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文檔簡介
基于malab的自動泊車系統(tǒng)設計
0自動約車自動補償控制方法自動駕駛技術(shù)是當前最流行的電子汽車技術(shù)之一。它的使用可以顯著降低車輛管理的難度,降低駕駛員的體力和腦力勞動強度,并顯著減少駕駛員的非方向感、評估和操作錯誤造成的事故。自動泊車技術(shù)實現(xiàn)的核心問題是如何進行控制的問題,目前主要有兩大類控制算法:1)路徑規(guī)劃。即在考慮環(huán)境約束、汽車運動學或動力學模型后事先規(guī)劃一個可行的幾何路徑,然后控制汽車根據(jù)此路徑行駛。這種方法的可靠性依賴于控制器的精確性,控制效果并非完全可靠。在泊車過程中,即使位置誤差能夠被后來的運動所補償,也會增加相應的時間成本,從而影響自動泊車的效果。2)基于經(jīng)驗的控制算法。根據(jù)熟練泊車司機的經(jīng)驗,模擬司機的駕車行為,實時產(chǎn)生控制命令。這種方法與車輛相對于泊車位的方向和位置有關(guān),沒有參考路徑可循。這種方法的優(yōu)點是可控性強,控制效果好。此類研究方法的典型做法是在車身周圍安裝多個測距傳感器,通過分析這些測距傳感器的信號得出相應的控制命令從而控制汽車進入目標泊車位。此方法的雖然控制結(jié)果可靠,安全性好,但其控制算法復雜,對車輛本身結(jié)構(gòu)改裝較大,成本較高。綜合多方面考慮,本文提出了一種新的自動泊車方法,該方法通過平面視覺處理技術(shù)和模糊智能控制方法控制車輛自動進入目標泊車位。它對原車輛本身結(jié)構(gòu)的改裝不大,成本較低,可移植性強。自動泊車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由圖像采集、圖像處理、控制系統(tǒng)和無線通信4部分組成。首先,安裝在泊車區(qū)域正上方的圖像采集設備實時采集汽車及其所在區(qū)域圖像,圖像處理系統(tǒng)實時對所采集的圖像進行處理,得出汽車的位置及方向信息并將此信息送至控制系統(tǒng)??刂葡到y(tǒng)運用相關(guān)控制算法由此得出汽車方向盤應調(diào)整的角度,并將此控制結(jié)果通過無線收發(fā)模塊發(fā)出,安裝在汽車內(nèi)部的無線收發(fā)系統(tǒng)收到此控制信號后將其送至執(zhí)行機構(gòu),從而達到控制汽車行駛的目的。1自動車載系統(tǒng)的研究方法根據(jù)上文所述原理可知,圖像采集、圖像處理、模糊控制器及無線收發(fā)系統(tǒng)是自動泊車系統(tǒng)設計與開發(fā)的4個關(guān)鍵環(huán)節(jié),下文就針對此4個環(huán)節(jié)進行具體分析。1.1圖像采集系統(tǒng)系統(tǒng)中圖像采集設備選取大恒圖像公司生產(chǎn)的DH-HV-1303UMCCD相機,該相機通過USB接口與計算機連接。一般來講圖像的采集分為六步:1)打開相機并初始化;2)設置圖像分辨率;3)設置采集模式;4)設置增益;5)設置曝光時間;6)圖像輸出。由于大恒公司提供了DH-HV-1303UM相機驅(qū)動的動態(tài)鏈接庫,該動態(tài)鏈接庫可以完成相機的設置,圖像的采集,等常用功能。因此在labview中可以通過CallLibraryFunction模塊調(diào)用動態(tài)鏈接庫中相應的相機設置及采集函數(shù)來完成圖像的采集。1.2標記點中心坐標的建立圖像數(shù)據(jù)得到后,如何從中獲得車輛的位置及方向信息是圖像處理要完成的工作。假設拍攝的圖片如圖2所示。若想從圖2中獲得車輛的位置及方向信息。我們只需要在所關(guān)注的目標上事先做幾個標記點即可,如圖2所示在汽車頂端做兩個圓形標記點,當然標記點可以做成其它形狀,如十字形和方形等,為了算法識別方便,選取圓心作為標記點。大圓標記點位于汽車中心位置,小圓標記點位于與大圓標記點的前方,兩圓心的連線與汽車的車軸垂直。設大圓心坐標為(X,Y),設小圓心坐標為(X1,Y1)。在需要停車的目標位置做另外一個標記點,設中心坐標為(X0,Y0)。在圖像處理中只要得到這3個標記點中心的坐標即可得到我們需要的信息。如:通過圓心坐標(X,Y)的坐標值可得到汽車在視場中的位置,通過兩個標記點的坐標可得到汽車的行駛方向,即θ=Arctan(Y1-Y)/(X1-X)。及汽車與車庫的相對距離d=√(X-X0)2+(Y-Y0)2d=(X?X0)2+(Y?Y0)2???????????????????√。當然此時得到的只是像素值,實際的距離可通過此像素值乘以一個比例系數(shù)來求得。求圓心標記點中心的坐標的方法有很多種,一般可以通過邊界識別得到圓周上的點,再通過擬合可求出圓心坐標。本文采用一種特殊的標記點識別方法,即灰度重心法?;叶戎匦姆ㄊ菍?shù)字圖像像素的灰度看作是數(shù)字圖像的“密度”,認為圖像中一個斑點的中心位于其“重心”處。相應地,對于一幅大小為M×N的灰度圖像區(qū)域,如圖3所示,設其每個像素的灰度值為I(i,j),(0<i<m,0<j<n),定義標記點的灰度重心坐標為:x=Μ×Ν∑Ιi?Ι(i,j)Μ×Ν∑ΙΙ(i,j),y=Μ×Ν∑Ιj?Ι(i,j)Μ×Ν∑ΙΙ(i,j)(1)x=∑IM×Ni?I(i,j)∑IM×NI(i,j),y=∑IM×Nj?I(i,j)∑IM×NI(i,j)(1)通過上式即可求得圓心標記點的坐標,當然在進行灰度重心計算之前必須對圖像進行濾波,閾值分割及相關(guān)形態(tài)學處理等操作。此方法精確可靠。當CCD相機的分辨率為1024×1024時該方法的分辨率可達到0.05像素。1.3數(shù)學模型具有科學性,容易應用模糊控制是一種基于規(guī)則的控制,它直接采用語言型控制規(guī)則,出發(fā)點是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗或相關(guān)專家的知識,在設計中不需要建立被控對象的精確的數(shù)學模型,因而使得控制機理和策略易于接受與理解,設計簡單,因此在工程中應用較為廣泛。常規(guī)模糊控制器的設計包括如下3個方面的內(nèi)容:1)精確量的模糊化,把語言變量的語言值化為某適當論域上的模糊子集;2)模糊控制算法的設計,通過一組模糊條件語句構(gòu)成模糊控制規(guī)則,并計算模糊控制規(guī)則決定的模糊關(guān)系;3)輸出信息的模糊判決,并完成由模糊量到精確量的轉(zhuǎn)化。下面根據(jù)上述幾個方面詳細介紹該模糊控制器的設計過程。1.3.1汽車行駛方向的預測首先確定控制器的結(jié)構(gòu)為2個輸入端一個輸出端??刂破鹘Y(jié)構(gòu)圖如圖4所示。輸入端為語言變量CarPositionx和CarOrientationβ,分別代表汽車的水平位移和汽車的行駛方向。輸出端為語言變量steeringangleψ,它代表方向盤應調(diào)整的角度。1.3.2正義作用x語言變量確定后,需要確定各語言變量的詞集。一般來講,為避免出現(xiàn)失控現(xiàn)象。詞集的選擇應該是語言變量的兩倍以上。在該系統(tǒng)中確定各語言變量的詞集如下:CarPositionx:{Left,LeftCenter,Center,RightCenter,Right};CarOrientationβ(°):{LeftDownLeft,LeftUp,Up,RightUp,Right,RightDown};SteeringAngleψ(°):{NegLarge,NegMed,NegSmall,Zero,PosMed,PosSmall,PosMed,PosLarge};1.3.3控制器配方成員函數(shù)的確定即是確定各語言變量中所有詞集的隸屬函數(shù)。常見的隸屬函數(shù)有三角形、正態(tài)性、梯形等。為便于計算,本系統(tǒng)采用三角形法,三角形隸屬函數(shù)如式(2)所示,曲線如圖5所示。μF(x)={(x-b)/(a-b)b≤x≤a(c-x)/(c-a)a<x≤c0x<borx>c(2)μF(x)=?????(x?b)/(a?b)b≤x≤a(c?x)/(c?a)a<x≤c0x<borx>c(2)為了增加控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性,各隸屬函數(shù)都應有適當?shù)闹丿B區(qū)域,各語言變量的成員函數(shù)如圖6至圖8所示。與兩個輸入端所對應的輸入輸出特征曲線如圖9和圖10所示。由圖7可以看出,當汽車位于橫坐標x=0.98m時,可用模糊值{0.0,0.1,0.8,0.0,0.0}表示,可解釋為在中心位置稍微左偏。此步叫做模糊化,因為它將真實的變量轉(zhuǎn)換成語言變量。1.3.4基于控制策略的判決結(jié)構(gòu)將所有的輸入變量的值轉(zhuǎn)換成相應的語言變量后,接著需要制定推理規(guī)則。根據(jù)經(jīng)驗,如果汽車距離目標位置靠左,并且汽車行駛角度也靠左,則可將方向盤稍微正轉(zhuǎn)一定的角度。如果汽車位于目標位置正前方,并且汽車行駛角度也與目標位置一致,則不用調(diào)整方向盤角度。根據(jù)實際情況我們選取IF(aANDb)THEN(c)的判斷結(jié)構(gòu)。由于汽車在前進和倒退時控制策略不一樣,所以設立兩個控制規(guī)則列表,如表1、表2所示。表1用于控制汽車前進,表2用于控制汽車后退。每個控制列表包含35項。在運行時系統(tǒng)會根據(jù)汽車所在的位置及方向改變汽車的行駛方向,當汽車行駛的方向改變時,所調(diào)用的控制規(guī)則列表也相應改變。當汽車倒退運行至橫坐標0.98m處,行駛方向為70°時,根據(jù)表2,此情況所對應的判決結(jié)果應該有兩個,如下所示:1)如果Carpositionx為center(可信度為0.8)并且Carorientationβ為leftup(可信度為1.0),則調(diào)整steeringangle?為negativesmall(可信度為0.8)。2)如果Carpositionx為Leftcenter(可信度為0.1)并且Carorientationβ為leftup(可信度為1.0),則調(diào)整steeringangle?為PosSmall。(可信度為0.1)。1.3.5控制信號的做明如上所提及的,當汽車在水平方向0.98m處,行駛方向為70°時,其模糊判決結(jié)果為:方向盤應以0.8的可信度反轉(zhuǎn)一個小的角度以及以0.1的可信度正轉(zhuǎn)一個小的角度。顯然模糊判決得到的結(jié)果不能直接使用。我們需使用去模糊方法將其轉(zhuǎn)換為真實值。以便用做控制信號。常見的去模糊方法有中心法或者重心法(CoA),改進型中心法(CoA),加權(quán)平均法(CoM)和最大值平均法(MoM)。本系統(tǒng)采用CoA去模糊方法,該去模糊化方法不會因為輸入端微小的改變而使系統(tǒng)輸出發(fā)生較大的變化,系統(tǒng)能夠保證很好的線性及穩(wěn)定性。CoA去模糊方法的計算公式如式(3)所示。CoA=∫xmaxxmaxf(x)?xdx∫xmaxxmaxf(x)dx(3)其中CoA是重心,x是語言變量的值,xmin和xmax代表語言變量的有效范圍。欲求上述模糊判決結(jié)果的CoA,即是求圖11中所示陰影部分的中心,利用式(3)算得去模糊后的值為:?=-4.39°。即當汽車在水平方向0.98m處,行駛方向為70°時,汽車的方向盤應該反轉(zhuǎn)4.39°??刂葡到y(tǒng)得到此值后即可將其發(fā)往執(zhí)行機構(gòu)。1.4通信模塊設計PC得到控制結(jié)果后如何將其發(fā)送到汽車所在的執(zhí)行機構(gòu)是數(shù)據(jù)傳輸模塊所需完成的工作,考慮到受控對象的特殊性,主機與從機之間的通信采用無線的方式進行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒倘鐖D12所示。其中無線通信模塊由單片機MSP430F149及無線收發(fā)芯片nRF905構(gòu)成。此兩款芯片性價比高,配置簡單,性能好,在短距離的無線傳輸領(lǐng)域應用十分普遍。當控制系統(tǒng)得出控制結(jié)果后,通過RS232接口將控制結(jié)果傳遞給主機的單片機,主單片機收到此數(shù)據(jù)后通過SPI接口傳至nRF905無線收發(fā)芯片進行無線傳輸,從機的無線收發(fā)芯片nRF905收到此數(shù)據(jù)后將其通過SPI接口送至從單片機并通過從單片機傳遞給執(zhí)行機構(gòu)從而控制汽車的行駛,與此同時從機將執(zhí)行機構(gòu)的反饋值通過nRF905無線收發(fā)芯片傳輸主機。以便主機用于監(jiān)控。數(shù)據(jù)傳輸模塊的主要工作是串口通信和無線通信模塊的設計,下面將詳細介紹這兩部分的內(nèi)容。1.4.1usb接口電路主機與PC的數(shù)據(jù)傳輸通常是采用RS232來實現(xiàn)的。此類連接方式簡單,且數(shù)據(jù)傳輸速度高。考慮到現(xiàn)在大多數(shù)筆記本電腦都沒有COM口,而PC機基本都有USB接口,因此本系統(tǒng)選用一款RS232轉(zhuǎn)USB芯片CH341T將信號傳輸至上位機。CH341T是一個USB總線的轉(zhuǎn)接芯片,通過USB總線提供異步串口、打印口、并口以及常用的2線和4線等同步串行接口。在LabVIEW中則利用VISA來實現(xiàn)串口通信,VISA稱為虛擬儀器軟件體系結(jié)構(gòu),作為驅(qū)動程序間相互通信的底層功能模塊,可以用于不同標準的I/O設備之間的串口通信。如圖13所示,在LABVIEW中通過調(diào)用VISAConfigureSerialPort子VI進行串口配置,包括串口資源分配、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位等。使用VISAWrite發(fā)送數(shù)據(jù);使用VISARead接收數(shù)據(jù);在串口使用結(jié)束后,使用VISAClose結(jié)束與VISAresourcename指定的串口之間的通信。1.4.2控制nrf295的電路設計無線通信模塊的設計主要是對芯片nRF905的編程。一般來講nRF905編程主要分為如下兩步:1)芯片初始化,通過單片機對芯片內(nèi)部寄存器進行設置,主要設定工作頻率,發(fā)射功率,本機地址等參數(shù)。2)進入正常工作狀態(tài),根據(jù)需要進行收發(fā)轉(zhuǎn)換控制,發(fā)送數(shù)據(jù)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換。對芯片nRF905的配置可通過SPI口實現(xiàn)。nRF905的SPI總線包括4個引腳:CSN(SPI使能)、SCK(SPI時鐘)、MISO(主入從出)和MOSI(主出從入)。其中CSN可以接到一個GPIO端口控制芯片工作,而其他三個引腳則連接到單片機的SPI接口上。使用GPIO端口控制nRF905的3根控制引腳。即選擇工作狀態(tài)PWR_UP引腳、發(fā)送模式或者接受模式的TX_EN的引腳、選擇發(fā)送還是接收狀態(tài)的TRX_CE引腳。發(fā)送數(shù)據(jù)時先通過單片機把nRF905置于待機模式(PWR_UP置為高、TRX_CE置為低),然后通過SPI總線把發(fā)送地址和待發(fā)送的數(shù)據(jù)都寫入相應的寄存器中,之后把nRF905置于發(fā)送模式(PWR_UP、TRX_CE和TX_EN全部置高),配置成功后數(shù)據(jù)就會自動發(fā)送出去。若射頻配置寄存器中的自動重發(fā)位(AUTO_RETUAN)設為有效,數(shù)據(jù)包就會被重復發(fā)出,直到單片機拉低TRX_CE退出發(fā)送模式為止。nRF905發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖如圖14所示。接收數(shù)據(jù)時,單片機先在nRF905的待機狀態(tài)中寫好射頻配置寄存器中的接收地址,然后將nRF905置于接收模式(PWR_UP和TRX_CE置高,TX_EN置低),nRF905就會自動接收空中的載波。當收到有效數(shù)據(jù)(地
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