智能双车通信及跟随教学实验装置的制造方法
专利名称:智能双车通信及跟随教学实验装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种智能双车通信及跟随教学实验装置和方法，本装置包括安装在前车的前车系统和安装在后车的后车系统，前车系统和后车系统均包括主控设备、电源供压装置、直流电机驱动装置、转向控制装置、无线通信装置、液晶屏、测速装置、测距装置、拨码开关及按键装置，前后车系统通过测距装置测量前后车初始车距，前后车系统通过无线通信装置接收PC机发来的设定好的前车的目标速度和目标打角，通过增量式PID控制调整实际速度以及通过转向控制装置调整实际打角以接近设定值，实现前后车的通信及跟随的教学过程；本装置和方法，使高校控制类、通信工程类专业实验教学得到良好的教学效果，使学生可以生动直观地掌握专业知识。
【专利说明】
智能双车通信及跟随教学实验装置
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种基于智能车的实验教学仪器领域，具体设及一种实现智能双 车间的通信及两车的跟随行驶、可供高校控制类、通信工程类专业实验教学使用的智能双 车通信及跟随教学实验装置和实验方法。
【背景技术】
[0002] 目前，高校实验教学设备种类繁多，但多数为基础实验教学仪器，只有少数为针对 智能车单车控制的实验仪器，而对于智能车前后两车间的通信及通过前车控制后车实现两 车跟随的实验教学仪器尚未出现。在教学过程中，一般高校采用软件模拟的形式完成，实验 结果缺乏直观生动，不利于学生对控制技术及通信技术的了解掌握。
[0003] 专利公开号:CN204623370U，一种全自动电动车驱动系统用智能通信装置，通过无 线连接实现中控无线模块和手机无线模块与手机系统模块连接;其中手机系统模块包括手 机用户APP界面、手机通信模块和手机无线模块。其实现了手机用户APP与全自动电动车之 间的通信，但没有实现双车间的通信。
[0004] 专利公开号：CN103496368A，具有学习能力的汽车协同式自适应巡航控制系统及 方法，其中训练集和测试集生成模块用于根据获取的前车与本车行驶状态信息生成相适应 的训练集和测试集，汽车行驶状态集模块和汽车间安全距离模块选择出能够准确表达当前 车辆状态和车间距离的数据。其在一定程度上实现了后车对前车运动状态的捕捉来实现后 车的跟随行驶，但其不能形象生动地展现两车状态，不能有效应用到高校教学中。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型要解决上述问题，提出一种智能车双车通信及跟随的实验装置，具体 技术方案如下：
[0006] 智能双车跟随及通信实验设备，包括安装在前车上的前车系统和安装在后车上的 后车系统，其特征在于：
[0007] 前车系统包括主控设备、电源供压装置、直流电机驱动装置、转向控制装置、无线 通信装置、液晶屏、测速装置、测距装置、拨码开关及按键装置和PC机，主控设备信号接口与 直流电机驱动装置、转向控制装置、无线通信装置、液晶屏、测速装置、测距装置、拨码开关 及按键装置的信号接口相连，主控设备、无线通信装置、测速装置、测距装置、拨码开关及按 键装置、液晶屏、转向控制装置和直流电机驱动装置的电压输入接口分别与电源供压装置 连接W获取电压，直流电机驱动装置输出端齿轮与车体后轮齿轮晒合，转向控制装置输出 端通过拉杆与车体前轮转向节相连，测速装置输入端测速齿轮与车体后轮齿轮晒合；
[000引主控设备中有计时器，脉冲宽度调制器，脉冲累加器，定时中断器；
[0009]后车系统的结构和各部件之间的连接关系与上述的前车系统相同，前车系统中的 测距装置悬置且贴合在前车车体后端上，后车系统中的测距装置悬置且贴合在后车的舱机 上；
[0010] PC机可W通过无线通信装置与前车系统和后车系统进行通信。
[0011] 进一步的技术方案：
[0012] 所述电源供压装置包括电池、5V稳压模块、3.3V稳压模块、6V稳压模块、12V稳压模 块、测压模块，电池与5V稳压模块、6V稳压模块的输入接口相接，5V稳压模块输出接口与 3.3V稳压模块、12V稳压模块的输入接口相接，测压模块输入接口与电池相连，电源供压装 置的5V稳压模块的输出接口与主控设备、无线通信装置、测速装置、测距装置、拨码开关及 按键装置的电压输入接口相连;电源供压装置的3.3V稳压模块的输出接口与液晶屏的电压 输入接口相连;电源供压装置的6V稳压模块的输出接口与转向控制装置的电压输入接口相 连;电源供压装置的12V稳压模块的输出接口与直流电机驱动装置的电压输入接口相连。
[0013] 智能双车跟随及通信实验方法，其特征在于，步骤如下：
[0014] 步骤一:前后车初始测距：
[0015] 前车系统和后车系统中的测距装置配合工作，利用超声波的发送和接收测量两车 之间的距离，其中一个脉冲高电平时间表示超声波从前车到后车的传播时间，使用主控设 备中的计时器测得的脉冲高电平的时间；
[0016] 两车之间初始距离计算公式：
[0017]初始距离Lo= t X Vvoice
[0018] 其中t是主控设备所测得的脉冲高电平时间，Vvoice是声速，取340m/s
[0019] 步骤二:前车系统获取PC机设定的前车系统当前时刻目标速度V和前车系统当前 时刻的目标打角a:
[0020] PC机给前车系统的无线通信装置发送信号，前车系统获取使用者在PC机上位机上 设定的前车系统当前时刻目标速度V和前车系统当前时刻的目标打角a;
[0021] 步骤前车系统转向控制装置对转动角度的控制：
[0022] 前车系统将接收到的前车系统当前时刻的目标打角a经过计算得到前车系统的脉 冲宽度Tl并通过主控设备的脉冲宽度调制器控制转向控制装置转动，前车系统的转向控制 装置的转动角度Oi '与前车系统的脉冲宽度Tl的关系计算公式为：
[0023]
[0024] 其中Tl为前车系统的脉冲宽度，单位为ms;ai'为前车系统的转向控制装置的转动 角度，脉冲周期为20ms;
[0025] 步骤四：前车系统通过前车系统中的测速装置获取前车系统在n时刻的实际速度 vi(n)：
[0026] 用主控设备的脉冲累加器来捕捉脉冲并计数，开启定时中断器，就可W测得定时 中断的周期P之内的脉冲数X
[0027] 前车系统在n时刻的实际速度vi(n)计算公式；
[0028] 其中X是脉冲个数，a是测速装置输入端测速齿轮的齿数，d是前车后轮直径，b是前 车后轴齿轮齿数，C是测速装置转动一圈所产生的脉冲数，P是定时中断的周期；
[0029] 步骤五：将前车系统从0到n时刻为止各个时刻的实际速度V 1 ( 0 )，V 1 (1)，......vi(n)积分得到前车系统从0到n时刻为止所走过的路程Si(n):
[0030] 主控设备所计算出的前车系统的实际速度为离散变量vi(i)，其中vi(i)为前车系 统在i时刻的实际速度，其中i时刻为从0时刻到n时刻运一时间段中的任一时刻，故积分公 式简化戈
即只需把前车从0到n时刻为止各个时刻的实际速度求和就能得到 前车系统从0到n时刻为止前车系统所走的路程Si(n);
[0031] 步骤六:通过增量式PID控制，使前车系统在n+1时刻的实际速度vi(n+l)接近预定 的前车系统当前时刻目标速度V :
[0032] 由于实际速度与目标速度总有偏差，使用增量式PID速度调节提高车速的稳定性， 减小实际速度与目标速度的偏差，在n时刻将测速装置获取的前车系统在n时刻的实际速度 vi(n)与前车系统当前时刻目标速度V进行比例环节和积分环节的调整；
[0033] 设n时刻电机电压Un为控制量，增量式PID输出的控制量的增量为A Un,则n-1时刻 电机电压为Un-I，增量式PID输出的是控制量的增量为A Un-I;
[0034] 因此电机电压应是化= Un-I+A化
[0035] 增量式PID输出的是控制量的增量 AUn = Un-Un-l = A(en-en-l)+Ben+C(en-2en-l+ 6n-2 )；
[0036] 前车系统当前时刻目标速度V和前车系统在n时刻的实际速度Vi (n)的差值为en = V-Vi (n)，en-1 = V-Vi (n-1), en-2 = V-Vi (n-2) A, B, C为待定参数；
[0037] 待定参数A，B，C的取值按W下方法：
[0038] 先把待定参数B，C设定为0,把待定参数A从0开始逐渐增大，不断地运行前车系统 或后车系统，直到前车系统或后车系统刚好发生超调，待定参数A设为前车系统或后车系统 刚好发生超调时的60%到80% ;
[0039] 然后参数A不变，把待定参数B从0开始逐渐增大，不断地运行前车系统或后车系 统，直到前车系统或后车系统刚好发生超调，待定参数的受为前车系统或后车系统刚好发生 超调时的60%到80% ;
[0040] 最后待定参数村受为0;
[0041] 步骤屯:前车系统通过无线通信装置，给后车系统发送前车系统当前时刻目标速 度V，前车系统当前时刻的目标打角aW及前车系统从0到n时刻为止前车系统所走的路程Si (n)：
[0042] 前车系统将从PC机接收到的全部数据包括前车系统当前时刻目标速度V，前车系 统当前时刻的目标打角CtW及前车系统从0到n时刻为止前车系统所走的路程Si(n)，通过前 车系统和后车系统中的无线通信装置发送给后车系统；
[0043] 后车系统接收到前车系统当前时刻的目标打角a和前车系统从0到n时刻为止前车 系统所走的路程Si(n)后，由于前车系统不同时刻的目标打角a的值是不同的，将不同时刻 的曰的值W数组的形式保存，使a(n)=a;
[0044] 其中a(n)是的前车系统在n时刻的目标打角，且a(n)和Si(n)--对应
[0045] 步骤八:后车系统根据自己所在位置，调整后车系统当前时刻的目标打角曰2
[0046] 后车速度积分得到后车到m时刻为止后车所走过的路程S2(m)
[0047] 由积分公式
导到后车路程S2(m)
[0048] 由步骤一测得前后车初始距离Lo,再测出后车车身的长度拉，因此后车的初始路程 为-(Lo巧2)，后车路程S2在-(Lo巧2)到0之间舱机打角为0,后车路程S2〉0之后按照前车发来 的数据行驶；
[0049] 后车系统接收到的前车路程Si和后车计算得到的后车路程S2都是离散的，所W在m 时刻后车系统计算得到的后车路程S2(m)可能是在已接收并保存的两个相邻路程Si(n)和Si (n+1)之间，后车系统将取所保存的两个路程所对应的两个目标打角取平均值后作为后车 系统当前时刻的目标打角曰2;
[0050] 例如:m时刻后车系统检测到自己的当前路程为S2(m)，而后车系统通过步骤屯接 收到的前车路程Si内最接近S2(m)的有两组数据Si(n)、Si(n+l)，其中，Si(n)为前车系统从0 到n时刻为止前车系统所走的路程，Si(n+1)为前车系统从0到n+1时刻为止前车系统所走的 路程
[0051] 与前车系统从0到n时刻为止前车系统所走的路程Si(n)对应的打角是前车系统在 n时刻的目标打角a (n);
[0052] 与前车系统从0到n+1时刻为止前车系统所走的路程Si (n+1)对应的打角是前车系 统在n+1时刻的目标打角a (n+1);
[0053] 则后车系统当前时刻的目标打角02满足W下关系：
[0054] a2 = a(n) (S2(m) = Si(n))
[0055] a2=(a(n)+a(n+l))/2 (Si(n)<S2(m)<Si(n+l))
[0056] a2 = a(n+l) (82(111) = Si(n+l))
[0057] 步骤九：后车系统根据后车系统m时刻的目标打角02控制转向控制装置实现转向， 根据前车系统m时刻的目标速度V和后车系统在m时刻的实际速度V2(m)通过PID调节控制智 能车m+1时刻的实际速度V2(m+1);
[0058] 经过计算得到后车系统的的脉冲宽度T2并通过转向控制装置控制转向，后车系统 的转向控制装置的转动角度02'与后车系统的脉冲宽度T2的关系计算公式为：
[0化9]
[0060] 其中T2为正脉冲宽度(ms) ;〇2'为后车系统的转向控制装置的转动角度;脉冲周期 为 20ms
[0061] 之后用主控设备的脉冲计数器来捕捉脉冲并计数，开启定时中断，就可W测得定 时中断的周期P之内的脉冲数X
[0062] 后车系统在m时刻的实际速度V2(m)计算公式：
[0063] 其中X是脉冲个数，a是测速装置输入端测速齿轮的齿数，d '是后车后轮直径，b '是 后车后轴齿轮齿数，C是测速装置转动一圈所产生的脉冲数，P是定时中断的周期；
[0064] 再经过增量式PID控制：
[0065] 由于实际速度与目标速度总有偏差，使用增量式PID速度调节提高车速的稳定性， 减小实际速度与目标速度的偏差，在m时刻将测速装置获取的后车系统在m时刻的实际速度 V2(m)与前车系统当前时刻的目标速度V进行比例环节和积分环节的调整；
[0066] 设m时刻电机电压Um为控制量，增量式PID输出的控制量的增量为A Um,则m-1时刻 电机电压为Um-I，增量式PID输出的是控制量的增量为A Um-I;
[0067] 因此电机电压应是Um = Um-I+A Um
[006引增里式PID输出的是枉制里的增里 A Um二 Um-Um-I 二 A ( em-Gm-I ) +Bem+C ( em-2em-l + em-2 )；
[0069] 前车系统当前时刻的目标速度V和后车系统在m时刻的实际速度V2(m)的差值为em =V-V2(m)，em-i = V-V2(m-1), em-2 = V-V2(m-2)A,B, C为待定参数；
[0070] 待定参数A，B，C的取值按W下方法：
[0071 ]先把待定参数B，C设定为0，把待定参数A从0开始逐渐增大，不断地运行前车系统 或后车系统，直到前车系统或后车系统刚好发生超调，待定参数A设为前车系统或后车系统 刚好发生超调时的60%到80% ;
[0072] 然后参数A不变，把待定参数B从0开始逐渐增大，不断地运行前车系统或后车系 统，直到前车系统或后车系统刚好发生超调，待定参数的受为前车系统或后车系统刚好发生 超调时的60 %到80 %;
[0073] 最后待定参数C设为0;
[0074] 步骤十:后车系统的无线通信装置把后车系统在m时刻的实际速度V2(m)和后车系 统在m时刻的所走的路程S2(m)发送给PC机并在PC机上显示。
[0075] 本实用新型的有益效果在于：
[0076] 1.通过PC机操作系统软件，使用者可W根据实际情况、实验需要设定前车的目标 转角和目标速度;同时使用者可W形象直观地了解智能双车的行驶状态。
[0077] 2.通过PC机无线通信装置与智能双车间的通信，可W实现根据使用者的意愿进行 相关的调试。
[0078] 3.通过双车间通信，可W使前车系统将自身的参数及状况及时发送给后车系统， 使后车系统通过计算处理实现智能双车的通信及跟随。
[0079] 4.本实用新型操作简单，易于调试，使使用者易于掌握主控设备工作原理、无线通 信装置通信原理，可W生动直观的展示智能车控制的结果，有助于提高学生的学习兴趣。
【附图说明】
：
[0080] 图1是本实用新型所述的智能双车通信及跟随教学实验装置的前车系统和后车系 统的各部件连接关系示意图；
[0081] 图2是本实用新型所述的智能双车通信及跟随教学实验装置的前车系统的整体物 理结构示意图；
[0082] 图3是本实用新型所述的智能双车通信及跟随教学实验装置的后车系统的整体物 理结构示意图；
[0083] 图4是本实用新型所述的智能双车通信及跟随教学实验方法的流程框图；
[0084] 图中：1.主控设备，2.电源供压装置，3.直流电机驱动装置，4.转向控制装置，5.无 线通信装置，6.液晶屏，7.测速装置，8.测距装置，9.拨码开关及按键装置，10.电池。
【具体实施方式】：
[0085] 前车系统包括主控设备1、电源供压装置2、直流电机驱动装置3、转向控制装置4、 无线通信装置5、液晶屏6、测速装置7、测距装置8、拨码开关及按键装置9和PC机，主控设备I 信号接口与直流电机驱动装置3、转向控制装置4、无线通信装置5、液晶屏6、测速装置7、测 距装置8、拨码开关及按键装置9的信号接口相连，主控设备1、无线通信装置5、测速装置7、 测距装置8、拨码开关及按键装置9、液晶屏6、转向控制装置4和直流电机驱动装置3的电压 输入接口分别与电源供压装置2连接W获取电压，直流电机驱动装置3输出端齿轮与车体后 轮齿轮晒合，转向控制装置4输出端通过拉杆与车体前轮转向节相连，测速装置7输入端测 速齿轮与车体后轮齿轮晒合；
[0086] 主控设备1中有计时器，脉冲宽度调制器，脉冲累加器，定时中断器；
[0087] 后车系统的结构和各部件之间的连接关系与上述的前车系统相同，前车系统中的 测距装置8悬置且贴合在前车车体后端上，后车系统中的测距装置8悬置且贴合在后车的舱 机上；
[0088] PC机可W通过无线通信装置5与前车系统和后车系统进行通信。
[0089] 所述电源供压装置2包括电池10、5V稳压模块、3.3V稳压模块、6V稳压模块、12V稳 压模块、现化模块，电池10与5V稳压模块、6V稳压模块的输入接口相接，5V稳压模块输出接 口与3.3V稳压模块、12V稳压模块的输入接口相接，测压模块输入接口与电池10相连，电源 供压装置2的5V稳压模块的输出接口与主控设备1、无线通信装置5、测速装置7、测距装置8、 拨码开关及按键装置9的电压输入接口相连;电源供压装置2的3.3V稳压模块的输出接口与 液晶屏6的电压输入接口相连；电源供压装置2的6V稳压模块的输出接口与转向控制装置4 的电压输入接口相连；电源供压装置2的12V稳压模块的输出接口与直流电机驱动装置3的 电压输入接口相连。
[0090] 所述电源供压装置2的5V稳压模块应用的主要忍片为LM2940或TPS7350; 3.3V稳压 模块应用的主要忍片为4151117^?57333;6￥稳压模块应用的主要忍片为1112941或1112956; 12V稳压模块应用的主要忍片为MC34063。
[0091] 所述直流电机驱动装置3,包括驱动电路模块和直流电机。
[0092] 驱动电路模块，电压输入接口与12V稳压模块的输出接口相接，信号输入接口与主 控设备1脉冲宽度调制器接口相接，输出接口与直流电机输入接口相接。驱动电路模块，采 用H桥4mos管方案，采用双IR2104驱动方案。
[0093] 直流电机输入接口与驱动电路模块输出接口相接，输出端齿轮与智能车车体后轮 齿轮晒合。
[0094] 所述转向控制装置4，应用舱机实现转向控制。
[0095] 舱机，电压输入接口与6V稳压模块的输出接口相接，信号输入接口与主控设备1外 设接口脉冲宽度调制器相接，输出端通过拉杆与智能车车体前轮转向节相连。
[0096] 所述无线通信装置5,电压输入接口与5V稳压模块的输出接口相接，信号输入接口 与主控设备1外设接口异步串行接口相接，无线通信装置5与PC机进行通信。
[0097] 所述液晶屏6，电压输入接口与3.3V稳压模块的输出接口相接，信号输入接口与主 控设备1外设接口 I/O接口相接。
[0098] 所述测速装置7,采用光电编码器作为测速装置7。
[0099] 所述测距装置8,电压输入接口与5V稳压模块的输出接口相接，信号输出接口主控 设备1外设接口模数转化模块相连。
[0100]所述拨码开关及按键装置9,电压输入接口与5V稳压模块的输出接口相接，信号输 出接口主控设备1外设接口 I/O接口相连。
[0101 ]所述的智能双车跟随及通信实验方法，步骤如下：
[0102] 步骤一:前后车初始测距
[0103] 前车系统和后车系统中的测距装置8配合工作，利用超声波的发送和接收测量两 车之间的距离，其中一个脉冲高电平时间表示超声波从前车到后车的传播时间，使用主控 设备1中的计时器测得的脉冲高电平的时间；
[0104] 两车之间初始距离计算公式：
[0105] 初始距离Lo= t X Vvoice
[0106] 其中t是主控设备1所测得的脉冲高电平时间，Vvoice是声速，取340m/s
[0107] 步骤二:前车系统获取PC机设定的前车系统当前时刻目标速度V和前车系统当前 时刻的目标打角a:
[0108] PC机给前车系统的无线通信装置5发送信号，前车系统获取使用者在PC机上位机 上设定的前车系统当前时刻目标速度V和前车系统当前时刻的目标打角a;
[0109] 步骤前车系统转向控制装置4对转动角度的控制
[0110] 前车系统将接收到的前车系统当前时刻的目标打角a经过计算得到前车系统的脉 冲宽度Tl并通过主控设备1的脉冲宽度调制器控制转向控制装置4转动，前车系统的转向控 制装置4的转动角度ai'与前车系统的脉冲宽度Tl的关系计算公式为：
[0111]
[0112] 其中Tl为前车系统的脉冲宽度，单位为ms;ai'为前车系统的转向控制装置4的转动 角度，脉冲周期为20ms;
[0113] 步骤四：前车系统通过前车系统中的测速装置7获取前车系统在n时刻的实际速度 vi(n)
[0114] 用主控设备1的脉冲累加器来捕捉脉冲并计数，开启定时中断器，就可W测得定时 中断的周期P之内的脉冲数X
[0115] 前车系统在n时刻的实际速度vi(n)计算公式；
[0116] 其中X是脉冲个数，a是测速装置7输入端测速齿轮的齿数，d是前车后轮直径，b是 前车后轴齿轮齿数，C是测速装置转动一圈所产生的脉冲数，P是定时中断的周期；
[0117] 步骤五：将前车系统从0到n时刻为止各个时刻的实际速度Vi(O)，Vi (1)，......vi(n)积分得到前车系统从0到n时刻为止所走过的路程Si(n)
[0118] 主控设备1所计算出的前车系统的实际速度为离散变量vi(i)，其中vi(i)为前车系 统在i时刻的实际速度，其中i时刻为从0时刻到n时刻运一时间段中的任一时刻，故积分公 式简化戈
即只需把前车从0到n时刻为止各个时刻的实际速度求和就能得到 前车系统从0到n时刻为止前车系统所走的路程Si(n);
[0119] 步骤六:通过增量式PID控制，使前车系统在n+1时刻的实际速度vi(n+l)接近预定 的前车系统当前时刻目标速度V;
[0120] 增量式PID控制：
[0121] 由于实际速度与目标速度总有偏差，使用增量式PID速度调节提高车速的稳定性， 减小实际速度与目标速度的偏差，在n时刻将测速装置7获取的前车系统在n时刻的实际速 度vi(n)与前车系统当前时刻目标速度V进行比例环节和积分环节的调整；
[0122] 设n时刻电机电压Un为控制量，增量式PID输出的控制量的增量为A Un,则n-1时刻 电机电压为Un-I，增量式PID输出的是控制量的增量为A Un-I;
[0123] 因此电机电压应是化=Un-I+A化
[0124] 增量式PID输出的是控制量的增量 A Un = Un-Un-I = A(Gn-Gn-I)+Ben+C(en-2en-l + en-2)；
[0125] 前车系统当前时刻目标速度V和前车系统在n时刻的实际速度vi(n)的差值为en = V-Vi (n)，en-i = V-Vi (n-1), en-2 = V-Vi (n-2) A, B, C为待定参数；
[01%]待定参数A，B，C的取值按W下方法：
[0127] 先把待定参数B，C设定为0，把待定参数A从0开始逐渐增大，不断地运行前车系统 或后车系统，直到前车系统或后车系统刚好发生超调，待定参数A设为前车系统或后车系统 刚好发生超调时的60%到80% ;
[0128] 然后参数A不变，把待定参数B从0开始逐渐增大，不断地运行前车系统或后车系 统，直到前车系统或后车系统刚好发生超调，待定参数的受为前车系统或后车系统刚好发生 超调时的60 %到80 %;
[0129] 最后待定参数C设为0;
[0130] 步骤屯:前车系统通过无线通信装置5,给后车系统发送前车系统当前时刻目标速 度V，前车系统当前时刻的目标打角aW及前车系统从0到n时刻为止前车系统所走的路程Si (n)：
[0131] 前车系统将从PC机接收到的全部数据包括前车系统当前时刻目标速度V，前车系 统当前时刻的目标打角aW及前车系统从0到n时刻为止前车系统所走的路程Si(n)，通过前 车系统和后车系统中的无线通信装置5发送给后车系统；
[0132] 后车系统接收到前车系统当前时刻的目标打角a和前车系统从0到n时刻为止前车 系统所走的路程Si(n)后，由于前车系统不同时刻的目标打角a的值是不同的，将不同时刻 的曰的值W数组的形式保存，使a(n)=a;
[0133] 其中a (n)是的前车系统在n时刻的目标打角，且a (n)和Si (n)-一对应
[0134] 步骤八:后车系统根据自己所在位置，调整后车系统当前时刻的目标打角曰2
[0135] 后车速度积分得到后车到m时刻为止后车所走过的路程S2(m)
[0136] 由积分公式
尋到后车路程S2(m)
[0137] 由步骤一测得前后车初始距离Lo,再测出后车车身的长度拉，因此后车的初始路程 为-(Lo巧2)，后车路程S2在-(Lo巧2)到0之间舱机打角为0，后车路程S2〉0之后按照前车发来 的数据行驶；
[0138] 后车系统接收到的前车路程Si和后车计算得到的后车路程S2都是离散的，所W在m 时刻后车系统计算得到的后车路程S2(m)可能是在已接收并保存的两个相邻路程Si(n)和Si (n+1)之间，后车系统将取所保存的两个路程所对应的两个目标打角取平均值后作为后车 系统当前时刻的目标打角曰2;
[0139] 例如:m时刻后车系统检测到自己的当前路程为S2(m)，而后车系统通过步骤屯接 收到的前车路程Si内最接近S2(m)的有两组数据Si(n)、Si(n+l)，其中，Si(n)为前车系统从0 到n时刻为止前车系统所走的路程，Si(n+1)为前车系统从0到n+1时刻为止前车系统所走的 路程
[0140] 与前车系统从0到n时刻为止前车系统所走的路程Si(n)对应的打角是前车系统在 n时刻的目标打角a (n);
[0141] 与前车系统从0到n+1时刻为止前车系统所走的路程Si(n+1)对应的打角是前车系 统在n+1时刻的目标打角a (n+1);
[0142] 则后车系统当前时刻的目标打角02满足W下关系：
[0143] a2 = a(n) (S2(m) = Si(n))
[0144] a2=(a(n)+a(n+l))/2 (Si(n)<S2(m)<Si(n+l))
[0145] a2 = a(n+l) (S2(m) = Si(n+l))
[0146] 步骤九：后车系统根据后车系统m时刻的目标打角02控制转向控制装置4实现转 向，根据前车系统m时刻的目标速度V和后车系统在m时刻的实际速度V2(m)通过PID调节控 制智能车m+1时刻的实际速度V2(m+1);
[0147] 经过计算得到后车系统的的脉冲宽度T2并通过转向控制装置4控制转向，后车系 统的转向控制装置4的转动角度02'与后车系统的脉冲宽度T2的关系计算公式为：
[014 引
[0149] 其中T2为正脉冲宽度(ms) ;〇2'为后车系统的转向控制装置4的转动角度;脉冲周期 为20ms
[0150] 之后用主控设备1的脉冲计数器来捕捉脉冲并计数，开启定时中断，就可W测得定 时中断的周期P之内的脉冲数X
[0151] 后车系统在m时刻的实际速度V2(m)计算公式
[0152] 其中X是脉冲个数，a是测速装置7输入端测速齿轮的齿数，d'是后车后轮直径，b' 是后车后轴齿轮齿数，C是测速装置转动一圈所产生的脉冲数，P是定时中断的周期；
[0153] 再经过增量式PID控制：
[0154] 由于实际速度与目标速度总有偏差，使用增量式PID速度调节提高车速的稳定性， 减小实际速度与目标速度的偏差，在m时刻将测速装置7获取的后车系统在m时刻的实际速 度V2(m)与前车系统当前时刻的目标速度V进行比例环节和积分环节的调整；
[0155] 设m时刻电机电压Um为控制量，增量式PID输出的控制量的增量为A Um,则m-1时刻 电机电压为Um-I，增量式PID输出的是控制量的增量为A Um-I;
[0156] 因此电机电压应是Um = Um-I+A Um
[01 57]增里式PID输出的是枉制里的增里 A Um二 Um-Um-I 二 A ( em-Gm-I ) +Bem+C ( em-2em-l + em-2 )；
[0158]前车系统当前时刻的目标速度V和后车系统在m时刻的实际速度V2 (m)的差值为em =V-V2(m)，em-1 = V-V2(m-1), em-2 = V-V2(m-2)A,B, C为待定参数；
[0159 ]待定参数A，B，C的取值按W下方法：
[0160] 先把待定参数B，C设定为0，把待定参数A从0开始逐渐增大，不断地运行前车系统 或后车系统，直到前车系统或后车系统刚好发生超调，待定参数A设为前车系统或后车系统 刚好发生超调时的60%到80% ;
[0161] 然后参数A不变，把待定参数B从0开始逐渐增大，不断地运行前车系统或后车系 统，直到前车系统或后车系统刚好发生超调，待定参数的受为前车系统或后车系统刚好发生 超调时的60 %到80 %;
[0162] 最后待定参数C设为0;
[0163] 步骤十：后车系统的无线通信装置5把后车系统在m时刻的实际速度V2(m)和后车 系统在m时刻的所走的路程S2(m)发送给PC机并在PC机上显示。
【主权项】
1. 智能双车跟随及通信实验设备，包括安装在前车上的前车系统和安装在后车上的后 车系统，其特征在于： 前车系统包括主控设备（1)、电源供压装置(2)、直流电机驱动装置(3)、转向控制装置 (4) 、无线通信装置(5)、液晶屏(6)、测速装置(7)、测距装置(8)、拨码开关及按键装置(9)和 PC机，主控设备（1)信号接口与直流电机驱动装置（3)、转向控制装置(4)、无线通信装置 (5) 、液晶屏(6)、测速装置(7)、测距装置(8)、拨码开关及按键装置(9)的信号接口相连，主 控设备（1)、无线通信装置(5)、测速装置(7)、测距装置(8)、拨码开关及按键装置(9)、液晶 屏(6)、转向控制装置(4)和直流电机驱动装置(3)的电压输入接口分别与电源供压装置(2) 连接以获取电压，直流电机驱动装置(3)输出端齿轮与车体后轮齿轮啮合，转向控制装置 (4)输出端通过拉杆与车体前轮转向节相连，测速装置(7)输入端测速齿轮与车体后轮齿轮 啮合； 主控设备（1)中有计时器，脉冲宽度调制器，脉冲累加器，定时中断器； 后车系统的结构和各部件之间的连接关系与上述的前车系统相同，前车系统中的测距 装置(8)悬置且贴合在前车车体后端上，后车系统中的测距装置(8)悬置且贴合在后车的舵 机上； PC机可以通过无线通信装置(5)与前车系统和后车系统进行通信。2. 根据权利要求1所述的智能双车跟随及通信实验设备，其特征在于:所述电源供压装 置(2)包括电池（10)、5V稳压模块、3.3V稳压模块、6V稳压模块、12V稳压模块、测压模块，电 池（10)与5V稳压模块、6V稳压模块的输入接口相接，5V稳压模块输出接口与3.3V稳压模块、 12V稳压模块的输入接口相接，测压模块输入接口与电池（10)相连，电源供压装置(2)的5V 稳压模块的输出接口与主控设备（1)、无线通信装置(5)、测速装置(7)、测距装置(8)、拨码 开关及按键装置(9)的电压输入接口相连;电源供压装置(2)的3.3V稳压模块的输出接口与 液晶屏(6)的电压输入接口相连;电源供压装置(2)的6V稳压模块的输出接口与转向控制装 置(4)的电压输入接口相连；电源供压装置(2)的12V稳压模块的输出接口与直流电机驱动 装置(3)的电压输入接口相连。
【文档编号】G09B19/16GK205722518SQ201620158504
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年3月2日
【发明人】李静, 刘征宇, 刘政, 黄祺垄, 王敬凯, 刘洪升
【申请人】吉林大学
【专利摘要】本实用新型公开了一种智能双车通信及跟随教学实验装置和方法，本装置包括安装在前车的前车系统和安装在后车的后车系统，前车系统和后车系统均包括主控设备、电源供压装置、直流电机驱动装置、转向控制装置、无线通信装置、液晶屏、测速装置、测距装置、拨码开关及按键装置，前后车系统通过测距装置测量前后车初始车距，前后车系统通过无线通信装置接收PC机发来的设定好的前车的目标速度和目标打角，通过增量式PID控制调整实际速度以及通过转向控制装置调整实际打角以接近设定值，实现前后车的通信及跟随的教学过程；本装置和方法，使高校控制类、通信工程类专业实验教学得到良好的教学效果，使学生可以生动直观地掌握专业知识。
【专利说明】
智能双车通信及跟随教学实验装置
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种基于智能车的实验教学仪器领域，具体设及一种实现智能双 车间的通信及两车的跟随行驶、可供高校控制类、通信工程类专业实验教学使用的智能双 车通信及跟随教学实验装置和实验方法。
【背景技术】
[0002] 目前，高校实验教学设备种类繁多，但多数为基础实验教学仪器，只有少数为针对 智能车单车控制的实验仪器，而对于智能车前后两车间的通信及通过前车控制后车实现两 车跟随的实验教学仪器尚未出现。在教学过程中，一般高校采用软件模拟的形式完成，实验 结果缺乏直观生动，不利于学生对控制技术及通信技术的了解掌握。
[0003] 专利公开号:CN204623370U，一种全自动电动车驱动系统用智能通信装置，通过无 线连接实现中控无线模块和手机无线模块与手机系统模块连接;其中手机系统模块包括手 机用户APP界面、手机通信模块和手机无线模块。其实现了手机用户APP与全自动电动车之 间的通信，但没有实现双车间的通信。
[0004] 专利公开号：CN103496368A，具有学习能力的汽车协同式自适应巡航控制系统及 方法，其中训练集和测试集生成模块用于根据获取的前车与本车行驶状态信息生成相适应 的训练集和测试集，汽车行驶状态集模块和汽车间安全距离模块选择出能够准确表达当前 车辆状态和车间距离的数据。其在一定程度上实现了后车对前车运动状态的捕捉来实现后 车的跟随行驶，但其不能形象生动地展现两车状态，不能有效应用到高校教学中。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型要解决上述问题，提出一种智能车双车通信及跟随的实验装置，具体 技术方案如下：
[0006] 智能双车跟随及通信实验设备，包括安装在前车上的前车系统和安装在后车上的 后车系统，其特征在于：
[0007] 前车系统包括主控设备、电源供压装置、直流电机驱动装置、转向控制装置、无线 通信装置、液晶屏、测速装置、测距装置、拨码开关及按键装置和PC机，主控设备信号接口与 直流电机驱动装置、转向控制装置、无线通信装置、液晶屏、测速装置、测距装置、拨码开关 及按键装置的信号接口相连，主控设备、无线通信装置、测速装置、测距装置、拨码开关及按 键装置、液晶屏、转向控制装置和直流电机驱动装置的电压输入接口分别与电源供压装置 连接W获取电压，直流电机驱动装置输出端齿轮与车体后轮齿轮晒合，转向控制装置输出 端通过拉杆与车体前轮转向节相连，测速装置输入端测速齿轮与车体后轮齿轮晒合；
[000引主控设备中有计时器，脉冲宽度调制器，脉冲累加器，定时中断器；
[0009]后车系统的结构和各部件之间的连接关系与上述的前车系统相同，前车系统中的 测距装置悬置且贴合在前车车体后端上，后车系统中的测距装置悬置且贴合在后车的舱机 上；
[0010] PC机可W通过无线通信装置与前车系统和后车系统进行通信。
[0011] 进一步的技术方案：
[0012] 所述电源供压装置包括电池、5V稳压模块、3.3V稳压模块、6V稳压模块、12V稳压模 块、测压模块，电池与5V稳压模块、6V稳压模块的输入接口相接，5V稳压模块输出接口与 3.3V稳压模块、12V稳压模块的输入接口相接，测压模块输入接口与电池相连，电源供压装 置的5V稳压模块的输出接口与主控设备、无线通信装置、测速装置、测距装置、拨码开关及 按键装置的电压输入接口相连;电源供压装置的3.3V稳压模块的输出接口与液晶屏的电压 输入接口相连;电源供压装置的6V稳压模块的输出接口与转向控制装置的电压输入接口相 连;电源供压装置的12V稳压模块的输出接口与直流电机驱动装置的电压输入接口相连。
[0013] 智能双车跟随及通信实验方法，其特征在于，步骤如下：
[0014] 步骤一:前后车初始测距：
[0015] 前车系统和后车系统中的测距装置配合工作，利用超声波的发送和接收测量两车 之间的距离，其中一个脉冲高电平时间表示超声波从前车到后车的传播时间，使用主控设 备中的计时器测得的脉冲高电平的时间；
[0016] 两车之间初始距离计算公式：
[0017]初始距离Lo= t X Vvoice
[0018] 其中t是主控设备所测得的脉冲高电平时间，Vvoice是声速，取340m/s
[0019] 步骤二:前车系统获取PC机设定的前车系统当前时刻目标速度V和前车系统当前 时刻的目标打角a:
[0020] PC机给前车系统的无线通信装置发送信号，前车系统获取使用者在PC机上位机上 设定的前车系统当前时刻目标速度V和前车系统当前时刻的目标打角a;
[0021] 步骤前车系统转向控制装置对转动角度的控制：
[0022] 前车系统将接收到的前车系统当前时刻的目标打角a经过计算得到前车系统的脉 冲宽度Tl并通过主控设备的脉冲宽度调制器控制转向控制装置转动，前车系统的转向控制 装置的转动角度Oi '与前车系统的脉冲宽度Tl的关系计算公式为：
[0023]
[0024] 其中Tl为前车系统的脉冲宽度，单位为ms;ai'为前车系统的转向控制装置的转动 角度，脉冲周期为20ms;
[0025] 步骤四：前车系统通过前车系统中的测速装置获取前车系统在n时刻的实际速度 vi(n)：
[0026] 用主控设备的脉冲累加器来捕捉脉冲并计数，开启定时中断器，就可W测得定时 中断的周期P之内的脉冲数X
[0027] 前车系统在n时刻的实际速度vi(n)计算公式；
[0028] 其中X是脉冲个数，a是测速装置输入端测速齿轮的齿数，d是前车后轮直径，b是前 车后轴齿轮齿数，C是测速装置转动一圈所产生的脉冲数，P是定时中断的周期；
[0029] 步骤五：将前车系统从0到n时刻为止各个时刻的实际速度V 1 ( 0 )，V 1 (1)，......vi(n)积分得到前车系统从0到n时刻为止所走过的路程Si(n):
[0030] 主控设备所计算出的前车系统的实际速度为离散变量vi(i)，其中vi(i)为前车系 统在i时刻的实际速度，其中i时刻为从0时刻到n时刻运一时间段中的任一时刻，故积分公 式简化戈
即只需把前车从0到n时刻为止各个时刻的实际速度求和就能得到 前车系统从0到n时刻为止前车系统所走的路程Si(n);
[0031] 步骤六:通过增量式PID控制，使前车系统在n+1时刻的实际速度vi(n+l)接近预定 的前车系统当前时刻目标速度V :
[0032] 由于实际速度与目标速度总有偏差，使用增量式PID速度调节提高车速的稳定性， 减小实际速度与目标速度的偏差，在n时刻将测速装置获取的前车系统在n时刻的实际速度 vi(n)与前车系统当前时刻目标速度V进行比例环节和积分环节的调整；
[0033] 设n时刻电机电压Un为控制量，增量式PID输出的控制量的增量为A Un,则n-1时刻 电机电压为Un-I，增量式PID输出的是控制量的增量为A Un-I;
[0034] 因此电机电压应是化= Un-I+A化
[0035] 增量式PID输出的是控制量的增量 AUn = Un-Un-l = A(en-en-l)+Ben+C(en-2en-l+ 6n-2 )；
[0036] 前车系统当前时刻目标速度V和前车系统在n时刻的实际速度Vi (n)的差值为en = V-Vi (n)，en-1 = V-Vi (n-1), en-2 = V-Vi (n-2) A, B, C为待定参数；
[0037] 待定参数A，B，C的取值按W下方法：
[0038] 先把待定参数B，C设定为0,把待定参数A从0开始逐渐增大，不断地运行前车系统 或后车系统，直到前车系统或后车系统刚好发生超调，待定参数A设为前车系统或后车系统 刚好发生超调时的60%到80% ;
[0039] 然后参数A不变，把待定参数B从0开始逐渐增大，不断地运行前车系统或后车系 统，直到前车系统或后车系统刚好发生超调，待定参数的受为前车系统或后车系统刚好发生 超调时的60%到80% ;
[0040] 最后待定参数村受为0;
[0041] 步骤屯:前车系统通过无线通信装置，给后车系统发送前车系统当前时刻目标速 度V，前车系统当前时刻的目标打角aW及前车系统从0到n时刻为止前车系统所走的路程Si (n)：
[0042] 前车系统将从PC机接收到的全部数据包括前车系统当前时刻目标速度V，前车系 统当前时刻的目标打角CtW及前车系统从0到n时刻为止前车系统所走的路程Si(n)，通过前 车系统和后车系统中的无线通信装置发送给后车系统；
[0043] 后车系统接收到前车系统当前时刻的目标打角a和前车系统从0到n时刻为止前车 系统所走的路程Si(n)后，由于前车系统不同时刻的目标打角a的值是不同的，将不同时刻 的曰的值W数组的形式保存，使a(n)=a;
[0044] 其中a(n)是的前车系统在n时刻的目标打角，且a(n)和Si(n)--对应
[0045] 步骤八:后车系统根据自己所在位置，调整后车系统当前时刻的目标打角曰2
[0046] 后车速度积分得到后车到m时刻为止后车所走过的路程S2(m)
[0047] 由积分公式
导到后车路程S2(m)
[0048] 由步骤一测得前后车初始距离Lo,再测出后车车身的长度拉，因此后车的初始路程 为-(Lo巧2)，后车路程S2在-(Lo巧2)到0之间舱机打角为0,后车路程S2〉0之后按照前车发来 的数据行驶；
[0049] 后车系统接收到的前车路程Si和后车计算得到的后车路程S2都是离散的，所W在m 时刻后车系统计算得到的后车路程S2(m)可能是在已接收并保存的两个相邻路程Si(n)和Si (n+1)之间，后车系统将取所保存的两个路程所对应的两个目标打角取平均值后作为后车 系统当前时刻的目标打角曰2;
[0050] 例如:m时刻后车系统检测到自己的当前路程为S2(m)，而后车系统通过步骤屯接 收到的前车路程Si内最接近S2(m)的有两组数据Si(n)、Si(n+l)，其中，Si(n)为前车系统从0 到n时刻为止前车系统所走的路程，Si(n+1)为前车系统从0到n+1时刻为止前车系统所走的 路程
[0051] 与前车系统从0到n时刻为止前车系统所走的路程Si(n)对应的打角是前车系统在 n时刻的目标打角a (n);
[0052] 与前车系统从0到n+1时刻为止前车系统所走的路程Si (n+1)对应的打角是前车系 统在n+1时刻的目标打角a (n+1);
[0053] 则后车系统当前时刻的目标打角02满足W下关系：
[0054] a2 = a(n) (S2(m) = Si(n))
[0055] a2=(a(n)+a(n+l))/2 (Si(n)<S2(m)<Si(n+l))
[0056] a2 = a(n+l) (82(111) = Si(n+l))
[0057] 步骤九：后车系统根据后车系统m时刻的目标打角02控制转向控制装置实现转向， 根据前车系统m时刻的目标速度V和后车系统在m时刻的实际速度V2(m)通过PID调节控制智 能车m+1时刻的实际速度V2(m+1);
[0058] 经过计算得到后车系统的的脉冲宽度T2并通过转向控制装置控制转向，后车系统 的转向控制装置的转动角度02'与后车系统的脉冲宽度T2的关系计算公式为：
[0化9]
[0060] 其中T2为正脉冲宽度(ms) ;〇2'为后车系统的转向控制装置的转动角度;脉冲周期 为 20ms
[0061] 之后用主控设备的脉冲计数器来捕捉脉冲并计数，开启定时中断，就可W测得定 时中断的周期P之内的脉冲数X
[0062] 后车系统在m时刻的实际速度V2(m)计算公式：
[0063] 其中X是脉冲个数，a是测速装置输入端测速齿轮的齿数，d '是后车后轮直径，b '是 后车后轴齿轮齿数，C是测速装置转动一圈所产生的脉冲数，P是定时中断的周期；
[0064] 再经过增量式PID控制：
[0065] 由于实际速度与目标速度总有偏差，使用增量式PID速度调节提高车速的稳定性， 减小实际速度与目标速度的偏差，在m时刻将测速装置获取的后车系统在m时刻的实际速度 V2(m)与前车系统当前时刻的目标速度V进行比例环节和积分环节的调整；
[0066] 设m时刻电机电压Um为控制量，增量式PID输出的控制量的增量为A Um,则m-1时刻 电机电压为Um-I，增量式PID输出的是控制量的增量为A Um-I;
[0067] 因此电机电压应是Um = Um-I+A Um
[006引增里式PID输出的是枉制里的增里 A Um二 Um-Um-I 二 A ( em-Gm-I ) +Bem+C ( em-2em-l + em-2 )；
[0069] 前车系统当前时刻的目标速度V和后车系统在m时刻的实际速度V2(m)的差值为em =V-V2(m)，em-i = V-V2(m-1), em-2 = V-V2(m-2)A,B, C为待定参数；
[0070] 待定参数A，B，C的取值按W下方法：
[0071 ]先把待定参数B，C设定为0，把待定参数A从0开始逐渐增大，不断地运行前车系统 或后车系统，直到前车系统或后车系统刚好发生超调，待定参数A设为前车系统或后车系统 刚好发生超调时的60%到80% ;
[0072] 然后参数A不变，把待定参数B从0开始逐渐增大，不断地运行前车系统或后车系 统，直到前车系统或后车系统刚好发生超调，待定参数的受为前车系统或后车系统刚好发生 超调时的60 %到80 %;
[0073] 最后待定参数C设为0;
[0074] 步骤十:后车系统的无线通信装置把后车系统在m时刻的实际速度V2(m)和后车系 统在m时刻的所走的路程S2(m)发送给PC机并在PC机上显示。
[0075] 本实用新型的有益效果在于：
[0076] 1.通过PC机操作系统软件，使用者可W根据实际情况、实验需要设定前车的目标 转角和目标速度;同时使用者可W形象直观地了解智能双车的行驶状态。
[0077] 2.通过PC机无线通信装置与智能双车间的通信，可W实现根据使用者的意愿进行 相关的调试。
[0078] 3.通过双车间通信，可W使前车系统将自身的参数及状况及时发送给后车系统， 使后车系统通过计算处理实现智能双车的通信及跟随。
[0079] 4.本实用新型操作简单，易于调试，使使用者易于掌握主控设备工作原理、无线通 信装置通信原理，可W生动直观的展示智能车控制的结果，有助于提高学生的学习兴趣。
【附图说明】
：[0080] 图1是本实用新型所述的智能双车通信及跟随教学实验装置的前车系统和后车系 统的各部件连接关系示意图；
[0081] 图2是本实用新型所述的智能双车通信及跟随教学实验装置的前车系统的整体物 理结构示意图；
[0082] 图3是本实用新型所述的智能双车通信及跟随教学实验装置的后车系统的整体物 理结构示意图；
[0083] 图4是本实用新型所述的智能双车通信及跟随教学实验方法的流程框图；
[0084] 图中：1.主控设备，2.电源供压装置，3.直流电机驱动装置，4.转向控制装置，5.无 线通信装置，6.液晶屏，7.测速装置，8.测距装置，9.拨码开关及按键装置，10.电池。
【具体实施方式】：
[0085] 前车系统包括主控设备1、电源供压装置2、直流电机驱动装置3、转向控制装置4、 无线通信装置5、液晶屏6、测速装置7、测距装置8、拨码开关及按键装置9和PC机，主控设备I 信号接口与直流电机驱动装置3、转向控制装置4、无线通信装置5、液晶屏6、测速装置7、测 距装置8、拨码开关及按键装置9的信号接口相连，主控设备1、无线通信装置5、测速装置7、 测距装置8、拨码开关及按键装置9、液晶屏6、转向控制装置4和直流电机驱动装置3的电压 输入接口分别与电源供压装置2连接W获取电压，直流电机驱动装置3输出端齿轮与车体后 轮齿轮晒合，转向控制装置4输出端通过拉杆与车体前轮转向节相连，测速装置7输入端测 速齿轮与车体后轮齿轮晒合；
[0086] 主控设备1中有计时器，脉冲宽度调制器，脉冲累加器，定时中断器；
[0087] 后车系统的结构和各部件之间的连接关系与上述的前车系统相同，前车系统中的 测距装置8悬置且贴合在前车车体后端上，后车系统中的测距装置8悬置且贴合在后车的舱 机上；
[0088] PC机可W通过无线通信装置5与前车系统和后车系统进行通信。
[0089] 所述电源供压装置2包括电池10、5V稳压模块、3.3V稳压模块、6V稳压模块、12V稳 压模块、现化模块，电池10与5V稳压模块、6V稳压模块的输入接口相接，5V稳压模块输出接 口与3.3V稳压模块、12V稳压模块的输入接口相接，测压模块输入接口与电池10相连，电源 供压装置2的5V稳压模块的输出接口与主控设备1、无线通信装置5、测速装置7、测距装置8、 拨码开关及按键装置9的电压输入接口相连;电源供压装置2的3.3V稳压模块的输出接口与 液晶屏6的电压输入接口相连；电源供压装置2的6V稳压模块的输出接口与转向控制装置4 的电压输入接口相连；电源供压装置2的12V稳压模块的输出接口与直流电机驱动装置3的 电压输入接口相连。
[0090] 所述电源供压装置2的5V稳压模块应用的主要忍片为LM2940或TPS7350; 3.3V稳压 模块应用的主要忍片为4151117^?57333;6￥稳压模块应用的主要忍片为1112941或1112956; 12V稳压模块应用的主要忍片为MC34063。
[0091] 所述直流电机驱动装置3,包括驱动电路模块和直流电机。
[0092] 驱动电路模块，电压输入接口与12V稳压模块的输出接口相接，信号输入接口与主 控设备1脉冲宽度调制器接口相接，输出接口与直流电机输入接口相接。驱动电路模块，采 用H桥4mos管方案，采用双IR2104驱动方案。
[0093] 直流电机输入接口与驱动电路模块输出接口相接，输出端齿轮与智能车车体后轮 齿轮晒合。
[0094] 所述转向控制装置4，应用舱机实现转向控制。
[0095] 舱机，电压输入接口与6V稳压模块的输出接口相接，信号输入接口与主控设备1外 设接口脉冲宽度调制器相接，输出端通过拉杆与智能车车体前轮转向节相连。
[0096] 所述无线通信装置5,电压输入接口与5V稳压模块的输出接口相接，信号输入接口 与主控设备1外设接口异步串行接口相接，无线通信装置5与PC机进行通信。
[0097] 所述液晶屏6，电压输入接口与3.3V稳压模块的输出接口相接，信号输入接口与主 控设备1外设接口 I/O接口相接。
[0098] 所述测速装置7,采用光电编码器作为测速装置7。
[0099] 所述测距装置8,电压输入接口与5V稳压模块的输出接口相接，信号输出接口主控 设备1外设接口模数转化模块相连。
[0100]所述拨码开关及按键装置9,电压输入接口与5V稳压模块的输出接口相接，信号输 出接口主控设备1外设接口 I/O接口相连。
[0101 ]所述的智能双车跟随及通信实验方法，步骤如下：
[0102] 步骤一:前后车初始测距
[0103] 前车系统和后车系统中的测距装置8配合工作，利用超声波的发送和接收测量两 车之间的距离，其中一个脉冲高电平时间表示超声波从前车到后车的传播时间，使用主控 设备1中的计时器测得的脉冲高电平的时间；
[0104] 两车之间初始距离计算公式：
[0105] 初始距离Lo= t X Vvoice
[0106] 其中t是主控设备1所测得的脉冲高电平时间，Vvoice是声速，取340m/s
[0107] 步骤二:前车系统获取PC机设定的前车系统当前时刻目标速度V和前车系统当前 时刻的目标打角a:
[0108] PC机给前车系统的无线通信装置5发送信号，前车系统获取使用者在PC机上位机 上设定的前车系统当前时刻目标速度V和前车系统当前时刻的目标打角a;
[0109] 步骤前车系统转向控制装置4对转动角度的控制
[0110] 前车系统将接收到的前车系统当前时刻的目标打角a经过计算得到前车系统的脉 冲宽度Tl并通过主控设备1的脉冲宽度调制器控制转向控制装置4转动，前车系统的转向控 制装置4的转动角度ai'与前车系统的脉冲宽度Tl的关系计算公式为：
[0111]
[0112] 其中Tl为前车系统的脉冲宽度，单位为ms;ai'为前车系统的转向控制装置4的转动 角度，脉冲周期为20ms;
[0113] 步骤四：前车系统通过前车系统中的测速装置7获取前车系统在n时刻的实际速度 vi(n)
[0114] 用主控设备1的脉冲累加器来捕捉脉冲并计数，开启定时中断器，就可W测得定时 中断的周期P之内的脉冲数X
[0115] 前车系统在n时刻的实际速度vi(n)计算公式；
[0116] 其中X是脉冲个数，a是测速装置7输入端测速齿轮的齿数，d是前车后轮直径，b是 前车后轴齿轮齿数，C是测速装置转动一圈所产生的脉冲数，P是定时中断的周期；
[0117] 步骤五：将前车系统从0到n时刻为止各个时刻的实际速度Vi(O)，Vi (1)，......vi(n)积分得到前车系统从0到n时刻为止所走过的路程Si(n)
[0118] 主控设备1所计算出的前车系统的实际速度为离散变量vi(i)，其中vi(i)为前车系 统在i时刻的实际速度，其中i时刻为从0时刻到n时刻运一时间段中的任一时刻，故积分公 式简化戈
即只需把前车从0到n时刻为止各个时刻的实际速度求和就能得到 前车系统从0到n时刻为止前车系统所走的路程Si(n);
[0119] 步骤六:通过增量式PID控制，使前车系统在n+1时刻的实际速度vi(n+l)接近预定 的前车系统当前时刻目标速度V;
[0120] 增量式PID控制：
[0121] 由于实际速度与目标速度总有偏差，使用增量式PID速度调节提高车速的稳定性， 减小实际速度与目标速度的偏差，在n时刻将测速装置7获取的前车系统在n时刻的实际速 度vi(n)与前车系统当前时刻目标速度V进行比例环节和积分环节的调整；
[0122] 设n时刻电机电压Un为控制量，增量式PID输出的控制量的增量为A Un,则n-1时刻 电机电压为Un-I，增量式PID输出的是控制量的增量为A Un-I;
[0123] 因此电机电压应是化=Un-I+A化
[0124] 增量式PID输出的是控制量的增量 A Un = Un-Un-I = A(Gn-Gn-I)+Ben+C(en-2en-l + en-2)；
[0125] 前车系统当前时刻目标速度V和前车系统在n时刻的实际速度vi(n)的差值为en = V-Vi (n)，en-i = V-Vi (n-1), en-2 = V-Vi (n-2) A, B, C为待定参数；
[01%]待定参数A，B，C的取值按W下方法：
[0127] 先把待定参数B，C设定为0，把待定参数A从0开始逐渐增大，不断地运行前车系统 或后车系统，直到前车系统或后车系统刚好发生超调，待定参数A设为前车系统或后车系统 刚好发生超调时的60%到80% ;
[0128] 然后参数A不变，把待定参数B从0开始逐渐增大，不断地运行前车系统或后车系 统，直到前车系统或后车系统刚好发生超调，待定参数的受为前车系统或后车系统刚好发生 超调时的60 %到80 %;
[0129] 最后待定参数C设为0;
[0130] 步骤屯:前车系统通过无线通信装置5,给后车系统发送前车系统当前时刻目标速 度V，前车系统当前时刻的目标打角aW及前车系统从0到n时刻为止前车系统所走的路程Si (n)：
[0131] 前车系统将从PC机接收到的全部数据包括前车系统当前时刻目标速度V，前车系 统当前时刻的目标打角aW及前车系统从0到n时刻为止前车系统所走的路程Si(n)，通过前 车系统和后车系统中的无线通信装置5发送给后车系统；
[0132] 后车系统接收到前车系统当前时刻的目标打角a和前车系统从0到n时刻为止前车 系统所走的路程Si(n)后，由于前车系统不同时刻的目标打角a的值是不同的，将不同时刻 的曰的值W数组的形式保存，使a(n)=a;
[0133] 其中a (n)是的前车系统在n时刻的目标打角，且a (n)和Si (n)-一对应
[0134] 步骤八:后车系统根据自己所在位置，调整后车系统当前时刻的目标打角曰2
[0135] 后车速度积分得到后车到m时刻为止后车所走过的路程S2(m)
[0136] 由积分公式
尋到后车路程S2(m)
[0137] 由步骤一测得前后车初始距离Lo,再测出后车车身的长度拉，因此后车的初始路程 为-(Lo巧2)，后车路程S2在-(Lo巧2)到0之间舱机打角为0，后车路程S2〉0之后按照前车发来 的数据行驶；
[0138] 后车系统接收到的前车路程Si和后车计算得到的后车路程S2都是离散的，所W在m 时刻后车系统计算得到的后车路程S2(m)可能是在已接收并保存的两个相邻路程Si(n)和Si (n+1)之间，后车系统将取所保存的两个路程所对应的两个目标打角取平均值后作为后车 系统当前时刻的目标打角曰2;
[0139] 例如:m时刻后车系统检测到自己的当前路程为S2(m)，而后车系统通过步骤屯接 收到的前车路程Si内最接近S2(m)的有两组数据Si(n)、Si(n+l)，其中，Si(n)为前车系统从0 到n时刻为止前车系统所走的路程，Si(n+1)为前车系统从0到n+1时刻为止前车系统所走的 路程
[0140] 与前车系统从0到n时刻为止前车系统所走的路程Si(n)对应的打角是前车系统在 n时刻的目标打角a (n);
[0141] 与前车系统从0到n+1时刻为止前车系统所走的路程Si(n+1)对应的打角是前车系 统在n+1时刻的目标打角a (n+1);
[0142] 则后车系统当前时刻的目标打角02满足W下关系：
[0143] a2 = a(n) (S2(m) = Si(n))
[0144] a2=(a(n)+a(n+l))/2 (Si(n)<S2(m)<Si(n+l))
[0145] a2 = a(n+l) (S2(m) = Si(n+l))
[0146] 步骤九：后车系统根据后车系统m时刻的目标打角02控制转向控制装置4实现转 向，根据前车系统m时刻的目标速度V和后车系统在m时刻的实际速度V2(m)通过PID调节控 制智能车m+1时刻的实际速度V2(m+1);
[0147] 经过计算得到后车系统的的脉冲宽度T2并通过转向控制装置4控制转向，后车系 统的转向控制装置4的转动角度02'与后车系统的脉冲宽度T2的关系计算公式为：
[014 引
[0149] 其中T2为正脉冲宽度(ms) ;〇2'为后车系统的转向控制装置4的转动角度;脉冲周期 为20ms
[0150] 之后用主控设备1的脉冲计数器来捕捉脉冲并计数，开启定时中断，就可W测得定 时中断的周期P之内的脉冲数X
[0151] 后车系统在m时刻的实际速度V2(m)计算公式
[0152] 其中X是脉冲个数，a是测速装置7输入端测速齿轮的齿数，d'是后车后轮直径，b' 是后车后轴齿轮齿数，C是测速装置转动一圈所产生的脉冲数，P是定时中断的周期；
[0153] 再经过增量式PID控制：
[0154] 由于实际速度与目标速度总有偏差，使用增量式PID速度调节提高车速的稳定性， 减小实际速度与目标速度的偏差，在m时刻将测速装置7获取的后车系统在m时刻的实际速 度V2(m)与前车系统当前时刻的目标速度V进行比例环节和积分环节的调整；
[0155] 设m时刻电机电压Um为控制量，增量式PID输出的控制量的增量为A Um,则m-1时刻 电机电压为Um-I，增量式PID输出的是控制量的增量为A Um-I;
[0156] 因此电机电压应是Um = Um-I+A Um
[01 57]增里式PID输出的是枉制里的增里 A Um二 Um-Um-I 二 A ( em-Gm-I ) +Bem+C ( em-2em-l + em-2 )；
[0158]前车系统当前时刻的目标速度V和后车系统在m时刻的实际速度V2 (m)的差值为em =V-V2(m)，em-1 = V-V2(m-1), em-2 = V-V2(m-2)A,B, C为待定参数；
[0159 ]待定参数A，B，C的取值按W下方法：
[0160] 先把待定参数B，C设定为0，把待定参数A从0开始逐渐增大，不断地运行前车系统 或后车系统，直到前车系统或后车系统刚好发生超调，待定参数A设为前车系统或后车系统 刚好发生超调时的60%到80% ;
[0161] 然后参数A不变，把待定参数B从0开始逐渐增大，不断地运行前车系统或后车系 统，直到前车系统或后车系统刚好发生超调，待定参数的受为前车系统或后车系统刚好发生 超调时的60 %到80 %;
[0162] 最后待定参数C设为0;
[0163] 步骤十：后车系统的无线通信装置5把后车系统在m时刻的实际速度V2(m)和后车 系统在m时刻的所走的路程S2(m)发送给PC机并在PC机上显示。
【主权项】
1. 智能双车跟随及通信实验设备，包括安装在前车上的前车系统和安装在后车上的后 车系统，其特征在于： 前车系统包括主控设备（1)、电源供压装置(2)、直流电机驱动装置(3)、转向控制装置 (4) 、无线通信装置(5)、液晶屏(6)、测速装置(7)、测距装置(8)、拨码开关及按键装置(9)和 PC机，主控设备（1)信号接口与直流电机驱动装置（3)、转向控制装置(4)、无线通信装置 (5) 、液晶屏(6)、测速装置(7)、测距装置(8)、拨码开关及按键装置(9)的信号接口相连，主 控设备（1)、无线通信装置(5)、测速装置(7)、测距装置(8)、拨码开关及按键装置(9)、液晶 屏(6)、转向控制装置(4)和直流电机驱动装置(3)的电压输入接口分别与电源供压装置(2) 连接以获取电压，直流电机驱动装置(3)输出端齿轮与车体后轮齿轮啮合，转向控制装置 (4)输出端通过拉杆与车体前轮转向节相连，测速装置(7)输入端测速齿轮与车体后轮齿轮 啮合； 主控设备（1)中有计时器，脉冲宽度调制器，脉冲累加器，定时中断器； 后车系统的结构和各部件之间的连接关系与上述的前车系统相同，前车系统中的测距 装置(8)悬置且贴合在前车车体后端上，后车系统中的测距装置(8)悬置且贴合在后车的舵 机上； PC机可以通过无线通信装置(5)与前车系统和后车系统进行通信。2. 根据权利要求1所述的智能双车跟随及通信实验设备，其特征在于:所述电源供压装 置(2)包括电池（10)、5V稳压模块、3.3V稳压模块、6V稳压模块、12V稳压模块、测压模块，电 池（10)与5V稳压模块、6V稳压模块的输入接口相接，5V稳压模块输出接口与3.3V稳压模块、 12V稳压模块的输入接口相接，测压模块输入接口与电池（10)相连，电源供压装置(2)的5V 稳压模块的输出接口与主控设备（1)、无线通信装置(5)、测速装置(7)、测距装置(8)、拨码 开关及按键装置(9)的电压输入接口相连;电源供压装置(2)的3.3V稳压模块的输出接口与 液晶屏(6)的电压输入接口相连;电源供压装置(2)的6V稳压模块的输出接口与转向控制装 置(4)的电压输入接口相连；电源供压装置(2)的12V稳压模块的输出接口与直流电机驱动 装置(3)的电压输入接口相连。
【文档编号】G09B19/16GK205722518SQ201620158504
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年3月2日
【发明人】李静, 刘征宇, 刘政, 黄祺垄, 王敬凯, 刘洪升
【申请人】吉林大学
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