1.1研究背景
1.1.1 智能车的发展历史
1953年，美国 Barrett Electric公司制造了世界上第 1台采用埋线电磁感应方式跟踪路径的自动导向车，也被称作“无人驾驶牵引车”。20世纪 60年代和 70年代初，AGV仍采用这种导向方式。但是，20世纪 70年代中期，具有载货功能的 AGV在欧洲得到了应用并被引入到美国。这些自动导向车主要用于自动化仓贮系统和柔性装配系统的物料运输。在 20世纪 70年代和 80年代初，AGV的应用领域扩大而且工作条件也变得多样化，因此，新的导向方式和技术得到了更广泛的研究与开发。
在最近的 10-15年里，各种新型 AGV被广泛地应用于各个领域。单元式 AGV主要用于短距离的物料运输并与自动化程度较高的加工设备组成柔性生产线。例如，自动导向叉车用于仓贮货物的自动装卸和搬运；小型载货式 AGV用于办公室信件的自动分发和电子行业的装配平台。除此以外，AGV还用于搬运体积和重量都很大的物品，尤其是在汽车制造过程中用多个载货平台式 AGV组成移动式输送线，构成整车柔性装配生产线。最近，小型 AGV应用更为广泛，而且以长距离不复杂的路径规划为主。AGV从仅由大公司应用，正向小公司单台应用转变，而且其效率和效益更好。至此出现了智能车的概念
下表是1993～1997年 AGV在国外各个行业的销售情况。
表1-1 1993～1997年AGV在国外各个行业的销售情况（%）
1.1.2 应用前景
城市公共交通是与人民群众生产生活息息相关的重要基础设施。然而，目前世界上许多大城市都面临着由私人汽车过度使用而带来的诸多问题，例如道路堵塞、停车困难、能源消耗、噪声污染和环境污染等，这些问题严重降低了城市生活的质量。优先发展城市公共交通是提高交通资源利用效率，缓解交通拥堵的重要手段。国务院总理温家宝于 2005年 10月做出重要批示，要求优先发展城市公共交通，这是贯彻落实科学发展观和建设节约型社会的重要举措。大容量城市公共交通，如地铁、轻轨等，其最大优点是空间利用率和能源利用率较高。然而，由于缺乏足够的时间、空间、运力灵活性，在客流量不足的情况下，系统效率将大大降低，运营成本过高，难以大力推广和应用。回顾汽车发展的百年历史，不难发现其控制方式从未发生过根本性改变，即由人观察道路并驾驶车辆，形成“路－人－车”的闭环交通系统。随着交通需求的增加，这种传统车辆控制方式的局限性日益明显，例如安全性低（交通事故）和效率低（交通堵塞）。最新调查表明，95％的交通事故是由人为因素造成，交通堵塞也大都与驾驶员不严格遵守交通规则有关。如果要从根本上解决这一问题，就需要将“人”从交通控制系统中请出来，形成“车－路”闭环交通系统，从而提高安全性和系统效率。这种新型车辆控制方法的核心，就是实现车辆的智能化。
智能车有着极为广泛的应用前景。结合传感器技术和自动驾驶技术可以实现汽车的自适应巡航并把车开得又快又稳、安全可靠；汽车夜间行驶时，如果装上红外摄像头，就能实现夜晚汽车的安全辅助驾驶；他也可以工作在仓库、码头、工厂或危险、有毒、有害的工作环境里，此外他还能担当起无人值守的巡逻监视、物料的运输、消防灭火等任务。在普通家庭轿车消费中，智能车的研发也是很有价值的，比如雾天能见度差，人工驾驶经常发生碰撞，如果用上 这种设备，激光雷达会自动探测前方的障碍物，电脑会控制车辆自动停下来，撞车就不会发生了。
1.2智能车大赛介绍
1.2.1大赛简介
受教育部高等教育司委托，高等学校自动化专业教学指导委员会负责主办全国大学生智能车竞赛。该项比赛已列入教育部主办的全国五大竞赛之一。首届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车邀请赛已于去年八月在清华大学举行。此项赛事，在韩国已经举办过多届，其专业知识涉及控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等诸多学科，对学生的知识融合和动手能力的培养，对高等学校控制及汽车电子学科学术水平的提高，具有良好的推动作用。
今年已是第二届比赛，在本次比赛中，参赛选手仍须使用大赛组委会统一提供的竞赛车模，以 Freescale公司生产的 16位微控制器 MC9S12DG128B作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计，包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、转向舵机控制等，最终实现一套能够自主识别路线，并且可以实时输出车体状态的智能车控制软硬件系统。各参赛队完成智能车工程制作及调试后，于指定日期与地点参加比赛。参赛队伍之名次以赛车现场成功完成赛道比赛时间为主，技术方案及工程制作质量为辅来决定。但与去年不同的是，今年将先分五个赛区进行预赛选拔，然后再进行决赛，决赛地点定于我校。同时，今年的赛道还将增加坡道，难度有所加大。本文所述的内容即是为本届比赛而准备的技术方案。
1.2.2比赛规则
参赛选手须使用大赛组委会统一提供的竞赛车模，采用飞思卡尔 16位微控制器 MC9S12DG128作为核心控制单元，自主构思控制方案及系统设计，包括传感器信号采集处理、控制算法及执行、动力电机驱动、转向舵机控制等，完成智能车工程制作及调试，于指定日期与地点参加场地比赛。参赛队伍之名次（成绩）由赛车现场成功完成赛道比赛时间为主，技术方案及制作工程质量评分为辅来决定。组委会制定如下竞赛规则，在实际可操作性基础上力求公正与公平参与。组委会将邀请独立公证人监督现场赛事及评判过程。
比赛过程中，如果赛车碰到赛道两边的立柱并使之倾倒或移动，裁判员将判为赛车冲出跑道。赛车前两次冲出跑道，选手可以申请恢复比赛，即将冲出跑到赛车重新放置在裁判指定的赛车冲出跑道的位置，恢复比赛。整个恢复比赛过程中计时不间断。选手也可以在赛车冲出跑道后放弃比赛。
比赛过程中如果出现有如下一种情况，判为比赛失败：
1)裁判点名后，2分钟之内，参赛队没有能够进入比赛场地并做好比赛准备；
2)比赛开始后，赛车在 30秒之内没有离开出发区；
3)赛车在离开出发区之后 10分钟之内没有跑完两圈；
4)赛车冲出跑道的次数超过两次；
5)比赛开始后未经裁判允许，选手接触赛车；
6)决赛前，赛车没有通过技术检验。
如果比赛失败，则不计成绩。
比赛中禁止：
1)不允许在赛道周围安装辅助照明设备及其它辅助传感器等；
2)选手进入赛场后，不允许进行任何硬件和软件的修改；
3)比赛场地内，除了裁判与 1名队员之外，不允许任何其他人员进入场地；
4)不允许其它影响赛车运动的行为。
对于智能竞赛车模
1)禁止改动车底盘结构、轮距、轮径及轮胎；
2)禁止改动驱动电机的型号及传动比；
3)禁止改造滚珠轴承；
4)禁止改动舵机；
5)禁止改动驱动电机以及电池，车模主要前进动力来源于车模本身直流电机及电池；
6)为了车模的行驶可以安装电路、传感器等，允许在底盘上打孔或安装辅助支架等。
电路器件及控制驱动电路限制
1)核心控制模块可以采用组委会提供的HCS12模块，也可以采用MC9SDG128自制控制电路板,除了DG128MCU之外不得使用辅助处理器以及其它可编程器件；
2)伺服电机数量不超过 3个；
3)传感器数量不超过 16个（红外传感器的每对发射与接受单元计为 1个传感器，CCD传感器记为 1个传感器）；
4)直流电源使用大赛提供的电池；
5)禁止使用 DC-DC升压电路为驱动电机以及舵机提供动力；
6)全部电容容量和不得超过 2000微法；电容最高充电电压不得超过 25伏。
可以选择参数：
1)开发软件可以选择CodeWarrior 3.1，也可以另行选择；
2)开发调试硬件可以选择 BDM（清华大学制作）工具，也可以另行选择；
3)电路所使用元器件（传感器、各种信号调理芯片、接口芯片、功率器件等）种类与数量都可以自行设计选择。
赛道基本参数（不包括拐弯点数目、位置以及整体布局）
1)赛道路面用纸制作，跑道所占面积不大于 5000mm* 7000mm，跑道宽度不小于600mm；
2)跑道表面为白色，中心有连续黑线作为引导线，黑线宽25mm；
3)跑道最小曲率半径不小于500mm；
4)跑道可以交叉，交叉角为90°；
5)赛道为二维水平平面；
6)赛道有一个长为 1000mm的出发区，如下图所示，计时起始点两边分别有一个长度 100mm黑色计时起始线，赛车前端通过起始线作为比赛计时开始或者与结束时刻。
车模照片如下：
图1-1 智能车大赛车辆模型
1.2.3规则分析
从大赛的规则上来看我们的选择已被限制在一个很小的范围内。车模本身的机械结构是禁止做改动的。电路板的控制芯片也只能用 freescale的s12dg128,而且不能添加辅助处理器和存储电路。最多只能使用 3个伺服电机，除去一个用于舵机，一个用于后轮驱动，只有一个伺服电机可供自由使用。在对电机操作时我们也不能使用升压芯片，电容最高的充电电压不能超过 25伏，在这个意义上就是说各个队的车速不会相差太明显。因此我们队得出这样一个结论，要让我们的智能车在赛道上有较好的表现，关键就在控制方法和控制算法上。
