机的驾驶效率和安全性能。

参考文献

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[2] 蔡磊，周亭亭，郭云鹏，陈素芳，吴汉帮.基于超声波定位的智能跟随小车[J].电子测量技术，2013，36（11）：76-79+105.

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