基本信息
- 項目名稱：
- 基于供電導線循跡的無軌電車輔助駕駛系統(tǒng)
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本作品將智能車循跡領域最新的載流導線循跡技術與節(jié)能無軌電車相結合，設計制作了一套無軌電車自動輔助駕駛系統(tǒng)，并大膽地提出了將該方案應用于自動循跡無軌列車的設想。 作品創(chuàng)造性地提出了用于跡線信息解算的數(shù)學模型，結合了單相牽引供電技術、脈寬調(diào)制技術和磁誘導信息編碼技術，設計出信息解算算法適應性極強、傳感器電路簡單、抗干擾能力強、信息量豐富、控制精度高、成本低廉的用于道路信息識別的智能汽車輔助駕駛系統(tǒng)。
- 詳細介紹：
- 第十屆“挑戰(zhàn)杯”福建省大學生課外學術科技作品競賽 參 賽 作 品 作品名稱： 基于供電導線循跡的無軌電車輔助駕駛系統(tǒng) 指導老師： 林 斌 學校全稱： 廈門大學嘉庚學院 申報者姓名 （集體名稱）： 無軌電車輔助駕駛開發(fā)小組 類別： □ 自然科學類學術論文 □ 哲學社會科學類社會調(diào)查報告和學術論文 □ 科技發(fā)明制作A類 ■ 科技發(fā)明制作B類 目 錄 一、項目背景介紹 .................................................................. 1 二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析: .................................................. 2 三、階段性科研成果 .............................................................. 3 四、我們的技術創(chuàng)新點........................................................... 3 五、項目優(yōu)勢與應用前景 ....................................................... 4 六、無軌電車系統(tǒng)模型展示 ................................................... 6 1. 電源部分 ....................................................................... 6 2. 單片機部分 ................................................................... 6 3. 傳感器部分一................................................................ 7 4. 傳感器部分二................................................................ 7 5. 供電線及支架................................................................ 8 6. 整車模型 ....................................................................... 8 基于供電導線循跡的無軌電車輔助駕駛系統(tǒng) 1 一、項目背景介紹 無軌電車是一種使用電力發(fā)動，在道路上不依賴固定軌道行駛的公共交通，亦即是“有線電動客車”。無軌電車最初在十九世紀初出現(xiàn)，作為用電但需要軌道的有軌電車，以及用汽油但無需軌道的公共汽車之間的一種產(chǎn)品。跟有軌電車相比，無軌電車因為可以繞過道路上的障礙物而彈性較高，而且它只需電線，而無需投資鋪設軌道。故此在二次大戰(zhàn)以前曾一度遍布歐美等各國的大城市。二次大戰(zhàn)之后，隨著汽車的普及和公共汽車進入競爭，無軌電車跟有軌電車一起在西歐及北美洲逐漸消失。現(xiàn)在無軌電車只在歐洲阿爾卑斯山區(qū)、英國、中國及朝鮮較為常見。美洲只剩下幾個城市仍然有無軌電車，歐洲則以瑞士擁有無軌電車的城市最多?，F(xiàn)在，無軌電車因其環(huán)境優(yōu)勢，正在逐漸受到重視，使用的地區(qū)不斷增多。因此，近年來對無軌電車的研究開始逐漸升溫。 隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭，傳統(tǒng)公交系統(tǒng)面臨越來越大的成本及環(huán)境壓力，而無軌電車無疑是解決這一系列問題的有效途徑。普通無軌電車每一百公里的能源成本僅為柴油車的四分之一，而且不存在環(huán)境污染問題。我們開發(fā)無軌電車輔助駕駛系統(tǒng)以電磁循跡技術為基礎，能夠有效利用供電線纜，以低廉的成本完成高精度、高穩(wěn)定性的循跡任務，并為電車的輔助駕駛提供一種有效的方案。我們的研究可以利用無軌電車的現(xiàn)有資源，進一步提升其性能，使其與傳統(tǒng)公交相比更具有競爭力。 基于供電導線循跡的無軌電車輔助駕駛系統(tǒng) 2 二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析: 無人駕駛或輔助駕駛系統(tǒng)的核心是循跡技術，傳統(tǒng)的循跡技術主要有三大類：一是GPS導航技術，該技術比較成熟，但技術壁壘較高；二是視覺類傳感器，如激光雷達、攝像頭等，目前也有較多的成果，如谷歌2010 年公布的無人駕駛汽車，但這類技術有共同的缺點，就是難以應對光線的干擾和特殊的天氣情況，如強光、黑暗、霧、雨等，并且圖像處理實現(xiàn)困難，對CPU要求較高；三是磁誘導技術，這是目前國內(nèi)外無人駕駛汽車領域的研究熱點，具有代表性的是美國自動公路系統(tǒng)AHS，在圣地亞哥到洛杉磯之間的1－15州際公路上進行了12公里的實驗和展示，并且已經(jīng)有基于該技術的掃雪車在美國部分地區(qū)投入使用，車輛通過電感檢測地面鋪設的磁道釘來實現(xiàn)循跡，這種方式不受光線干擾和天氣影響，但是其跡線的連續(xù)性不夠，跡線的成本高，路線不易改變，在當前的技術下，其傳感器的輸出電壓依賴于車速。 基于供電導線循跡的無軌電車輔助駕駛系統(tǒng) 3 三、階段性科研成果 本課題研究從2010年10月至今，我們已經(jīng)初步搭建起了用于演示的軌道模型以及各部分硬件電路，并進行了大量的實驗對傳感器數(shù)據(jù)的解算算法加以驗證。在課題研究過程中，我們及時地對科研成果進行了總結和歸納，目前為止共發(fā)表了２篇相關論文（其中EI檢索１篇，兩篇論文第一作者及通訊作者均為學生）。 我們目前為止主要研究成果如下： 發(fā)表論文： 1.“基于載流導線循跡智能車的數(shù)學模型”, 張博達, 《電子產(chǎn)品世界》, 2010年第十期。 2. “The Application of Level-cross Inductor to Current-carrying Lead Intelligent vehicle”, Boda Zhang*, Mudan Zhou, Yi Zhou, Zhibin Chen, Yunying Huang ，2011 ASID International Conference on Anti-conterfeiting，Secruit and Identification (24-26th June, 2011, Xiamen, China. 四、我們的技術創(chuàng)新點 1. 我們提出了牽引供電導線與跡線合一的自動循跡交通系統(tǒng)，并對其實際應用的工程問題進行了研究。 2. 我們推導出了跡線信息解算的數(shù)學模型，使實際應用有了理 基于供電導線循跡的無軌電車輔助駕駛系統(tǒng) 4 論依據(jù)，并且該數(shù)學模型下的車輛，具有極強的適應性。 3. 我們提出了把跡線電流調(diào)制到工頻電源上的系統(tǒng)，解決了非周期性供電線路電流與周期性跡線電流矛盾的問題，同時也為該系統(tǒng)的實際應用降低了成本。 4. 我們提出了基于載流導線循跡的無軌列車的設想。 五、項目優(yōu)勢與應用前景 1. 與傳統(tǒng)的循跡技術相比，載流導線循跡技術是一種新興的循跡技術，它是依靠通以一定頻率和幅值的交變電流的載流導線作為跡線的循跡方法。而我們的研究直接利用無軌電車的供電線纜來作為跡線使用，省去了跡線的成本，只需要增加傳感器及控制電路即可實現(xiàn)自動循跡。該方式的跡線連續(xù)性和它的供電方式使它特別適合應用到無人駕駛的無軌列車，不但擁有磁誘導技術的所有優(yōu)點，還擁有視覺類傳感器難以企及的抗環(huán)境干擾能力。在無軌電車行駛的過程中，由于將供電線與跡線合二為一，系統(tǒng)具有高度的穩(wěn)定性及安全性，即使供電線纜出現(xiàn)意外，使得循跡軌道不正常，電車也會因為電源的失常而停下來，避免災難性后果的發(fā)生。與傳統(tǒng)的視覺類循跡方法相比，電磁循跡即不會在上下坡出現(xiàn)循跡的盲區(qū)，也不會受強光、黑暗、大霧等環(huán)境因素的影響，而且其傳感器電路也較為簡單，所需處理的數(shù)據(jù)量也不大，成本低廉，有較高的實用價值。 基于供電導線循跡的無軌電車輔助駕駛系統(tǒng) 5 2. 我們的研究成果和我們所設計的循跡系統(tǒng)可用于無軌電車的輔助駕駛、工廠車間自動搬運系統(tǒng)、軍用無人駕駛車輛的循跡、特殊條件下的車輛自動循跡（比如在一些沒有光線或者視覺傳感器無法探測的情況）。并且在無軌電車的基礎上我們可以實現(xiàn)無軌列車的構想，將其運用到廈漳海底隧道將會起到很好的效果。 基于供電導線循跡的無軌電車輔助駕駛系統(tǒng) 6 六、無軌電車系統(tǒng)模型展示 1.電源部分 說明：該部分電路的功能是將經(jīng)過變壓器變壓的電源進行整流并用MOS管開關特性進行截斷（左），并將得到的電源穩(wěn)壓到6V。 2. 單片機部分 說明：我們選用了MC9S12XS128，它是整個系統(tǒng)的核心，所有信息都要由它處理，結合需要，我們自行設計了最小系統(tǒng)板。 基于供電導線循跡的無軌電車輔助駕駛系統(tǒng) 7 3. 傳感器部分一 說明：根據(jù)所建立模型的需要，我們選用了七組傳感器，通過電感和電容并聯(lián)諧振方式獲得賽道信息。 4. 傳感器后部分二 說明：該部分電路的功能是將前一部分所得到的信號經(jīng)過整流濾波變?yōu)橹绷餍盘柡髠鬟f給單片機進行模數(shù)轉換。 基于供電導線循跡的無軌電車輔助駕駛系統(tǒng) 8 5. 供電線及支架 說明：軌道部分我們采用懸掛式支架，節(jié)點采用鐵皮圈連接，便于拆卸。 6.整車模型 說明：小車通過鐵鉤從電線上獲取電源，雖然與實際電車的結構不同，卻并不影響其工作方式。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 本作品以載流導線循跡方式下的牽引供電車輛系統(tǒng)設計為主，推導出了該種循跡方式下的跡線信息解算的設計方法和多種精確數(shù)學模型，運用經(jīng)典電磁學知識，在s域下分析出了傳感器輸出信號與跡線信息的關系，同時采用Matlablingles軟件系統(tǒng)進行了跡線信息仿真和輔助理論系統(tǒng)的構建，為投入實際應用提供理論支持。以此數(shù)學模型為基礎，進一步設計制作了自動循跡小車，歸納環(huán)境對系統(tǒng)的影響，然后進行分析改進。本作品研究循跡系統(tǒng)，完成與供電系統(tǒng)的匹配計。循跡方式分為兩種：當接觸網(wǎng)為電車供電時，將其同時用于車輛循跡的跡線；當電車由自身儲備電源供電時，采用地面鋪設的導線循跡。車輛的傳感器選用大電感，其感應電動勢經(jīng)后續(xù)線性電路處理，得到輸出電壓，被AD轉換后再經(jīng)過數(shù)學處理，得到車輛與跡線的相對位置和跡線的斜率、曲率，從而用于車輛的轉向及速度控制。為了使車輛可以適應不同的跡線，車輛起跑前，由系統(tǒng)自動完成對外界特征信息的獲取。在數(shù)學模型中，傳感器電路的傳遞函數(shù)已被消去，只需滿足線性，但由于元器件的局限性，所以需要進行線性補償。由于數(shù)學模型要求跡線電流需滿足周期性，而供電導線必定是非周期性的，甚至是隨機性的，這將導致整套系統(tǒng)無法投入實際應用。為了解決這一矛盾，并且保證不對現(xiàn)有供電系統(tǒng)做較大修改的情況下，采用調(diào)制技術設計出了具有可移植性的周期性電流源。由于載流導線循跡方式在世界上出現(xiàn)較晚，資料非常少。該循跡方式與視覺類傳感器相比，其優(yōu)勢在于對光線、濕度等環(huán)境因具有極強的抗干擾能力。
科學性、先進性
- 無人駕駛或輔助駕駛系統(tǒng)的核心是循跡技術，傳統(tǒng)的循跡技術主要有三大類：一是GPS導航技術，該技術比較成熟，但技術壁壘較高；二是視覺類傳感器；三是磁誘導技術，這是目前國內(nèi)外無人駕駛汽車領域的研究熱點，具有代表性的是美國自動公路系統(tǒng)AHS。我們的研究直接利用無軌電車的供電線纜來作為跡線使用，省去了跡線的成本，只需要增加傳感器及控制電路即可實現(xiàn)自動循跡。該方式的跡線連續(xù)性和它的供電方式使它特別適合應用到無軌列車的輔助駕駛中，并擁有磁誘導技術的所有優(yōu)點，還擁有視覺類傳感器難以企及的抗環(huán)境干擾能力。在無軌電車行駛的過程中，由于將供電線與跡線合二為一，系統(tǒng)具有高度的穩(wěn)定性及安全性，即使供電線纜出現(xiàn)意外，使得循跡軌道不正常，電車也會因為電源的失常而停下來，避免災難性后果的發(fā)生。與傳統(tǒng)的視覺類循跡方法相比，電磁循跡即不會在上下坡出現(xiàn)循跡的盲區(qū)，也不會受強光、黑暗、大霧等環(huán)境因素的影響，而且其傳感器電路也較為簡單，所需處理的數(shù)據(jù)量也不大，成本低廉，有較高的實用價值。
獲獎情況及鑒定結果
- 無
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 授權生產(chǎn)或授權使用
作品可展示的形式
- 實物 產(chǎn)品 模型 現(xiàn)場演示 圖片 錄像 樣品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 我們設計的無軌電車模型在由電線供電時，對變壓系統(tǒng)進行相應的改造便可實現(xiàn)自動循跡，實現(xiàn)輔助駕駛。應用于無軌列車時，需要對列車的轉向系統(tǒng)進行改進，并在每節(jié)車廂上安裝傳感器系統(tǒng)及轉向控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)無軌列車的自動循跡，實現(xiàn)輔助駕駛。 適用范圍： 1.無軌電車的輔助駕駛2.工廠車間自動搬運系統(tǒng) 3.軍用無人駕駛車輛的循跡4.特殊條件下（如黑暗、濃霧等）的車輛自動循跡5.無軌列車系統(tǒng)的輔助駕駛 技術： 1.采用供電導線進行循跡，跡線成本低 2.不受溫度、濕度等環(huán)境因素的制約，能夠避開工業(yè)干擾（頻率為50HZ左右）和通信信號干擾（頻率在30kHZ以上），抗干擾能力強； 3. 由于循跡是根據(jù)供電導線產(chǎn)生的磁場，在行駛時磁場時刻存在，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)視覺循跡技術在下坡時常出現(xiàn)的死角問題； 4.載流導線循跡技術所采用的器件較為簡單，成本低廉； 5. 跡線連續(xù)性強，有望用于無軌列車 前景分析： 隨著發(fā)展低碳經(jīng)濟成為全社會的主旋律，重新啟用更加節(jié)能環(huán)保的電車也就成了必然的趨勢。
同類課題研究水平概述
- 在國外，互聯(lián)網(wǎng)搜索引擎谷歌公司證實，他們正在開發(fā)完全無人駕駛汽車，而且已在美國加州公路上試行超過22萬公里，其中1600公里是在完全無人介入下完成的，但谷歌自駕汽車上市至少還需要8年以上的時間。根據(jù)公布的照片和博客介紹，自駕汽車裝有攝像頭、雷達傳感器和激光探測器，可以感知公路上的限速、路旁交通標志，以及周圍的車子移動情況，并借助地圖來導航。在國內(nèi)，目前在我國的自動循跡技術中，有的采用磁釘傳感器來檢測路徑，有的采用CCD 攝像頭作為路徑傳感器,有的采用紅外探測法。然而磁傳感器需要在路面預埋磁釘，會對路面造成一定的損壞;CCD 攝像頭一般價格較貴，信號采集周期較長, 很容易受到外界光線的干擾,且需要對數(shù)據(jù)進行復雜的轉換和處理;紅外探測法易受到周圍環(huán)境的影響，特別是在較強日光燈下，對檢測到的信號有一定的影響。鑒于以上原因，本設計創(chuàng)造性地提出了兩套用于跡線信息解算的數(shù)學模型，結合了單相牽引供電技術、脈寬調(diào)制技術和磁誘導信息編碼技術，設計出將智能車循跡領域最新的載流導線循跡技術與雙源節(jié)能無軌電車相結合的用于道路信息識別的智能汽車輔助駕駛系統(tǒng)，提出了解決地鐵軌道與私家車共存問題的一種方案，并擴展了牽引供電系統(tǒng)的附加價值。 [1] 王春燕,吳超仲,丁振松等.基于磁道釘導航的智能公路車道保持硬件控制系統(tǒng)研究[J].公路交通科技, 2003,20(1). [2] 孫涵,任明武,唐振民.基于機器視覺智能車輛導航綜述[J].公路交通科技,2005,22(5). [3] 張立，楊立。電動小車的循跡。校園電子，2004,6。21 [4]劉巧蓮。無軌電車交通在大城市交通可持續(xù)發(fā)展中的作用。 [5]DavidL．Greene，MichaelWegener．Sustainable Transport[J]．Journal of Transport Geography,1997，05(3)：177-190． [6]Commission of the European Communities．Green Paper on the Urban Environment[M]． Luxembourg：Office of Official Publications of the EC，1 990． [7]袁成．無軌電車發(fā)展簡史、現(xiàn)狀和未來展望[J]．城市公用事業(yè)，2006(3)：2～14
