模块化缩微智能车硬件系统及构造缩微智能车的方法
【专利摘要】本发明公开了一种模块化缩微智能车硬件系统及利用该系统构造缩微智能车的方法，所述模块化缩微智能车硬件系统包括具备统一输入输出接口的传感器、计算控制、通信、执行器模组集、设备安装板和支撑件。所述方法包括以下步骤：根据任务需求选择模组集中合适的模组并固定在车体上；通过连接线缆连接各模组；利用模组操作程序库进行功能开发和算法实现。本发明通过模块设计使缩微智能车的组装变得简单；通过使模组具备一致接口，实现平台的可扩展性；用户能够根据任务需求选配模组，平台配置具备灵活性；通过提供模组操作程序库屏蔽硬件底层细节，使平台具备易用性。本发明可以实现缩微智能车硬件平台的灵活配置，轻松安装、便捷使用和个性扩展。
【专利说明】模块化缩微智能车硬件系统及构造缩微智能车的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光机电一体化【技术领域】，特别是一种模块化、配置灵活、便于功能开发、易于扩展的模块化缩微智能车硬件系统及利用其构造缩微智能车的方法。
【背景技术】
[0002]无人驾驶汽车，也称智能汽车，是未来汽车的发展方向，也是智能交通系统的重要研究内容之一。无人驾驶汽车实质上是一种能够实现自主驾驶的轮式移动机器人，是一个集环境感知、规划决策、运动控制等功能于一体的高度智能化、信息化系统。无人驾驶汽车的研究目的是使计算机代替人来完成车辆驾驶任务，弥补人工驾驶的不足，实现车辆的安全、可靠、高效的驾驶。无人驾驶汽车将有效减轻驾驶员的负担，减少驾驶员疲劳驾驶的现象，有利于提高交通安全；同时，配合城市交通控制系统，可以合理分配交通流，实现交通系统的顺畅运行。目前，欧洲和美国在无人驾驶汽车方面的研究(如Google无人驾驶汽车)取得了长足进展。国内的很多研究机构和高校已经开始了无人驾驶汽车的相关研究，并已取得了一定的成果，但与欧洲和美国的无人驾驶技术仍有一定差距，而且使无人驾驶汽车进入产业化、实用化阶段还有很长一段路要走。并且，目前的无人驾驶车辆研究多侧重于单车研究，对于未来多台无人驾驶车辆共同行驶在同一环境的状况还少有研究。
[0003]缩微智能车是无人驾驶汽车的缩小版本，缩微的仅仅是物理尺寸与经济成本，却能够保持车辆的驾驶行为与交通特性，实现自主驾驶，相关研究成果可为智能驾驶技术的研究提供参考和借鉴。并且，可以通过缩微智能车来模拟局部城市交通流状况，进而研究多智能车交互行为认知模型及相应的调控方法，使智能驾驶和多车交互成为可能，并为大型无人驾驶车辆多车交互及城市智能交通提供基本理论依据或技术支撑。缩微智能车由于集中运用了自动控制、计算机视觉、人工智能、传感器、电路电子等技术，已经成为了科研和教学领域中多学科交叉研究的载体和实验平台。
[0004]现有的缩微智能车平台大多采用自主开发的模式，各研究机构独立开发自己的硬件平台，所采用的功能模组之间接口各异，没有统一的接口标准，致使相同类型的模块在不同的缩微智能车平台上无法通用。这样不仅会产生硬件开发层面大量的重复性劳动，使开发人员不单需要进行算法设计和功能开发，也要兼顾硬件开发。由于没有统一的开发框架，现有的缩微智能车硬件平台的可扩展性差，并且无法做到根据具体任务灵活配置平台的模组。这种缩微智能车开发方式低效，软硬件系统兼容性差，可扩展性差，配置灵活性差，不便于第三方进行个性化开发，不利于缩微智能车的推广普及，有碍于广大爱好者(特别是没有硬件基础的爱好者)的加入。
【发明内容】
[0005](一 )要解决的技术问题
[0006]本发明所要解决技术问题是目前的缩微智能车的软硬件系统兼容性差，可扩展性差，不利于进行开发的问题。[0007]( 二)技术方案
[0008]为解决上述技术问题，本发明提出一种模块化缩微智能车硬件系统，安装于缩微智能车的车体，其特征在于，包括传感器模组集、计算控制模组集、通信模组集、执行器模组集，其中:所述计算控制模组集是用于完成数据处理和执行控制算法的计算控制模组的集合；各计算控制模组中集成了总线控制器和总线集线器，并由该总线控制器和总线集线器扩展出多个输入输出接口 ；除所述计算控制模组集之外的其它模组集中的模组可连接到所述输入输出接口上，从而与所述计算控制模组进行通信；所述传感器模组集是用于感知缩微智能车所处环境信息和车身运行状态的传感器模组的集合；所述通信模组集是用于完成缩微智能车与上位机之间或者不同缩微智能车之间通信的通信模组的集合；所述执行器模组集是缩微智能车上执行器模组的集合；其中，所述各模组集中的各模组均具有能够连接到所述计算控制模组集中的计算控制模组的输入输出接口。
[0009]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述的传感器模组集、通信模组集和执行器模组集中的模组包括功能元件、微控制器和总线接口芯片，所述功能元件用于执行模组的功能，所述微控制器通过总线接口芯片从总线上读取所述计算控制模组发送的命令，根据该命令对功能元件进行控制，以及将从功能元件获取的数据通过总线接口芯片发送到总线上。
[0010]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述的传感器模组集、计算控制模组集、通信模组集和执行器模组集中的模组可以任意搭配以构建缩微智能车平台。
[0011]根据本发明的一种【具体实施方式】，还包括扩展模组集，该扩展模组集是缩微智能车中其他功能模组的集合，其每个功能模组也具有能够连接到所述计算控制模组集中的计算控制模组的输入输出接口。
[0012]根据本发明的一种【具体实施方式】，还包括设备安装板，该设备安装板具有通用的安装接口，通过该安装接口能够安装所述各模组集中的任何模组。
[0013]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述的设备安装板具有多个，各设备安装板之间可以通过所述通用的安装接口相互连接。
[0014]根据本发明的一种【具体实施方式】，还包括与所述设备安装板的通用安装接口连接，并固定于所述缩微智能车的车体的支撑件。
[0015]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述设备安装板上具有等间距分布的螺孔；所述各模组集的各模组具有外壳，外壳底部具有孔径和间距与所述设备安装板上的螺孔相同的螺孔，以便在所述设备安装板上安装和固定。
[0016]本发明还提出一种利用前述模块化缩微智能车硬件系统的构造缩微智能车的方法，所述构造方法包括以下步骤:步骤I，根据任务需求从所述模块化缩微智能车硬件系统的各模组集中选择合适的传感器模组、计算控制模组、执行器模组和通信模组，并将其固定在所述缩微智能车的车体上；步骤2，通过连接线缆将所选择的传感器模组、通信模组和执行器模组的输入输出接口与所述计算控制模组的相应输入输出接口相连；步骤3，写入运行于所述计算控制模组上的程序。
[0017]根据本发明的一种【具体实施方式】，所述模块化缩微智能车硬件系统还包括设备安装板和支撑件，所述设备安装板具有通用的安装接口，通过该安装接口能够安装所述各模组集中的任何模组，并连接所述支撑件；在所述步骤I中，将所述各传感器模组、计算控制模组、执行器模组和通信模组固定在所述设备安装板上，并通过支撑件将所述安装板固定在所述缩微智能车的车体上。
[0018]根据本发明的一种【具体实施方式】，利用一个模组操作程序库编写运行于计算控制模组上的程序，所述模组操作程序库是对所述各模组集中的模组进行硬件底层操作的程序接口，该模组操作程序库中的模组操作程序接口根据相应的模组操作方法和统一的输入输出接口协议开发。
[0019](三)有益效果
[0020]本发明通过设备的模块化设计，使缩微智能车的组装变得简单；
[0021]本发明通过对各功能模组进行接口转换，使之具有一致的接口，使用户能够根据接口标准制作自己的模组，使平台具备可扩展性和模组通用性；
[0022]本发明通过构建具有一致接口的功能模组集，使用户能够根据任务需求选配模组，使平台配置具备灵活性；
[0023]本发明通过对模组的封装并提供操作模组的程序库，使用户专注于功能开发，无需关心硬件细节，降低缩微智能车开发的难度，使没有硬件基础的人士也能搭建缩微智能车，使平台具备易用性。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明的模块化缩微智能车硬件系统架构图；
[0025]图2为本发明的模组接口转换示意图；
[0026]图3为本发明的模块化缩微智能车硬件系统的连接示意图；
[0027]图4为本发明的设备安装板的结构图；
[0028]图5为本发明一个实施例的模块化缩微智能车俯视图；
[0029]图6为本发明一个实施例的模块化缩微智能车侧视图。
【具体实施方式】
[0030]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0031]根据本发明的一方面，提出一种模块化缩微智能车硬件系统，硬件系统架构如图1所示，其特征在于，该模块化缩微智能车硬件系统主体包括具备统一I / O接口(输入输出接口)的传感器模组集、计算控制模组集、通信模组集、执行器模组集，当然要构成缩微智能车时，还需包括连接线缆、车体、设备安装板和支撑件等。
[0032]其中，所述传感器模组集是用于感知环境信息和车身运行状态的传感器模组的集合，包括经过I / O接口转换和封装后的摄像头、超声波传感器、光电传感器、编码器、加速度传感器、陀螺仪等模组。为了实现平台的可扩展性和平台配置的灵活性，需将I / O接口各异的原始传感器模组进行接口转换和封装，使之具备一致的I / O接口，形成封装好的传感器模组，模组接口转换示意图如图2所示。其中，模组接口转换主要是通过一个微控制器，比如单片机，来操作原始的传感器模组，微控制器通过总线接口芯片从总线上收发数据。这样，微控制器可以从总线上读取计算控制模组发送的命令，对原始传感器模组进行控制，也可以将从原始传感器模组上获取的数据通过总线发送给计算控制模组。下述的其它模组集中需要经过接口转换的模组均采用这种接口转换方式进行接口转换。经过接口转换后的模组具备相同的物理接口，可以通过带有接插口的线缆与其它模组相连。用户可根据任务需求选择和配置传感器模组，一般来说，缩微智能车上需配备多个传感器模组。
[0033]所述计算控制模组集是用于完成数据处理和执行控制算法的计算控制模组的集合。该模组集中包含具有X86 / X64、ARM、DSP、单片机等不同核心的计算平台，计算能力不一。所述计算控制模组集中的各个模组中内置了总线集线器，可以扩展出足够多的I / O接口，以与选配的其它模组进行连接和通信。计算控制模组例如通过CAN、RS485等总线，采用接口协议与缩微智能车硬件系统中的其它模组进行通信。用户可以根据任务的计算需求来选择计算控制模组。一般来说，对于数据量比较大的计算任务，比如需要进行频繁的图像处理的任务，需要采用X86 / X64平台，计算需求稍少一点的可以采用ARM平台或者DSP平台，更为简单的任务可以采用单片机平台。当然，也可以选择不同的计算平台搭配使用，t匕如，选用X86平台作为上位机，完成大数据量的计算任务，单片机平台作为下位机，完成方向和速度的控制。
[0034]所述通信模组集是用于完成车辆与上位机或者车辆之间通信的模组的集合，该模组集中包含经过封装和接口转换后的WiF1、Zigbee和蓝牙等通信模组。其中各模组具备一致的I / O接口，用于与计算控制模组模组进行连接。不同的通信模组有不同的特性，用户可以根据任务需求进行选配。一般来说，一台缩微智能车上只需要一个通信模组。
[0035]所述执行器模组集是车辆上执行器模组的集合，主要包含经过封装和接口转换后的车灯、舵机和电机等执行器模组。执行器模组也具备一致I/O接口从而挂接在总线上。其中，舵机和电机是缩微智能车行驶所必须的，一般不需要进行更换，所以直接通过紧固件将其固定于车体之上。
[0036]如果所述模组集中没有所需的模组，用户可以根据接口转换方式、接口协议和封装形式开发所需的模组，形成扩展模组集。也就是说，本发明的系统还可以包括扩展模组集，扩展模组集是缩微智能车中其他扩充的功能模组的集合，其每个功能模组也具有能够连接到所述计算控制模组集中的计算控制模组的输入输出接口。
[0037]所述连接线缆用于连接需要进行连接的模组，其两端带有接插口。
[0038]所述车体是缩微车的车身，其上钻有安装支撑件的螺孔。
[0039]所述设备安装板用于固定模组，其结构如图4所示，其上布满整齐排列的螺孔，螺孔的孔径和间距均为规格化，可以在安装板上自由安装模组，设备安装板通过支撑件固定于车体之上。若所选模组较多，单层设备安装板空间不足，可以在其之上再架设一层设备安装板，采用多层设备安装板的方式来产生足够的安装空间。
[0040]所述支撑件用于在车体上固定和支撑设备安装板。
[0041]所述传感器模组集、计算控制模组集、通信模组集和执行器模组集构成了缩微智能车硬件系统主体，一个选配好的模块化缩微智能车硬件系统连接示意如图3所示。传感器模组、通信模组和执行器模组均通过总线与计算控制模组通信。模块化缩微智能车硬件系统的运行过程为:当硬件上电时，计算控制模组通过硬件检测和枚举来判断系统中有哪些模组，并获取各个模组的物理地址；当系统进入运行状态时，计算控制模组通过总线向传感器模组分别发出获取数据命令，收到命令后，相应的传感器模组通过测量来获取数据并将数据通过总线发给计算控制模组，计算控制模组通过对感知数据的计算分析来对行驶状态作出决策，然后将控制命令通过总线发给相应的执行器模组，执行器模组按照命令产生相应的动作；在系统运行的过程中，计算控制模组可以将缩微智能车的运行数据通过通信模组传送给开发主机或者传给其它同步运行的车辆。
[0042]根据本发明的另一方面，提出一种模块化缩微智能车硬件系统的构成方法，所述缩微智能车硬件系统主体包括传感器模组集、计算控制模组集、通信模组集、执行器模组集，当然要构成缩微智能车时，还需包括连接线缆、车体、设备安装板和支撑件等，其特征在于，所述构成方法包括以下步骤:
[0043]步骤1，根据任务需求从模组集中选择合适的传感器模组、计算控制模组和通信模组，并将其固定于车体上；该步骤例如可通过螺丝将模组固定在设备安装板上，并通过支撑件将设备安装板固定在车体上。
[0044]步骤2，通过连接线缆，将传感器模组，通信模组和执行器模组的I / O接口与计算控制模组的相应I / O接口相连。
[0045]步骤3，进行缩微智能车的功能开发和算法实现，利用提供的模组操作程序库编写运行于计算控制模组上的程序并写入计算控制模组中。
[0046]所述的传感器模组集包含经过封装和接口转换后的摄像头、超声波传感器、光电传感器、编码器、加速度传感器、陀螺仪等传感器模组；所述的计算控制模组集包括包含具有X86 / X64、ARM、DSP、单片机等不同核心的计算平台，模组中内置了总线控制器和总线集线器，可以扩展出足够多的I / O接口 ；所述的通信模组集包含经过封装和接口转换后的WiF1、Zigbee和蓝牙等通信模组；所述执行器模组集包含经过封装和接口转换后的车灯、舵机和电机模组，其中，舵机和电机是缩微智能车行驶所必须的，一般不需要进行更换，可直接通过紧固件将其固定于车体之上。
[0047]所述传感器模组集、计算控制模组集和通信模组集中的各个模组利用合适的外壳封装，外壳底部钻有规格化孔径和间距的螺孔，方便在设备安装板上安装和固定。
[0048]所述模组操作程序库是对传感器模组，通信模组和执行器模组进行硬件底层操作的程序接口，主要包括模组初始化程序，运行控制程序，数据交换程序，模组故障诊断程序。模组操作程序库中的模组操作程序接口由该模组的开发者根据相应的模组操作方法和统一的I / O接口协议开发、测试并发布给模组的使用者。用户在操作传感器模组、通信模组和执行器模组的时候，可以直接调用模组操作程序库中对应的程序接口，无需关心底层硬件细节。
[0049]模块化缩微智能车的一个实施例的组装效果如图5、图6所示。图5为模块化缩微智能车的侧视图，图6为模块化缩微智能车的侧俯视图，其中，I为车体，2为设备安装板，3为传感器模组，4为计算控制模组，5为连接线缆，6为通信模组，7、8均为执行器模组，分别为电机和舵机，9为供电电源，10为支撑件。其中，传感器模组3，计算控制模组4和通信模组6均通过螺丝固定于设备安装板2之上，并通过连接线缆5相连；设备安装板2通过支撑件10固定于车体I之上；电机7和舵机8通过连接线缆5与计算控制模组相连；电机7、舵机8、供电电源9通过紧固件固定在车体I之上。
[0050]完成上述模组选配和缩微智能车硬件组装之后即可进行缩微智能车的功能开发和算法实现。
[0051]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种模块化缩微智能车硬件系统，安装于缩微智能车的车体，其特征在于，包括传感器模组集、计算控制模组集、通信模组集、执行器模组集，其中: 所述计算控制模组集是用于完成数据处理和执行控制算法的计算控制模组的集合；各计算控制模组中集成了总线控制器和总线集线器，并由该总线控制器和总线集线器扩展出多个输入输出接口 ；除所述计算控制模组集之外的其它模组集中的模组可连接到所述输入输出接口上，从而与所述计算控制模组进行通信； 所述传感器模组集是用于感知缩微智能车所处环境信息和车身运行状态的传感器模组的集合； 所述通信模组集是用于完成缩微智能车与上位机之间或者不同缩微智能车之间通信的通信模组的集合； 所述执行器模组集是缩微智能车上执行器模组的集合； 其中，所述各模组集中的各模组均具有能够连接到所述计算控制模组集中的计算控制模组的输入输出接口。
2.根据权利要求1所述的模块化缩微智能车硬件系统，其特征在于，所述的传感器模组集、通信模组集和执行器模组集中的模组包括功能元件、微控制器和总线接口芯片，所述功能元件用于执行模组的功能，所述微控制器通过总线接口芯片从总线上读取所述计算控制模组发送的命令，根据该命令对功能元件进行控制，以及将从功能元件获取的数据通过总线接口芯片发送到总线上。
3.根据权利要求1所述的模块化缩微智能车硬件系统，其特征在于，所述的传感器模组集、计算控制模组集、通信模组集和执行器模组集中的模组可以任意搭配以构建缩微智能车平台。
4.根据权利要求1所述的模块化缩微智能车硬件系统，其特征在于，还包括扩展模组集，该扩展模组集是缩微智能车中其他扩充的功能模组的集合，其每个功能模组也具有能够连接到所述计算控制模组集中的计算控制模组的输入输出接口。
5.根据权利要求1所述的模块化缩微智能车硬件系统，其特征在于，还包括设备安装板，该设备安装板具有通用的安装接口，通过该安装接口能够安装所述各模组集中的任何模组。
6.根据权利要求5所述的模块化缩微智能车硬件系统，其特征在于，所述的设备安装板具有多个，各设备安装板之间可以通过所述通用的安装接口相互连接。
7.根据权利要求5所述的模块化缩微智能车硬件系统，其特征在于，还包括与所述设备安装板的通用安装接口连接，并固定于所述缩微智能车的车体的支撑件。
8.根据权利要求5所述的模块化缩微智能车硬件系统，其特征在于， 所述设备安装板上具有等间距分布的螺孔； 所述各模组集的各模组具有外壳，外壳底部具有孔径和间距与所述设备安装板上的螺孔相同的螺孔，以便在所述设备安装板上安装和固定。
9.一种利用模块化缩微智能车硬件系统的构造缩微智能车的方法，所述模块化缩微智能车硬件系统是如权利要求1所述的缩微智能车硬件系统，其特征在于，所述构造方法包括以下步骤: 步骤1，根据任务需求从所述模块化缩微智能车硬件系统的各模组集中选择合适的传感器模组、计算控制模组、执行器模组和通信模组，并将其固定在所述缩微智能车的车体上； 步骤2，通过连接线缆将所选择的传感器模组、通信模组和执行器模组的输入输出接口与所述计算控制模组的相应输入输出接口相连； 步骤3，写入运行于所述计算控制模组上的程序。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述模块化缩微智能车硬件系统还包括设备安装板和支撑件， 所述设备安装板具有通用的安装接口，通过该安装接口能够安装所述各模组集中的任何模组，并连接 在所述步骤I中，将所述各传感器模组、计算控制模组、执行器模组和通信模组固定在所述设备安装板上，并通过支撑件将所述安装板固定在所述缩微智能车的车体上。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，利用一个模组操作程序库编写运行于计算控制模组上的程序，所述模组操作程序库是对所述各模组集中的模组进行硬件底层操作的程序接口，该模组操作程序库中的模组操作程序接口根据相应的模组操作方法和统一的输入输出接口协议开发。
【文档编号】G06F9/44GK103646004SQ201310722303
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月24日
【发明者】汤淑明, 袁俊 申请人:中国科学院自动化研究所