共享电单车的自动驾驶技术研究.pdf
《共享电单车的自动驾驶技术研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《共享电单车的自动驾驶技术研究.pdf(7页珍藏版)》请在文库网上搜索。
1、 新技术新工艺 2 0 2 3年 第8期 4 0 新技术新工艺 试验与研究共享电单车的自动驾驶技术研究*黄千骏1,郭的健2,孟宇博1,樊子尧3,覃玉梅3,孙豪阳1,蒋秋娥4,蔡 衍1(1.东北大学 机械工程与自动化学院,辽宁 沈阳 1 1 0 8 1 9;2.东北大学 软件学院,辽宁 沈阳 1 1 0 8 1 9;3.东北大学 信息科学与工程学院 辽宁 沈阳 1 1 0 8 1 9;4.兵器6 2 7厂 技术中心,湖南 湘潭 4 1 1 1 1 1)摘 要:共享电单车的出现给人们的短距离出行带来了极大便利。但由于使用者交通安全和规范意识不足,导致安全事故、违规停放、管理混乱等诸多问题。通过自动
2、驾驶技术的赋能,可极大地减轻人们的驾驶压力,提高交通安全性,改善共享电单车存取不便的问题。对共享电单车自动驾驶的关键技术展开研究,应用磁场定向控制(F O C)技术,实现车身姿态、速度和方向的高效、精确控制;将传感器通过U S B、R S-2 3 2等接口与J e t s o n T X 2上位机实现通信连接,为软件和算法提供数据信息;运用视觉和惯性导航融合的同步定位与建图(S L AM)技术,提高系统稳定性和适应能力,实现高精度的自身定位和地图构建;结合图像识别、自动避障和路径规划等自动驾驶算法,开发出一款具有自动驾驶功能的共享电单车。该研究可为电单车的自动驾驶提供研究经验,以期进一步提高共
3、享电单车的安全性、操作与管理便捷性,有助于推动自动驾驶共享电单车的应用普及,为城市的交通拥堵问题找到新的解决途径。关键词:共享模式;电单车自平衡;自动驾驶;F O C;S L AM;R O S中图分类号:T P 2 文献标志码:AR e s e a r c h o n K e y T e c h n o l o g i e s o f A u t o n o m o u s D r i v i n g o f S h a r e d E l e c t r i c B i c y c l e sHU A N G Q i a n j u n1,G UO D e j i a n2,ME N G Y
4、 u b o1,F A N Z i y a o3,Q I N Y u m e i3,S U N H a o y a n g1,J I A N G Q i ue4,C A I Y a n1(1.S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n d A u t o m a t i o n,N o r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y,S h e n y a n g 1 1 0 8 1 9,C h i n a;2.S c h o o l o f S o f t w a r e,N o
5、r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y,S h e n y a n g 1 1 0 8 1 9,C h i n a;3.S c h o o l o f I n f o r m a t i o n S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,N o r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y,S h e n y a n g 1 1 0 8 1 9,C h i n a;4.T e c h n i c a l C e n t e r o f 6 2 7 F a c t o r y o
6、f C N G C,X i a n g t a n 4 1 1 1 1 1,C h i n a)A b s t r a c t:T h e e m e r g e n c e o f s h a r e d e l e c t r i c b i c y c l e s h a s b r o u g h t g r e a t c o n v e n i e n c e t o p e o p l es s h o r t-d i s t a n c e t r a v e l.H o w e v e r,d u e t o t h e l a c k o f t r a f f i c s
7、 a f e t y a n d n o r m a t i v e a w a r e n e s s o f u s e r s,t h e r e w e r e m a n y p r o b l e m s s u c h a s s a f e t y a c c i-d e n t s,i l l e g a l p a r k i n g,m a n a g e m e n t c o n f u s i o n a n d s o o n.T h r o u g h t h e e m p o w e r m e n t o f a u t o n o m o u s d r
8、 i v i n g t e c h n o l o g y,p e o p l es d r i v i n g p r e s s u r e c o u l d b e g r e a t l y r e d u c e d,t r a f f i c s a f e t y c o u l d b e i n s u r e d,a n d t h e i n c o n v e n i e n c e o f s h a r e d b i c y c l e a c c e s s c o u l d b e i m p r o v e d.T h e k e y t e c h
9、n o l o g i e s o f a u t o n o m o u s d r i v i n g o f s h a r e d e l e c t r i c b i c y c l e s w e r e i n v e s t i g a t e d.T h e F i e l d O r i e n t e d C o n t r o l(F O C)t e c h n o l o g y w a s a p p l i e d t o a c h i e v e h i g h e f f i c i e n c y a n d p r e c i s e c o n t
10、r o l o f t h e b o d ys p o s t u r e,s p e e d a n d d i r e c t i o n.T h e s e n s o r n e t w o r k i m p l e m e n t e d t h e c o mm u n i c a t i o n c o n n e c t i o n w i t h t h e u p p e r c o m p u t e r J e t s o n T X 2 t h r o u g h U S B,R S-2 3 2 a n d o t h e r i n t e r f a c e
11、s t o p r o v i d e d a t a i n f o r m a t i o n f o r s o f t w a r e a n d a l g o r i t h m s.T h e S i m u l t a n e o u s L o-c a l i z a t i o n a n d M a p p i n g(S L AM)s c h e m e w i t h v i s u a l a n d i n e r t i a l n a v i g a t i o n e n a b l e d t h e s y s t e m t o h a v e s t
12、 r o n g s t a b i l i t y a n d a d a p t a b i l i t y t o a c h i e v e h i g h-p r e c i s i o n s e l f-p o s i t i o n i n g a n d m a p c o n s t r u c t i o n.C o m b i n e d w i t h i m a g e r e c o g n i t i o n,a u t o m a t i c o b s t a c l e a v o i d a n c e a n d p a t h p l a n n i
13、 n g a l g o r i t h m,d e v e l o p e d a s e t o f s h a r e d e l e c t r i c b i c y c l e s w i t h a u t o n o m o u s d r i v i n g f u n c-t i o n s.T h e r e s e a r c h c o u l d p r o v i d e r e s e a r c h e x p e r i e n c e f o r t h e a u t o m a t i c d r i v i n g o f e l e c t r i
14、 c b i c y c l e s,i n o r d e r t o f u r t h e r i m-p r o v e t h e s a f e t y,o p e r a t i o n a n d m a n a g e m e n t c o n v e n i e n c e o f s h a r e d e l e c t r i c b i c y c l e s,w h i c h w a s b e n e f i c i a l t o p r o m o t e t h e p o p u l a r i z a t i o n o f t h e a p p
15、 l i c a t i o n o f s e l f-d r i v i n g s h a r e d e l e c t r i c b i c y c l e s a n d f i n d n e w s o l u t i o n s f o r u r b a n t r a f f i c c o n g e s t i o n.K e y w o r d s:s h a r i n g m o d e,s e l f-b a l a n c e o f e l e c t r i c b i c y c l e,a u t o n o m o u s v e h i c l
16、 e s,F O C,S L AM,R O S 自动驾驶是指通过赋予车辆装备智能软件和各种感应设备以实现车辆的自主驾驶,进而达到安全高效地到达目的地,避免交通事故的目标。自动驾驶的实现可以极大地减轻人们的驾驶压力,提高交通安全性。近年来,共享经济的发展模式受到了整个社会的广泛关注,作为共享领域的热门主题,共享单车也得到了快速发展。共享单车属于典型的“互联网+”式创新,有效地解决了人们出行“最后一公里”的难题。但其在给人们带来便利的同时,也带来了违规停放、管理混乱等问题1。目前已有对于无人电单车在零速条件下自平衡的控制算法2-3、双驱无人电单车样机设计4-5等多项研究,电单车作为欠驱动系统要实现
17、自动驾驶,自平衡是一大重点,双驱无人电单车采用的是添加配重结构调整重心以维持自平衡,但该结构质量大、占用体积多,导致无法实现载人。鉴于载人情况会对 试验研究 新技术新工艺 试验与研究4 1 电单车结构、控制算法、安全性能等方面提出更高要求,需整合改进上述研究成果,尝试利用现有技术面向共享电单车进行转移应用研究。本文将自动驾驶技术应用于共享电单车。相较于汽车,自动驾驶共享电单车具有占用道路资源少、对环境友好、无操作门槛等优势,同时为道路拥堵、尾气污染及违规停放等问题提供很好的解决方案,能在城市短距离出行中成为替代汽车的更优解。下述将围绕电单车本体改造、传感与通信、电机驱动与控制、定位与建图、导航
18、与避障5部分分别进行研究。1 研究工作1.1 电单车本体改造对电单车的本体改造主要在普通电单车基础上安装舵机和动量轮,在车框中放置防水密封箱以保护上位机、下位机和电机驱动板,并装配相关传感器,进而达到自动驾驶的目的。舵机和动量轮选型方案研究如下。1.1.1 舵机选型为精准控制无人电单车转向,研究采用舵机与车叉通过焊接舵盘链接的技术方案(见图1)。无人电单车转向时,受到作用于轮胎的地面摩擦力的影响,且车叉倾角会导致共享电单车重心高度变化。因此,舵机的输出功率主要用来克服地面摩擦力和整车的重力矩。通过两方面的受力分析,计算转向所需的力矩。图1 舵机安装示意图地面与橡胶的摩擦因数约为0.3。设定整车
19、最大质量为1 0 0 k g,转向时前轮受地面的阻力f约为1 4 7 N。轮胎与地面不是理想中的点接触,因此本研究假设接触面是一个半径r为0.0 1 m的小圆,圆心与轮心在同一竖直面内,接触面内摩擦力均匀分布,车叉倾角为1 7,舵机所需克服的摩擦阻力矩为Mf=23r fc o s=0.9 3 7(Nm)(1)无人电单车处于倾斜状态时,转向引起车子重心的改变。假定某时车体倾斜角为b,当车叉转动角度时,单车重心高度变化为hG=l1Rs i nc o sls i nb(2)式中,l为两轮基距,l=1.0 2 0 m;l1为车体质心与车轮触地点的距离,l1=0.2 8 3 m;R为车轮半径,R=0.1
20、 8 3 m。对式2车叉角度求导,得到转动单位角度车叉所引起的车体重心高度变化为d hGd=l1Rs i nc o sls i nb(3)当无人电单车的车体倾斜角度最大时,所需克服的重力矩最大。假设车体倾斜角a为1 0车,无人电动车为克服重力所需的转向力矩为MG=m gd hGd=m gl1Rs i nc o sls i na=2.4 1 6(Nm)(4)综上,估计舵机的负载转矩高达M=Mf+MG=3.3 5 3(Nm)(5)未载人时,整车质量m=4 0 k g,估计舵机的负载转矩可达M=Mf+MG=1.3 4 1(Nm)。考虑未载人时的情况,选用型号S M 1 0 0、额定扭矩为4 Nm(此
21、时安全系数为3)的舵机,保障了电机的响应速度。1.1.2 动量轮电机选型无人电单车的运动平面为水平面,定义地面坐标系为e0,定义车体与地面垂直时的x0轴沿着两车轮基线的方向,无人电单车的前进方向为正方向,垂直于无人电单车平面的坐标轴为y0轴,竖直向下的坐标轴为z0轴,后轮与地面的接触点为坐标原点e0,车体倾斜角为。车体最大倾斜角m=1 0,l1=0.2 8 3 m为车体质心与车轮触地点的距离,m=4 0 k g为无人时电单车及各种附加件的质量,J0=ml12,M为动量轮产生的力偶矩。以无人电单车前进相反方向建立图2所示的简化模型。图2 简化倒立摆模型 新技术新工艺 2 0 2 3年 第8期 4
22、 2 新技术新工艺 试验与研究无人电单车相对于O点的和力矩为:MO=m g l1s i n-M(6)由动量矩定理可得MO=m g l1s i n-M=J0=m l12(7)欲使无人电单车恢复平衡状态,则Mm g l1s i n=4 09.80.2 8 3s i n 1 0=1 9.2 6 4(Nm)(8)同时参照电机功率最终选定额定功率为1 0 0 W、电压为2 4 V、额定转矩为0.3 2 Nm、型号为5 7 B L 7 5 S 1 0-2 3 0 T F 9的无刷直流电机,为达到预定要求,电机选配减速比为8的一级减速器。将电单车拆分成车叉、前轮、后轮、车架4部分,分别进行测绘,使用悬挂法找
23、出各部分重心,并记录实验数据(见表1)。表1 被试电单车的测绘数据车叉质量/k g车架质量/k g前轮质量/k g后轮质量/k g前后轮半径/m车叉重心(距低端)/m车架重心(距脚踏板连接处)/m车叉倾角/()整车质量/k g5.4 9 01 3.33.16.90.1 8 30.1 3 0(0.0 8 4,0.0 8 0)1 72 8.7 9 最终完成舵机、电机、动量轮的选型与装配,以及T X 2、驱动板等模块的集成。1.2 传感与通信1.2.1 传感器的优选按传感器来分,现在主流的S L AM(S i m u l t a n e-o u s L o c a l i z a t i o n a
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 共享 电单车 自动 驾驶 技术研究