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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于供電導(dǎo)線循跡的無(wú)軌電車輔助駕駛系統(tǒng)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品將智能車循跡領(lǐng)域最新的載流導(dǎo)線循跡技術(shù)與節(jié)能無(wú)軌電車相結(jié)合，設(shè)計(jì)制作了一套無(wú)軌電車自動(dòng)輔助駕駛系統(tǒng)，并大膽地提出了將該方案應(yīng)用于自動(dòng)循跡無(wú)軌列車的設(shè)想。 作品創(chuàng)造性地提出了用于跡線信息解算的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合了單相牽引供電技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)和磁誘導(dǎo)信息編碼技術(shù)，設(shè)計(jì)出信息解算算法適應(yīng)性極強(qiáng)、傳感器電路簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、信息量豐富、控制精度高、成本低廉的用于道路信息識(shí)別的智能汽車輔助駕駛系統(tǒng)。
- 詳細(xì)介紹：
- 第十屆“挑戰(zhàn)杯”福建省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽 參 賽 作 品 作品名稱： 基于供電導(dǎo)線循跡的無(wú)軌電車輔助駕駛系統(tǒng) 指導(dǎo)老師： 林 斌 學(xué)校全稱： 廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院 申報(bào)者姓名 （集體名稱）： 無(wú)軌電車輔助駕駛開(kāi)發(fā)小組 類別： □ 自然科學(xué)類學(xué)術(shù)論文 □ 哲學(xué)社會(huì)科學(xué)類社會(huì)調(diào)查報(bào)告和學(xué)術(shù)論文 □ 科技發(fā)明制作A類 ■ 科技發(fā)明制作B類 目 錄 一、項(xiàng)目背景介紹 .................................................................. 1 二、國(guó)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(shù)創(chuàng)新點(diǎn)........................................................... 3 五、項(xiàng)目?jī)?yōu)勢(shì)與應(yīng)用前景 ....................................................... 4 六、無(wú)軌電車系統(tǒng)模型展示 ................................................... 6 1. 電源部分 ....................................................................... 6 2. 單片機(jī)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(dǎo)線循跡的無(wú)軌電車輔助駕駛系統(tǒng) 1 一、項(xiàng)目背景介紹 無(wú)軌電車是一種使用電力發(fā)動(dòng)，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(dòng)客車”。無(wú)軌電車最初在十九世紀(jì)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(wú)需軌道的公共汽車之間的一種產(chǎn)品。跟有軌電車相比，無(wú)軌電車因?yàn)榭梢岳@過(guò)道路上的障礙物而彈性較高，而且它只需電線，而無(wú)需投資鋪設(shè)軌道。故此在二次大戰(zhàn)以前曾一度遍布?xì)W美等各國(guó)的大城市。二次大戰(zhàn)之后，隨著汽車的普及和公共汽車進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)，無(wú)軌電車跟有軌電車一起在西歐及北美洲逐漸消失?，F(xiàn)在無(wú)軌電車只在歐洲阿爾卑斯山區(qū)、英國(guó)、中國(guó)及朝鮮較為常見(jiàn)。美洲只剩下幾個(gè)城市仍然有無(wú)軌電車，歐洲則以瑞士擁有無(wú)軌電車的城市最多?，F(xiàn)在，無(wú)軌電車因其環(huán)境優(yōu)勢(shì)，正在逐漸受到重視，使用的地區(qū)不斷增多。因此，近年來(lái)對(duì)無(wú)軌電車的研究開(kāi)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(lái)越大的成本及環(huán)境壓力，而無(wú)軌電車無(wú)疑是解決這一系列問(wèn)題的有效途徑。普通無(wú)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(wèn)題。我們開(kāi)發(fā)無(wú)軌電車輔助駕駛系統(tǒng)以電磁循跡技術(shù)為基礎(chǔ)，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(wù)，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(wú)軌電車的現(xiàn)有資源，進(jìn)一步提升其性能，使其與傳統(tǒng)公交相比更具有競(jìng)爭(zhēng)力。 基于供電導(dǎo)線循跡的無(wú)軌電車輔助駕駛系統(tǒng) 2 二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析: 無(wú)人駕駛或輔助駕駛系統(tǒng)的核心是循跡技術(shù)，傳統(tǒng)的循跡技術(shù)主要有三大類：一是GPS導(dǎo)航技術(shù)，該技術(shù)比較成熟，但技術(shù)壁壘較高；二是視覺(jué)類傳感器，如激光雷達(dá)、攝像頭等，目前也有較多的成果，如谷歌2010 年公布的無(wú)人駕駛汽車，但這類技術(shù)有共同的缺點(diǎn)，就是難以應(yīng)對(duì)光線的干擾和特殊的天氣情況，如強(qiáng)光、黑暗、霧、雨等，并且圖像處理實(shí)現(xiàn)困難，對(duì)CPU要求較高；三是磁誘導(dǎo)技術(shù)，這是目前國(guó)內(nèi)外無(wú)人駕駛汽車領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，具有代表性的是美國(guó)自動(dòng)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(jìn)行了12公里的實(shí)驗(yàn)和展示，并且已經(jīng)有基于該技術(shù)的掃雪車在美國(guó)部分地區(qū)投入使用，車輛通過(guò)電感檢測(cè)地面鋪設(shè)的磁道釘來(lái)實(shí)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(dāng)前的技術(shù)下，其傳感器的輸出電壓依賴于車速。 基于供電導(dǎo)線循跡的無(wú)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(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的解算算法加以驗(yàn)證。在課題研究過(guò)程中，我們及時(shí)地對(duì)科研成果進(jìn)行了總結(jié)和歸納，目前為止共發(fā)表了２篇相關(guān)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(xué)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(dǎo)線循跡智能車的數(shù)學(xué)模型”, 張博達(dá), 《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(shù)創(chuàng)新點(diǎn) 1. 我們提出了牽引供電導(dǎo)線與跡線合一的自動(dòng)循跡交通系統(tǒng)，并對(duì)其實(shí)際應(yīng)用的工程問(wèn)題進(jìn)行了研究。 2. 我們推導(dǎo)出了跡線信息解算的數(shù)學(xué)模型，使實(shí)際應(yīng)用有了理 基于供電導(dǎo)線循跡的無(wú)軌電車輔助駕駛系統(tǒng) 4 論依據(jù)，并且該數(shù)學(xué)模型下的車輛，具有極強(qiáng)的適應(yīng)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(wèn)題，同時(shí)也為該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用降低了成本。 4. 我們提出了基于載流導(dǎo)線循跡的無(wú)軌列車的設(shè)想。 五、項(xiàng)目?jī)?yōu)勢(shì)與應(yīng)用前景 1. 與傳統(tǒng)的循跡技術(shù)相比，載流導(dǎo)線循跡技術(shù)是一種新興的循跡技術(shù)，它是依靠通以一定頻率和幅值的交變電流的載流導(dǎo)線作為跡線的循跡方法。而我們的研究直接利用無(wú)軌電車的供電線纜來(lái)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(yīng)用到無(wú)人駕駛的無(wú)軌列車，不但擁有磁誘導(dǎo)技術(shù)的所有優(yōu)點(diǎn)，還擁有視覺(jué)類傳感器難以企及的抗環(huán)境干擾能力。在無(wú)軌電車行駛的過(guò)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(huì)因?yàn)殡娫吹氖С６Ｏ聛?lái)，避免災(zāi)難性后果的發(fā)生。與傳統(tǒng)的視覺(jué)類循跡方法相比，電磁循跡即不會(huì)在上下坡出現(xiàn)循跡的盲區(qū)，也不會(huì)受強(qiáng)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(jiǎn)單，所需處理的數(shù)據(jù)量也不大，成本低廉，有較高的實(shí)用價(jià)值。 基于供電導(dǎo)線循跡的無(wú)軌電車輔助駕駛系統(tǒng) 5 2. 我們的研究成果和我們所設(shè)計(jì)的循跡系統(tǒng)可用于無(wú)軌電車的輔助駕駛、工廠車間自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)、軍用無(wú)人駕駛車輛的循跡、特殊條件下的車輛自動(dòng)循跡（比如在一些沒(méi)有光線或者視覺(jué)傳感器無(wú)法探測(cè)的情況）。并且在無(wú)軌電車的基礎(chǔ)上我們可以實(shí)現(xiàn)無(wú)軌列車的構(gòu)想，將其運(yùn)用到廈漳海底隧道將會(huì)起到很好的效果。 基于供電導(dǎo)線循跡的無(wú)軌電車輔助駕駛系統(tǒng) 6 六、無(wú)軌電車系統(tǒng)模型展示 1.電源部分 說(shuō)明：該部分電路的功能是將經(jīng)過(guò)變壓器變壓的電源進(jìn)行整流并用MOS管開(kāi)關(guān)特性進(jìn)行截?cái)啵ㄗ螅?，并將得到的電源穩(wěn)壓到6V。 2. 單片機(jī)部分 說(shuō)明：我們選用了MC9S12XS128，它是整個(gè)系統(tǒng)的核心，所有信息都要由它處理，結(jié)合需要，我們自行設(shè)計(jì)了最小系統(tǒng)板。 基于供電導(dǎo)線循跡的無(wú)軌電車輔助駕駛系統(tǒng) 7 3. 傳感器部分一 說(shuō)明：根據(jù)所建立模型的需要，我們選用了七組傳感器，通過(guò)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(shuō)明：該部分電路的功能是將前一部分所得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)整流濾波變?yōu)橹绷餍盘?hào)后傳遞給單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。 基于供電導(dǎo)線循跡的無(wú)軌電車輔助駕駛系統(tǒng) 8 5. 供電線及支架 說(shuō)明：軌道部分我們采用懸掛式支架，節(jié)點(diǎn)采用鐵皮圈連接，便于拆卸。 6.整車模型 說(shuō)明：小車通過(guò)鐵鉤從電線上獲取電源，雖然與實(shí)際電車的結(jié)構(gòu)不同，卻并不影響其工作方式。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 本作品以載流導(dǎo)線循跡方式下的牽引供電車輛系統(tǒng)設(shè)計(jì)為主，推導(dǎo)出了該種循跡方式下的跡線信息解算的設(shè)計(jì)方法和多種精確數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用經(jīng)典電磁學(xué)知識(shí)，在s域下分析出了傳感器輸出信號(hào)與跡線信息的關(guān)系，同時(shí)采用Matlablingles軟件系統(tǒng)進(jìn)行了跡線信息仿真和輔助理論系統(tǒng)的構(gòu)建，為投入實(shí)際應(yīng)用提供理論支持。以此數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，進(jìn)一步設(shè)計(jì)制作了自動(dòng)循跡小車，歸納環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響，然后進(jìn)行分析改進(jìn)。本作品研究循跡系統(tǒng)，完成與供電系統(tǒng)的匹配計(jì)。循跡方式分為兩種：當(dāng)接觸網(wǎng)為電車供電時(shí)，將其同時(shí)用于車輛循跡的跡線；當(dāng)電車由自身儲(chǔ)備電源供電時(shí)，采用地面鋪設(shè)的導(dǎo)線循跡。車輛的傳感器選用大電感，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)經(jīng)后續(xù)線性電路處理，得到輸出電壓，被AD轉(zhuǎn)換后再經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)處理，得到車輛與跡線的相對(duì)位置和跡線的斜率、曲率，從而用于車輛的轉(zhuǎn)向及速度控制。為了使車輛可以適應(yīng)不同的跡線，車輛起跑前，由系統(tǒng)自動(dòng)完成對(duì)外界特征信息的獲取。在數(shù)學(xué)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(jìn)行線性補(bǔ)償。由于數(shù)學(xué)模型要求跡線電流需滿足周期性，而供電導(dǎo)線必定是非周期性的，甚至是隨機(jī)性的，這將導(dǎo)致整套系統(tǒng)無(wú)法投入實(shí)際應(yīng)用。為了解決這一矛盾，并且保證不對(duì)現(xiàn)有供電系統(tǒng)做較大修改的情況下，采用調(diào)制技術(shù)設(shè)計(jì)出了具有可移植性的周期性電流源。由于載流導(dǎo)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(jué)類傳感器相比，其優(yōu)勢(shì)在于對(duì)光線、濕度等環(huán)境因具有極強(qiáng)的抗干擾能力。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 無(wú)人駕駛或輔助駕駛系統(tǒng)的核心是循跡技術(shù)，傳統(tǒng)的循跡技術(shù)主要有三大類：一是GPS導(dǎo)航技術(shù)，該技術(shù)比較成熟，但技術(shù)壁壘較高；二是視覺(jué)類傳感器；三是磁誘導(dǎo)技術(shù)，這是目前國(guó)內(nèi)外無(wú)人駕駛汽車領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，具有代表性的是美國(guó)自動(dòng)公路系統(tǒng)AHS。我們的研究直接利用無(wú)軌電車的供電線纜來(lái)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(yīng)用到無(wú)軌列車的輔助駕駛中，并擁有磁誘導(dǎo)技術(shù)的所有優(yōu)點(diǎn)，還擁有視覺(jué)類傳感器難以企及的抗環(huán)境干擾能力。在無(wú)軌電車行駛的過(guò)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(huì)因?yàn)殡娫吹氖С６Ｏ聛?lái)，避免災(zāi)難性后果的發(fā)生。與傳統(tǒng)的視覺(jué)類循跡方法相比，電磁循跡即不會(huì)在上下坡出現(xiàn)循跡的盲區(qū)，也不會(huì)受強(qiáng)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(jiǎn)單，所需處理的數(shù)據(jù)量也不大，成本低廉，有較高的實(shí)用價(jià)值。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 授權(quán)生產(chǎn)或授權(quán)使用
作品可展示的形式
- 實(shí)物 產(chǎn)品 模型 現(xiàn)場(chǎng)演示 圖片 錄像 樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 我們?cè)O(shè)計(jì)的無(wú)軌電車模型在由電線供電時(shí)，對(duì)變壓系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的改造便可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡，實(shí)現(xiàn)輔助駕駛。應(yīng)用于無(wú)軌列車時(shí)，需要對(duì)列車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，并在每節(jié)車廂上安裝傳感器系統(tǒng)及轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)無(wú)軌列車的自動(dòng)循跡，實(shí)現(xiàn)輔助駕駛。 適用范圍： 1.無(wú)軌電車的輔助駕駛2.工廠車間自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng) 3.軍用無(wú)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(dòng)循跡5.無(wú)軌列車系統(tǒng)的輔助駕駛 技術(shù)： 1.采用供電導(dǎo)線進(jìn)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(kāi)工業(yè)干擾（頻率為50HZ左右）和通信信號(hào)干擾（頻率在30kHZ以上），抗干擾能力強(qiáng)； 3. 由于循跡是根據(jù)供電導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)，在行駛時(shí)磁場(chǎng)時(shí)刻存在，不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)視覺(jué)循跡技術(shù)在下坡時(shí)常出現(xiàn)的死角問(wèn)題； 4.載流導(dǎo)線循跡技術(shù)所采用的器件較為簡(jiǎn)單，成本低廉； 5. 跡線連續(xù)性強(qiáng)，有望用于無(wú)軌列車 前景分析： 隨著發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)成為全社會(huì)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(shì)。
同類課題研究水平概述
- 在國(guó)外，互聯(lián)網(wǎng)搜索引擎谷歌公司證實(shí)，他們正在開(kāi)發(fā)完全無(wú)人駕駛汽車，而且已在美國(guó)加州公路上試行超過(guò)22萬(wàn)公里，其中1600公里是在完全無(wú)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(shí)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(dá)傳感器和激光探測(cè)器，可以感知公路上的限速、路旁交通標(biāo)志，以及周圍的車子移動(dòng)情況，并借助地圖來(lái)導(dǎo)航。在國(guó)內(nèi)，目前在我國(guó)的自動(dòng)循跡技術(shù)中，有的采用磁釘傳感器來(lái)檢測(cè)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(cè)法。然而磁傳感器需要在路面預(yù)埋磁釘，會(huì)對(duì)路面造成一定的損壞;CCD 攝像頭一般價(jià)格較貴，信號(hào)采集周期較長(zhǎng), 很容易受到外界光線的干擾,且需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的轉(zhuǎn)換和處理;紅外探測(cè)法易受到周圍環(huán)境的影響，特別是在較強(qiáng)日光燈下，對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)有一定的影響。鑒于以上原因，本設(shè)計(jì)創(chuàng)造性地提出了兩套用于跡線信息解算的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合了單相牽引供電技術(shù)、脈寬調(diào)制技術(shù)和磁誘導(dǎo)信息編碼技術(shù)，設(shè)計(jì)出將智能車循跡領(lǐng)域最新的載流導(dǎo)線循跡技術(shù)與雙源節(jié)能無(wú)軌電車相結(jié)合的用于道路信息識(shí)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(wèn)題的一種方案，并擴(kuò)展了牽引供電系統(tǒng)的附加價(jià)值。 [1] 王春燕,吳超仲,丁振松等.基于磁道釘導(dǎo)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(jī)器視覺(jué)智能車輛導(dǎo)航綜述[J].公路交通科技,2005,22(5). [3] 張立，楊立。電動(dòng)小車的循跡。校園電子，2004,6。21 [4]劉巧蓮。無(wú)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(wú)軌電車發(fā)展簡(jiǎn)史、現(xiàn)狀和未來(lái)展望[J]．城市公用事業(yè)，2006(3)：2～14
