野生动物园无人驾驶自动观光车应用设计
陆军军事交通学院-毕业生实习鉴定表
成都理工大学
硕士学位论文
野生动物园无人驾驶自动观光车应用设计
姓
名：王倩
申请学位级别：硕士
专业：测试计量技术及仪器
指导教师：李宏穆
2
0090401
摘 要
野生动物园无人驾驶自动观光车应用设计
作者简介：王倩，女， 1976年7月出生，师从于成都理工大学李宏穆教授，
2009年6
月毕业于成都理工大学测试计量技术及仪器专业，于2009年6月获硕
士学位。
摘
要
无人驾驶汽车作为现代高科技与汽车技术相结合的产物，是汽车工业今后
发展的主流方
向。它主要是利用车载传感器、全球定位系统、激光扫描仪、雷
达等监控技术感知周围环境信息、车辆位
置和障碍物信息，传入车内计算机系
统加以分析、辨识、判断，用以控制车辆改变行驶状态，从而使车辆
能安全、
准确地在道路上行驶。自上世纪七十年代国外就已经开始研发此类产品，目前
已初步迈
入实用化阶段，但现今的主要研究方向着重于高速公路环境与城市环
境的无人驾驶汽车研发，对特殊环境
下使用的无人驾驶汽车关注不够。
而本次设计的无人驾驶观光车是应用于野生动物园这一特殊单一环境
的。
由于野生动物园园区面积大，观光路线长，动物为区域自由放养，要求游人步
行或骑车游览
不太现实，一般都采用观光车搭载游人观光。考虑到野生动物园
路况相对较好，没有其它车辆与行人的干
扰，行驶中车辆速度缓慢（约为7KMh）,
无须多级变速，自动观光车也无需实现过多的功能，其无人
驾驶技术要求并不
高，造价相对低廉，有较高的开发应用价值。
由于园区道路的坡度起伏不大
，一般不会出现路障，观光车几乎无须急停
或频繁起动，也不需快速启动、瞬间加速、负载爬坡，因此也
就没有较大的瞬
时功率、快速的动态响应等要求。而永磁无刷直流电机功率密度大、效率高，
加
之体积小、惯性低、响应快，非常适用于电动汽车的驱动系统。而考虑到园
区路面平坦，行使路线较短，
车辆行驶速度均匀而缓慢，几乎为额定负载行驶，
因此使用两个600w无刷直流电机以双前轮轴驱驱动
方式驱动车轮，这样机械结
构简单，重量轻，价格低廉、易于维护。
此外自动观光车是一种自
动寻迹汽车，坐满乘客后能沿一闭合环线自动循
环行进，行进路线上设定3-5个停车观光点，自动观光
车到点能自动停车。此
外野生动物园作为一种半开放园区，或许会有动物偶然出现于道路上，所以自I
摘 要
动观光车还应具有遇障停车的功能。因此，采用目
前最新的低功耗、速度高、
片内硬件资源丰富的高性价比的单片机系列AVR的ATMEGA16单片机
作为该观光
车的控制系统。作为目前最新的单片机系列之一，它尤其适用于电池供电、便携
式以
及电机驱动等系统。
本文设计采用在车辆座位下方安装一弹簧触点开关，在车辆底部安装3个
扩散反射型红外线传感器，另外在前车尾端设置一组红外线发射器，后车前端
设置对应的一组红外线接收
器以及2个超声波传感器。
同时由于是若干辆无人驾驶自动观光车在园区沿一封闭路线依次循环前行，所以需要在路面中央沿行进路线铺设一条黑色线条，用于车辆寻轨。在定
点停车处铺设一条与路
中央黑色线条垂直成90
0
的黑色停车线。
当观光车上乘坐有游客后，座椅下的弹簧
触点开关被触发，单片机接收到
触点开关输入的信号，控制电机启动，车辆运行。运行过程中，单片机不
断读
取3个寻迹红外线传感器的状态信号，控制两个电机以高、低两级不同的速度
运转，使观光
车不断左右转向以修正路线，始终能沿路面黑色线条前进。
同时单片机还不断读取长距离超声波测距传
感器和前车障碍判断红外线传
感器的状态信号，当超声波传感器检测到前方障碍，而红外线传感器没有检
测
到前车发出的红外线信号，单片机则将前方障碍判定为动物，立刻控制电机停
转，观光车远距
离停车；若超声波传感器检测到前方障碍，而红外线传感器也
检测到前车发出的红外线信号，单片机则将
前方障碍判定为车辆，则控制电机
由高速转为低速，当与前车距离小于某一定值后，单片机才会控制电机
停转，
观光车近距离停车。
而当观光车到达停车点以后，遇见路面上的黑色停车线，3个寻迹
红外传
感器状态同时变化，单片机控制车辆停止运行，游客下车游玩。若停车点已经
停有车辆，
则由于前方有车，观光车尚未到达停车点也会依次排队停车等候。
当前方车辆依序前移，而本车尚未乘坐
游客，则由单片机控制车辆以低速前移，
直至与前车的距离小于一定值后停行或遇停车线停行。而当本车
坐满游客后，
检测到前方没有障碍后，忽略停车线，车辆前进。
考虑到观光车是采用电池驱动
，且车速缓慢，没有外力撞击危险，从节省能
耗、提高行驶里程的角度出发，要求车身重量越轻越好，最
佳方法就是合理选取
汽车外壳的材料。虽然现今铝合金材料与各种复合材料已经被大量应用，但价格过于高昂，为了在保证使用安全的前提下尽可能降低成本，因此采用工程塑料制
作车身外壳。 作为观光用车，要求其外形应该既有亲和力又有现代感，所以采用流线造型，
曲线柔和，尽可能取消
复杂的形态设计，既利于加工制造、降低成本，又显得简
洁大方。车身高度尽可能降低，既能降低车辆重
心，使其行驶平稳，又显得造型
II
摘 要
美观舒展。此外为扩
大视野、减轻车重，取消了车窗设计。由于车辆载重设定为
4人，采用前后双排长条座位，以压缩车身尺
寸。为无人驾驶，所以观光车无须
设计方向盘，但安装有一透明遮阳顶棚。
此外，无人驾驶自
动观光车所处的是一个自然环境，四周色彩丰富多样，但
大多为低纯度的自然色。因此，观光车的主色调
选用明度高、纯度低的各序列灰
粉宝石蓝色系，使观光车易于辨识，又不会过于明艳，以免对园区动物产
生刺激。
关键词：电动汽车 无人驾驶 传感器 单片机
III
Abstract
Wildlife Park Unmanned
Sightseeing Vehicles
Designing Application
Introduction of the author: Wangqian, female,
was born in July,
tutor was Professor Li
Hongmu . He graduated from Chengdu University of
Technology in test measurement technology and
instruments major and was
granted the Master
Degree in June, 2009.
Abstract
Unmanned
car, as the combination of modern high-technology
and car
technology, is the mainstream of the
future car industry. Generally speaking, it
utilizes
certain supervising technology such
as vehicle-mounted sensor，global positioning
system，laser scanner and radar to perceive the
information such as surrounding
environment,
position of the car, obstacles in the way. After
analyzing, classifying and
judging, the
information can serve to direct the driving of the
car, making it move
safely, correctly on the
road. Research about this kind of products has
begun abroad
since 1970’s and now has come to
practical usage. However, today’s research about
unmanned car focus more on the exploration of
the one that drives on express high
way or in
city environment but less on that in some
particular situations.
This new designed
unmanned touring car is specially applied to wild
animal zoos.
With large space, long touring
route and freely-raised animals in it, tourists
are seldom
required to visit the zoo by foot
or cycling but using a touring car. What’s more,
without any other vehicles and passengers, the
road condition is comparatively better
and
cars there drive slowly (about 7kmh) and steadily
for viewing. Thus, auto-touring
cars have no
need to function in many aspects and no high
driving technique is
required. In short, their
costs are low but worthwhile to be explored.
Given that roads in the zoo undulate little
and obstacles are few, touring cars
even do
not have to be stopped suddenly or started
frequently. Above that, few instant
starts,
sudden accelerations or climbing with certain
weight are needed and it requires
no high
Instantaneous power，no quick dynamic response,
etc. As indicated, BLDCM
suits the driving
system of the electric-powered car most as it is
featured by its big
power density, high
efficiency, quick response, small inertia and
volume.
Considering that roads in the zoo are
also flat and short, cars there always drive
slowly and steadily even just like driving
with rated load。So, to use two 600w
BLDCM to
start the car in the way of double-front wheel
Shaft drive can make our
starting machine
simple, light, cheap and easy to be maintained.
Apart from that, the auto-touring car is a
kind of spot-detecting cars. It can take
IV
Abstract
its passengers circling
automatically along a closed route and stop when
it reaches to
the parking spots which are
designed beforehand. In the wild animal zoo, there
may
be some animals appearing suddenly in the
way, so the car should also have the ability
to stop whenever it meets obstacles.
Accordingly, to adopt the most advanced,
low-
exhausting, high speed, Chip hardware resource-
rich, high performance-price
ratio ATMEGA16
microcontroller from AVR series as the control
system of this
touring car is the best choice.
Ranked as the most advanced series of
microcontroller，it is particularly designed
for battery-powered, portable and
motor-
started.
These designs indicate that we can
install a spring contact switch under the seat
and diffuse reflection type infrared sensor
under the base of the car. Besides, another
two sets of infrared sensors are fixed in the
tail of the proceeding car and at the head
of
the following car a set of infrared receiver and
two ultrasonic sensors are added.
Meanwhile,
as the cars are orderly circling the route, it’s
better to lay a black line
in the middle of
the route which can help the car to detect and
stop automatically at
the parking spots which
are marked by another black line vertical to the
straight one.
When the passengers get on the
car, the spring switch under the seat is on and
the
signal is delivered to the microcontroller
which directs the car to start and function.
During the driving, the microcontroller keeps
on reading the 3 signals from the
infrared
sensor to alternate the speed, making the touring-
car turning left or right to
follow the route
and keep along with the black line all the time.
At the same time, the microcontroller
continually reads out the signals from the
long-distance ultrasonic distance measurement
sensor and the obstacle-detecting
infrared
sensor in the proceeding car. When the ultrasonic
distance measurement
sensor find out obstacles
but infrared sensor receives no infra-red signal
from the
proceeding car, the microcontroller
then take the obstacle as an animal and
immediately make the car stop at a long
distance. When the infrared sensors receives
signals, the microcontroller then take it as a
car and turn to the low speed until the
distance from the proceeding car reaches to
the limited one. After that, it stops the car
nearby.
When the car arrives at the
parking spot and meets the horizontal black line,
all
the 3 spotting infrared sensor act
together. Then the microcontroller makes the car
stop to let the passengers down. Sometimes
other parking cars may be there, and then
it
will stop to wait for a position. After the
parking cars move away, they go forward.
If
there are no passengers, the microcontroller will
make the car move slowly until it
gets to the
horizontal line or meet the distance limit with
the proceeding car; if
passengers are all on,
it will neglect the line and move forward after no
obstacles are
found.
The touring cars are
powered by battery, and they move slowly with no
danger of
being crashed by other force. Thus,
in order to save the energy and continue a longer
V
Abstract
distance, the
lighter its weight, the better. The best solution
is to wisely choose the
material of the
outfit. Nowadays, aluminum alloy material and
other compound
materials are frequently
applied but the costs are always too high. As a
result, with the
aim to reduce the cost under
the preconditions of safety, we use engineering
Plastics
to make the outfit.
As a
touring car, its outlook should be a modern and
amicable one. And the
streamline appearance,
with a gentle curve and simple design, reduces the
cost and the
difficulties of producing while
remaining attractive.
The car height should be
as low as possible to help to lay down the center
of the
gravity and move steadily while at the
same time appearing to be nice-looking.
Besides, no window is installed in the car to
enlarge the horizon and lighten the
weight.
Meanwhile, it’s designed to hold 4 people with 2
rows of seats in it to make it
smaller. And
last, since it is a non-human driving car, no
steering wheel but a
transparent sunshade
ceiling is needed.
In addition, unmanned
touring cars are situated in a colorful natural
environment,
but the environment is usually
dominated by low-purity natural colors. Therefore,
the
main color of touring cars is supposed to
be various high- brightness，low-purity color
alignments of gray, pink and gem-like blue to
make touring cars easily recognizable
and not
too bright at the same time, hence less or no
irritation to animals in the zoo.
Key words:
Electric Vehicles Unmanned Sensor
microcontroller
VI
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进
行的研究工作及取得的
研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其<
br>他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 成都理工大学
或其他教
育机
构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的人员对本研究所做的任何
贡献均已在论文中作了明确的
说明并表示谢意。
学位论文作者签名：
年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解
成都理工大学 有关保留、使用学位论文的规定，
有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和
磁盘，允许论文被查阅和
借阅。本人授权 成都理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关
数
据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
（保密的学位论文在解密后适用本授权书）
学位论文作者签名：
学位论文作者导师签名：
年 月
日
第1章 引 言
第1章 引 言
1.1
自动驾驶汽车的研究现状
[
1][2][5]
无人驾驶汽车也被称为轮式移
动机器人，它是现代高科技与汽车技术相结
合的产物，属于高附加值的新型汽车，既是智能交通系统工程
所需要的，也是
现代汽车科技与汽车工业今后发展的方向之一。它主要是利用车载传感器来感
知
车辆周围环境以获取道路状况、车辆位置和障碍物信息，传入车内计算机系
统，以控制车辆变速、转向，
从而使车辆能安全、可靠地在道路上行驶。由于
无人驾驶汽车以计算机替代传统的人来控制车辆的行驶，
从而大大提高了交通
系统的效率和安全性，也解决了一些用户虽有买车愿望和实力，但却苦于不会
驾驶(包括老弱病残)、或不会简单维护的难题。上世纪七十年代国外就已经开
始研究开发此类产品，
至今已经历了概念研究、模型试验、样车研制、设计定
型、小批量试生产等几个阶段的发展，目前已步入
实用化阶段。
1.1.1 国外无人驾驶汽车的发展状况
欧美发达国家从20世纪70年
代就开始对无人驾驶自动汽车进行研究，现
在正由实验性逐步走向实用性。美、德是现在研究无人驾驶汽
车水平最高的国家。
美国早在二十世纪八十年代就提出ALV（自主地面车辆）计划。这是一辆车速较慢的8轮车，可在特定环境中无人自动驾驶。但由于应用环境的复杂性，使
得无人驾驶自动汽车的
设计难度较高，许多技术问题在当时难以得到圆满解决，
到了二十世纪末，许多国家就将研究重点转移到
了车辆的辅助驾驶上。如美国
卡耐基梅隆大学研制的无人驾驶汽车Navlab．V在横穿美国东西部的
无人驾驶
试验中就仅仅实现了方向控制(油门及档位由车上人员控制)。到了二十一世纪
初，无
人驾驶汽车的研发开始快速发展。德国、日本、荷兰、英国等相继研发
出了具有较高实用价值的自动汽车
。大多采用复杂的监控技术（如全球定位系
统、激光扫描仪、雷达等）实时获取车辆行使的相关数据，由
车载电脑进行分
析处理，再驱动车辆进行各种复杂操作。如德国近期推出的一款无人驾驶智能
汽
车，外观与普通汽车无异，却能在环境复杂的城市公路上实现无人驾驶。主要
依靠行驶过程中车载全球定
位仪适时获取汽车方位数据以及前灯尾灯附近的激
光扫描仪测控汽车周围状况，两组数据汇总到车内计算
机内进行分析，然后依据
分析结果向汽车传达指令。该车使用多项先进科学技术，确保该车能实现避障、
转弯、停刹车、换档等多项功能，甚至可以辨识各种交通标识，实现真正的全智
1
成都理工大学硕士学位论文
能无人驾驶。
1.1.2
国内无人驾驶汽车的发展状况
我国对于无人驾驶汽车的研发较晚，二十世纪八十年代由国防科技大学研
发出我国第一个智能小车，有三个车轮，前轮导向，两个后轮驱动，包含有自
动驾驶仪、计算机
系统、传感系统、定位定向系统、运动控制系统及配电系统
等。在2000年，第四代无人驾驶汽车同样
由国防科技大学试验成功，最高时速
达76km。最近，国防科技大学机电工程与自动化学院和中国第一
汽车集团公司
联合研发的红旗旗舰无人驾驶轿车，该车配备摄像机及雷达，可自行对环境加
以判
断识别从而实现自动调速，无需人为干预。其总体技术性能和指标已经达
到世界先进水平。这辆无人驾驶
轿车在正常交通情况下，在高速公路上行驶的最
高稳定速度为130km／h，最高峰值速度为170k
m／h。
1.1.3 无人驾驶汽车发展方向
无人驾驶汽车的研究，从使用环境可以分为
三方面：高速公路环境、城市
环境和特殊环境下的无人驾驶系统。三个方面的研究因其使用环境不同，从
而
其技术应用的侧重点也就有所不同。
车辆在高速路上的行驶往往时间长、速度快、操作单一
，四周景观单调乏
味，极易使得驾驶员产生疲劳，从而导致驾驶危险。在这种情况下，引入高速
公路环境下的无人驾驶系统就能解决这类最常见、最危险、也最枯燥的驾驶任
务。由于高速路上的无人驾
驶汽车主要应用于封闭效果较好，障碍干涉较少，
路况优良的高速路面，要求其驾驶速度快，只需完成道
路标志线跟踪、车辆识
别等基本功能，所以研发难度较低，但只能应用于特定环境，有一定的应用局限性。
城市环境下的无人驾驶系统的研发则最为复杂。城市环境错综复杂，障碍
多样、标
示繁多，要求此类无人驾驶车辆不仅要实时感知外在环境的变化，而
且还需对外部障碍、标示等做出精准
判断，并能对车辆进行及时调整、修正，
否则稍有失误就会导致严重后果。因此此类无人驾驶系统往往需
要安装高精度
的传感器、扫描仪、摄像机、雷达、全球定位系及高运算速度的计算机系统等，
价
格极为高昂，且维护难度较大，在实际应用中其可靠性、多车协调性、与其
它交通参与者的交互性仍不能
令人满意，所以现今尚且无法推广。
还有一些特殊环境也需使用无人驾驶系统，如战场、沙漠无人区、
大型观
光游园等。这种特殊环境下的无人驾驶汽车其关键技术和应用于高速公路和城
市环境的无
人驾驶车辆是大致相同的，只是在使用要求上的侧重点不同而已。
2
第1章
引 言
1.2无人驾驶汽车类型及特点
[1]
无人驾驶汽车按照控制方式的不同，可以分为有线控制型、感应控制型、
遥控型和自主控制型。
有线控制型结构简单，造价低廉，但受拖拽缆线长度限制，汽车行驶距离
有限，使用场合有诸多
限制和不便，且多车同时使用电缆易产生纠结，所以此
类无人驾驶汽车应用较少。
感应控制型
则是目前使用较多的一种无人驾驶汽车控制技术。需在路面事
先预埋磁片或微波发射装置等，当装备了传
感装置的汽车通过此路面时，接收
到磁力或辐射信息，便可沿指定路线行进。此类无人驾驶汽车造价合理
，但可
实现的功能较少，一般用于特定场所。如加州大学的研究人员就已经研制出了
一种道路参
照传感系统，它可准确确定汽车相对于公路中线的位置和取向。只
需把成本低于1美元的永磁体以4英尺
的间距埋入到车道的路面下，然后为每
辆汽车安装6个磁力计，就可使车上的自动驾驶系统能够探测到车
道中线，从
而自动沿车道前进。还可将这些磁铁在路面上形成一种二进制式的编码，把况
信息（
如里程、道路曲度以及山的坡度等）用这些编码标识出来，使车辆在行
使中获取相关道路信息，以及时修
正车辆的行驶。
[6]
遥控型通过无线电遥控系统对位于远距离的汽车发送指令，进
行实时控制。
它需要将驾驶指令经由通信传输发送给远程的受控车辆执行，这需要有显示装
置能
实时显示路况以及远程操控员适时准确地操作才可保证车辆正确行进。
而自主控制型则是在汽车上安装
雷达、摄像机及计算机等，由控制系统自
动导引汽车，避开障碍沿正确线路行驶。它能像有人驾驶车辆一
样地点火、起
步、挂挡、停车，在行进途中避障以及根据道路状况自动改变方向、增减油门
等，
是集自动控制、体系结构、人工智能、视觉计算、程序设计、组合导航、
信息融合等多种高科技于一体，
是当代计算机科学、模式识别、控制技术的高
度结合和发展的产物。
[7]
这是目前发
展较快使用较多的一种无人驾驶技术。其
灵活性较高，能实现较复杂的功能，但制造成本高昂。如日本三
井造船公司就
制成了一种具有良好动力性和越野性的无人驾驶运输车。车上装有激光测距雷
达和
微电脑，能自动识别车辆前方50m以内的行人、车辆和障碍物，设定有多
种避让程序，可自行微调行车
方向，控制油门和变速器，保持车距。车上的自
动控制系统能按预先编制好的程序，在行车途中选择行驶
的道路和路面。如该
无人驾驶运输车能行驶在凹凸不平，高低相差0.25m的劣质路面上，且车速不<
br>低于25km／h。实地检测该无人驾驶运输车的行驶路线与电子地图上反映的理
论行车路线的误
差不超过0.1m。
[1]
3
成都理工大学硕士学位论文
1.3
1.3
无人驾驶汽车的关键技术
[2]
无人驾驶汽车的关键技术主要包含两个方面：车辆定
位和车辆控制。两方
面缺一不可，共同构成无人驾驶汽车的基础。
1.3.1车辆定位技术
[9]
无人驾驶汽车是由车载电脑控制汽车沿正确
路线行进，车辆定位技术就尤
为重要了。常见车辆定位技术是超声波、红外线、激光光波信号定位。一般
在
路面涂抹不同的颜色，汽车经过道路时，由车辆底部的传感器感知路面不同的
光波反射信号，
再由车载微电脑识别、分析、判断后，修正行车路线，使其始
终沿正确方向行驶。这种定位技术简单易行
，硬件要求较低。但缺陷在于前期
需要对道路加以预设，且行进路线不能出现交叉与拐点，此外受天气影
响较大，
出现特殊天气则系统极易失效。
目前主要技术采用磁导航和视觉导航。在自动高速公
路系统的研究中，最
初采用地下埋设电缆的方式，通过电磁感应对车辆导航。但由于可测量的电磁
感应范围太小，而且此方法不能提供车辆所需的方位及障碍信息，目前此定位
方式基本已被抛弃。而磁
导航采用在路面下预埋磁片对车辆加以导航。优点在
于不受天气条件的影响，大雪埋没路面也同样有效，
而且通过变换磁极朝向进
行编码还可向车辆传输道路信息。但此技术也需在道路上预埋相关设备，且不<
br>易维护，变更线路还需重新埋设导航设备。在美国和日本，九十年代中期，就
曾在道路中间以铺设
磁块的方式来进行导航，但此方案的造价略微高昂，难以
大量推广。
而现实中，当我们驾车时
所接收的信息几乎全来自于视觉，包括交通信号、
交通图案、道路标识等，要想让无人驾驶汽车能辨识这
些信号，就需要计算机
能辨识这些视觉信号。视觉导航技术就是由安装在车辆上的扫描仪、雷达、摄像机等设备来提取交通信号，交通标志以及周围车辆、障碍等信息，将获取的
结果送入车载电脑进行
分析、识别，做出合理判断，修正车辆行驶路线。因为
视觉导航技术不需要对现有的道路基础设施进行改
造，能充分利用现有的交通
资源，具有更大的灵活性，适用性等优点，视觉导航在自动驾驶汽车的导航中
受到普遍重视，是现今最有前景的定位方法。但对车辆自身的硬件要求较高，
维护难度较大，造
价相对高昂。
1.3.2车辆控制技术
车辆控制技术是无人驾驶汽车的核心，主要包括速度控制和方向控制等几
4
第1章 引 言
个部分。无人驾驶其实就是用电子技术控制汽车进行的仿
人驾驶。目前最常用
的方法是经典的智能PID算法，如模糊PID、神经网络PID等。
1
965年美国加利福尼亚大学首先提出模糊集合理论。1974年英
国Mamdani使用模糊控制语言
构成控制器，用于锅炉蒸汽的控制，标志着模糊
控制的诞生。近年来对不同的控制对象进行了各种不同程
度的模糊控制，也取
得了较好的成果。模糊控制的优点在于采用了语言控制器，不需要精确的数学
模型；易学习，使用方便，适应性强；程序短，易于实现；速度快，开发方便；
可靠性高，性能优良；
操作人员的自身经验可以加入到控制的环节中去。模糊
控制算法有多种形式，如自适应模糊控制、自组织
模糊控制，与神经网络相结
合的模糊控制等。
当然除以上两个方面以外，无人驾驶汽车作为智
能交通系统的一部分，还需
要一些其它相关技术的支持，如车辆调度系统、通讯系统和人机交互系统等，
最
终得以实现整个交通系统的高效、安全。
1.4 本课题主要研究内容及研究方法
本课题主要研究内容及研究方法
1.4.1 主要研究内容
由以上分析可
知，无人驾驶汽车将是汽车行业未来发展的大势所趋。本设
计针对野生动物园区这一特殊环境，希望能设
计出一款安全可靠，造价相对低
廉，有实际应用价值的小型无人驾驶自动观光车，要求其能沿预先设定的
路线
正确行进，能实现一些简单功能，如定点停车、自动启动、遇障处理等。主要
从以下几个方
面加以研究：
1）电机控制分析
目前的无人驾驶汽车的驱动主要是电机，本文通过对直流电
机，步进电机，
伺服电机的分析，合理选择野生动物园无人驾驶自动观光车的驱动电机及电机控
制方式。
2）传感器系统分析
对汽车常用传感器加以研究分析，合理选取野生动物园无人驾
驶自动观光
车的传感器，使无人驾驶观光车应具有以下功能：
自动驾驶观光车能在传感器控制下自动正确地沿地面标识行驶、停止；
自动观光车能依靠传感器辨识前方障碍，依据不同障碍确定不同的停车距
离；
3）电路设计
大体阐述野生动物园无人驾驶自动观光车的控制电路。选用现今较为先进
5
成都理工大学硕士学位论文
的AVR系列的ATMEGA16单片机作为自动观光车的控制芯片。
4）外观设计
野生动物园无人驾驶自动观光车作为驾驶工具，须考虑其使用上的舒适性。
包含其造型的美观性，乘坐
的舒适性，观察的便捷性，使用的安全性等都应纳入
设计的考虑之中。
1.4.2研究意义
现今的无人驾驶汽车已经开始从试验阶段逐渐转向实用阶段，但主要研究
方向着重于高速公路环
境、城市环境的无人驾驶汽车研发，而对特殊环境下使
用的无人驾驶汽车的关注度不够。用于高速公路环
境、城市环境的无人驾驶汽
车其应变性能好，功能全面，但造价高昂，现阶段投入实际使用不太具有现实
意义。
而本次设计的无人驾驶观光车是应用于野生动物园这一特殊单一环境的。
野生
动物园作为一种特殊环境，由于其园区面积大，观光路线长，动物为区域
自由放养，要求游人步行或骑车
游览不太现实，一般都采用观光车搭载游人观
光。若都采用司机驾驶，则需额外支付工资等相关费用，且
对驾驶人员的技术
要求较高。考虑到野生动物园路况相对较好，没有其它车辆与行人的干扰，行
驶中无须车辆改变车速，自动观光车也无需实现过多的功能，其无人驾驶技术
要求并不高，造价也相对低
廉，有较高的开发应用价值。
1.5 主要创新点
主要创新点
智能小车
是现今研究最多的一类课题，如何使小车智能化已经有了各种较为
成熟的技术手段，大致有两种研究方向
，一是应用各种高精尖技术（雷达、全球
定位系统、高频摄像机、各种高精传感器、车载电脑等）实现整
车的全面智能化，
包括自动寻轨、自动避障、自动识别、辨识环境复杂信息、自动选择路线、自动
调速等；一种则是利用简要技术，如各种简单传感器、单片机等实线车辆的部分
简要功能，如自动寻轨
、自动避障、自动调速等。前者价格高昂，技术难度较大，
现阶段难以推行；后则价格低廉，但实现的功
能却过于简单，又不能满足实际需
求，往往只适合应用于儿童玩具小车。
而本文所设计的无人驾驶观光车则能够用极为简单的技术实现相对较多的
功能。主要创新有：
1）选用了价格低廉、内部硬件资源相对丰富的高性价比的AVR系列单片机
ATmega16
作系统的控制芯片，选用了最为常见的红外线传感器、超声波传感器
6
第1章
引 言
作为外部信息接收器。不仅能实现简单的遇障停车功能，更为重要的是还能辨
识障碍
的类型，从而采用不同的停车策略。
2）以往的设计多是单车设计，而本次设计的是应用于特殊环境下
的无人驾
驶系统，是若干辆无人驾驶观光车沿封闭路线循环前进，不仅要实现车辆的定点
停车，
还能在停车点依据不同的现场状况采用不同的应对策略：前方无车则遇停
车线停车；遇前车障碍停车，并
能依序前进。
3）以往的设计多为小车设计，也就是玩具车设计，车辆小巧轻便，重量恒
定，
所以电机与电池的选取非常简单。而本次设计是一个微型轻便汽车设计，重
量相对较大，且负载不恒定，
还有可能需要负载爬坡，所以电机与电池的选取有
较大的难度，所以本文也对此作了较为详尽的分析。
7
成都理工大学硕士学位论文
第2章 无人驾驶自动
无人驾驶
自动观光车硬件选取设计
自动
观光车
硬件选取设计
2.1无人驾驶观光车传动装置
无人驾驶观光车
传动装置选定
传动装置
选定
选定
2.1.1
传动系统分析
[20][21][22]
2.1.1.1传动系统类型
汽
车发动机所发出的动力需要靠传动系传递到驱动轮。汽车的传动系统最常
见的有机械式传动系统、液力式
传动系统、液压传动系统和电力式传动系统等。
机械式传动系统由离合器、变速器、传动装置和驱动桥
组成。其中传动装置
由万向节和传动轴组成，驱动桥由主减速器和差速器组成。离合器则是装置在发动机与手动变速箱之间，负责将发动机的动力传送到手动变速箱的装置。
液力式传动系统也叫动液
传动，是依靠液体介质在主动元件和从动元件之间
的循环流动过程中动能的变化来传递动力。其传动装置
分为液力偶合器和液力变
矩器两种。液力偶合器传递转矩，但不能改变转矩大小。液力变矩器除了具有液
力偶合器的全部功能外还能实现无级变速。但一般情况下仅靠液力变矩器无法满
足汽车行驶要求
，往往要串联一个机械变速器以扩大变矩范围，而这样的传动系
统被称为液力机械传动。
液压
传动系统也叫静液传动，它是依靠液体传动介质静压力能的变化来传递
动力，主要由油泵、液压马达和控
制装置等组成。利用发动机带动油泵产生静压
力，通过控制装置控制液压马达转速，用一个液压马达带动
驱动桥或用两个液压
马达直接驱动两个驱动轮。也就是发动机输出机械能通过油泵转换成液压能，再由液压马达将液压能转换成机械能。这种液压传动由于其传动效率低、造价高、
使用寿命短、可靠性
较差，目前尚无法大量推广。
而电传动是由发动机带动发电机发电，再由电动机驱动驱动桥或由电动机
直
接驱动带有减速器的驱动轮。
2.1.1.2传动系统的功用
简要地讲，汽车的
传动系统就是将发动机的动力传递给车轮的装置。但其功
能还远不止如此。传动系统还具有以下功用：
1）变速变矩。车辆的行驶环境不同，行驶的速度和需要克服的阻力变化范
围也就很大。如汽车
在起步加速时须要比较大的驱动力，此时车辆的速度低，而
发动机却必须以较高的转速来输出较大的动力
。而当车辆启动以后，速度逐渐加
8
第2章
无人驾驶自动观光车硬件选取设计
快，汽车所须的驱动力也逐渐降低，这时发动机只需以较低的转速输
出较小的动
力，即可满足汽车驱动的要求。也就是说，汽车的速度在由低到高的过程中，发
动机
的转速却是由高到低，传动系统中变速箱就是一种可以改变发动机与车轮之
间换转差异的装置，可以在发
动机工作范围变化不大的情况下，满足汽车行驶速
度变化大和克服各种行驶阻力的需要。
2）
差速功能。当车辆转弯时，内侧的车轮所走的路径较短，外侧的车轮走
的路径较长。在同样的时间内两个
车轮所经历的路径不一，左右两侧的车轮就必
然存在着转速不同的问题。这是就需要两个驱动轮以不同转
速转动，使用驱动桥
中的差速器就可以实现这一功能。
3）实现倒车。燃油发动机是不能反转
的，但汽车却需要倒车，变速器中设
置有倒车档，就可以实现倒车功能。
4）中断动力传递。
发动机在起步、换档过程中、或行驶途中短时间停车（如
等候交通信号灯），需要中断传动系统的动力传
递，而利用变速器的空档就是实
现这一功能的。
2.1.2 驱动方式选择
汽车最为常见的运动方式为轮式驱动。主要可以采用以下几种传动方式。
2.1.2.1电机轮驱方式
这是电动汽车采用的主要驱动方式，依据有无减速器可分为减速
驱动与直
接驱动。以减速器连接电动机与车轮，即为减速驱动，这种方式允许电动机高
速运行，
对电机没有任何特别要求，由于设置有减速器从而确保了汽车在低速
运行时能获得足够的转矩，而电机在
高速运转下也能产生较大功率，但由于设
置有减速器也同时使得车身重量增加。而且由于多采用行星齿轮
减速装置，齿
轮磨损快、寿命短、噪声大，所以减速驱动方式一般使用于要求有较大过载能
力的
场所。而直接驱动方式省去了减速器，简化了机械结构，减轻了车身重量。
由于取消了减速器，此类驱动
方式响应速度较快，操作稳定性更高。但这种驱
动方式对电机要求较高，要求电机有较宽的调速范围，且
在有效范围内具有较
高的效率，还需在低速时提供较大转矩，成本较高；承载大的扭矩时需大的电
流，永磁体易受损，所以一般用于路况较好、负载较轻的场所。
直接驱动方式依据电机放置位置及数
量的不同又可分为轴驱方式与轮驱方
式。同轴驱动（轴驱）方式，采用电动机同轴驱动车轮。前面两个为
驱动轮，
后面一至两个万向轮。优点在于由两个电机分别控制两个驱动轮，省略了减速
器与差速
器，机构简单，能定点转弯。但缺点是在粗糙的地面行进较为困难；
而且如果使用两个万向轮，则存在牵
引损失，而使用一个万向轮时则易倾翻。轮
9
成都理工大学硕士学位论文
驱驱动方式是将电动机直接安装在车轮内
（也称同步驱动），所有的轮子都是
驱动轮，所有的轮子都可以操纵单独操纵，可通过旋转轮子来转向。
由于采用
四个或更多的轮子驱动，此类驱动方式可以更好的适应粗糙路面。但是机械结
构复杂；
需要较多电机，也就需要更多的控制电路。
2.1.2.2传统汽车轮式驱动方式
[29][30][31][32][33]
此种运动方式即为传统燃油汽车的运动方式：以单发动机配合减速器和差
速器驱动车轮。此运动
方式在不平的路面上性能较好，可分别控制驾驶方向和速
度。缺陷在于不能原地转动；机械结构复杂；需
要后面有差速器来避免打滑；需
要等量操纵两个前轮。
按照驱动轮的位置划分可以将其大致分
为三种驱动方式：前轮驱动、后轮
驱动、4轮全驱动。按照发动机所处的位置又可分为发动机前置、发动
机中置、
发动机后置。
前轮驱动方式是现今应用最为广泛的一种驱动方式。它省去了驱动轴，
也不
用后桥壳，变速器和差速器被装配在一个壳体中，可以有效降低轿车成本，减轻
整车重量，
降低车身底盘高度，从而提高加速性，制动性和燃油经济性。而且由
于前轮驱动的汽车其驱动轮承受着发
动机和驱动桥的重量，可以增加驱动轮的附
着力。而且由于取消了驱动轴与后桥壳、后差速器，整个车都
可以拥有较大的车
内空间。反过来由于大多数的质量都集中在车的前端，，后端较轻，从而使得后
轮的附着力变小，可能会发生侧滑，出现转向不足的状况，所以前轮驱动方式会
使得汽车的操纵性变差
。而且前轮需传递加速，转向和制动时地面作用于轮胎的
力，承受的负荷较大。而后轮承受的这种作用力
却很少，它只需要跟着前轮滚动
就可以了。
而后轮驱动则刚好相反，虽然室内空间较小，但由
于部分的机械部件从汽车
前端移到后端，使得车辆的平衡性和操作性都有所提高。后轮驱动的汽车牵引力
是由后轮发出，所以在加速转弯时会感到更大的横向握持力，操作性能变好。一
般高性能的跑车
和高端轿车大都采用后轮驱动。当然后轮驱动也有明显缺点，有
可能出现转向过度的问题，装配和制造成
本高，由于零部件较多，相对于前轮驱
动方式更易产生故障。
但两轮驱动的车辆（无论是前轮
驱动还是后轮驱动）即使在良好的路面上，
碰到湿滑路面还是有可能打滑，启动加速时也容易发生摆尾现
象。而四轮驱动就
可以防止这种现象发生。而且四轮驱动系统有着更优异的引擎驱动力应用效率，
有更好的轮胎牵引力与转向力，安全性高，行车更加稳定。所谓四轮驱动，在在
变速器后装有分动器可
将动力分别输送到所有车轮上；还装有轴间差速器，可有
效地避免车轮滑动。由于汽车前后轮都有动力，
发动机输出扭矩可按不同比例分
布在前后轮，所以汽车的行驶能力得以极大的提高。由于4轮驱动汽车可
以将汽
10
第2章 无人驾驶自动观光车硬件选取设计
车的全部
重量作为附着压力，从而使附着力显著增加，扩展了牵引力；而且由于
发动机的动力分别传至各个车轮，
使得轮胎的磨损均一，能有效延长轮胎使用寿
命，而且减少了每一个驱动轮的驱动力负担，能够保证在不
超过轮胎摩擦极限(不
发生车轮打滑)的情况下，将足够的动力传至路面，越野能力较强。但同时4轮<
br>全驱动型由于机械结构复杂，车身重，制造成本高，且维修费用高；噪音大，驱
动力传递效率较低
、油耗大，一般使用于越野车或高档豪华轿车。
2.1.2.3三轮驱动
此种运动方式使用
两个电动机，一个电动机作为动力（在前轮或通过后面的
差分轮），另一个电动机在前面作为方向控制。
其优势在于容易控制，可单独控
制驾驶方向和速度。但在不平的路面上行驶容易倾覆；机械结构有点复杂
（需要
后面有差速器来避免打滑，在前轮安装驱动轮和做方向盘的电机）
国内外大
多数电动汽车都采用单电机驱动，以单电机配合减速器和差速器
驱动车轮是电动汽车最常见的驱动方式，
这样可以直接借用现有内燃机汽车的
相应部件作改动，系统改动小，控制简单。而双电机驱动需两套逆变
器装置，
控制较为复杂，但由于取消了差速器（减速器可有可无），能有效减轻车身重量。
四电
机驱动由于采用了四个电机，也就需要四个逆变器，使得控制系统更加复
杂，但由此可消除减速器和差速
器，在国外的部分电动汽车也采用此类驱动方
式。
由于野生动物园的路况良好，路
面平坦，行使路线较短；车辆行驶速度均匀
而缓慢，几乎为额定负载行驶，考虑到普通无刷直流电机的承
载能力，我们拟使
用双电机，所以选择轴驱驱动方式，双前轮各安置一电机用以驱动，双后轮为万
向轮，虽存在牵引损失，但机械结构简单，价格低廉、易于维护，较适用于野生
动物园这一特定环境。
2.2 电动机的选取
电动机的选取
车辆的运行是需要驱动力
的，最为常见的是以燃料为动力（石油、天然气
等）的内燃机，其能效比较高，速度较快，但环境污染严
重；而以电能为动力
的电动机，虽然造价相对较高，驱动力也较弱，但对环境是“零污染”，故而现今开发研究较多。
电动机作为一种把电能转变为机械能的机械，俗称马达。其基本原理是利
用带电导体和磁场间的相互作用而把电能变为机械能，主要包括转子和定子两
部分结构。电动机的使用
和控制非常方便，能自起动、加速、制动、反转，可
11
成都理工大学硕士学位论文
以满足各种运行要求；且工作效率较高，
不污染环境，噪声也较小；提供的功
率范围大，可以从毫瓦级到万千瓦级。
2.2.1
电动机使用环境分析
野生动物园路面较为平坦宽阔，坡度起伏不大，一般不会出现路障，无须
急停或频繁起动。在这种情况下，无人驾驶观光车几乎不需快速启动、瞬间加
速、负载爬坡、频繁启动，
因此也就不需要较大的瞬时功率、快速的动态响应
等要求。
而且此无人驾驶观光车只在特定环
境下使用，其工作环境一般为晴朗的白
天，环境温度约在0°-35°C之间，不会在极端气候（大雪大
雨、极冷极热、
高湿高污染）下行驶。
另外考虑到作为观光用车，存在一个乘坐人数的问题。
由于目前电动汽车
还没有专用的电动机，只能选用通用电动机。而通用电动机都是恒定负载，电
动汽车的负载特性则是变负载，由于两者特性的不匹配将影响电动机输出性能。
此外，通用电动机的最大
效率点都是设计在额定点附近，而当负载偏离额定点
时，电机效率将会急剧下降，从而将影响车辆的续驶
里程。对于野生动物园而
言，只有节假日游客人数较多，若观光车设计承载人数较多，则在日常使用中<
br>将会出现大量的“空载”现象，浪费电机的输出。所以设计为微型轻便电动汽
车，只承载2-4人
。
2.2.2 电动机的类型
[10][23][24][34]
电动机的类型很多，按不同的分类方法可以分为多种不同类型。
最为简单的是按工作电源分类
，可以将电机分为直流电动机和交流电动机。
其中交流电动机还可以分为单相电动机和三相电动机。直流
电动机按结构及工作
原理又可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机两类。
而按照结构及工作
原理分，又可分为异步电动机和同步电动机。异步电机是
定子送入交流电，产生旋转磁场，转子受感应而
产生磁场，两磁场相互作用，使
转子跟着定子的旋转磁场而转动。由于转子比定子旋转磁场慢，有个转差
，不同
步，所以称为异步机。而同步电机的转子是人为加入直流电形成不变磁场，使得
转子与定
子旋转磁场同步旋转，所以称为同步电机。
按用途可将电动机分为驱动用电动机和控制用电动机。控制
用电动机又分为
步进电动机和伺服电动机等。
按起动与运行方式可将电动机分为电容起动式电
动机、电容盍式电动机、电
容起动运转式电动机和分相式电动机。
12
第2章 无人驾驶自动观光车硬件选取设计
此外，按转子结构分，电动机可
分为笼型感应电动机和绕线转子感应电动机。
按运转速度分，电动机可分为高速电动机、低速电动机、恒
速电动机、调速电动
机。
现在微型轻便电动汽车选用的电动机主要有以下几种：
2.2.2.1直流有刷电动机
直流有刷电机是最为传统的老式电动机，采用电励磁或永磁，
电路控制简
单、技术相对成熟，但由于在机械结构上有电刷和换向器，所以其运行可靠性
受到一
定影响。目前在电动汽车上的应用越来越少。
2.2.2.2异步电动机
异步电动机结构简
单，工作可靠、寿命长、成本低，维护简便。但调速性
能差，起动转矩小，过载能力不足。当电动车辆采
用直接驱动方式时，其转子
侧散热成为一个问题。
由于该种电动机结构简单、可靠性高，美国
的电动汽车普遍采用异步电动
机驱动，国内也有以此作电动汽车驱动电机的。但该电机控制复杂，易受电
机
参数及负载变化的影响。
2.2.2.3 步进电动机
步进电动机是一种将电脉
冲转化为角位移的执行元件，当步进驱动器接收
到一个脉冲信号，就会驱动步进电机按设定的方向转动一
个固定的角度(称为
“步距角”)，即步进电机的旋转是以固定的角度一步一步运行的，因此可以通过<
br>控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控
制脉冲频率来控制电
机转速和加速度，达到调速的目的。现今的步进电机已经
能提供每一步1.8°或0.9°的精确移动能
力，是工业移动控制应用最常见的电
机。
步进电机虽然也属于执行电动机，同样是将电信号转
变为机械信号，同样是
用脉冲串和方向信号实现电机控制。但步进电机的控制精度由步距角决定，精度<
br>终究有限。而且步进电机的输出力矩会随电机转速升高而下降，尤其在较高转速
时会急剧下降，力
矩输出不恒定。加之步进电机一般不具有过载能力，在选型时
往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正
常工作期间又不需要那么大的转矩，
也就会出现力矩浪费的现象。步进电机为开环控制，启动频率过高或
负载过大会
出现丢步或堵转的现象，而停止时若转速过高又容易出现过冲的现象。步进电机
从静
止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒，启动速度
较慢，不太适用于要求快
速启停的情况。
2.2.2.4 无刷直流电动机
[52][53]
无刷直流电动机是由同步电动机和驱动器组成，是一种机电一体化的产品。
13
成都理工大学硕士学位论文
同步电动机的定子绕组大多是做成三相对
称星形接法，与三相异步电机很接近。
转子上粘有已充磁的永磁体，电动机内装有位置传感器，用以检测
电机转子的
极性。驱动器则是由功率电子器件和集成电路等构成，既用于接受电动机的启
动、停
止、制动信号以控制电动机的运作；还接受位置传感器信号和正反转信
号，用来控制逆变桥各功率管的通
断，产生连续转矩；并接受速度指令和速度
反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。 <
br>无刷直流电机是在永磁同步电机的基础上发展而来，是电机的高端产品，
也是最为理想的电动车辆
驱动电机，与其它电机相比其主要优点为：电机有低
速大转矩特性，能够提供大的起动转矩，满足车辆加
速要求；过载能力强；调
速范围宽，可在任何转速下全功率运行，可省去汽车的机械变速器，；电机体积
小、重量轻、比功率大、能减轻车重、节省空间；无机械换向器，采用全封闭
式结构，防止尘土
进入电机内部，可靠性高；电机效率高，在轻载车况下，电
机能保持较高的效率，能有效利用稀少的电池
能量；因电机转子具有较高的永
久磁场，在汽车下坡或制动时电机可进入发电机状态，给电池充电；控制
系统
比异步电机简单。而且由于无刷直流电动机的励磁来自于永磁体，所以无需象
异步电机那样
需要从电网吸取励磁电流；另外由于转子中没有交变磁通，其转子
上既无铜耗又无铁耗，所以效率比同容
量的异步电动机高出约10%左右，
目前无刷直流电机的容量已可达400kW以上,在发达国家已经
开始大量应
用于家电业、手动工具、伺服系统、电动汽车、电瓶车等。
2.2.2.5
永磁同步电动机
永磁同步电机采用正弦波运行方式，转矩输出平稳，永磁体安装在转子侧，
省
掉了电刷和机械换向器；不采用起动绕组，但需相应的功率电力电子装置驱
动才可以运行。其良好的性能
得到电动汽车界的重视，日本电动车多采用此种
电机。而我国对此类电机研究较少。
2.2.3 电机选用分析
[24]
无人驾驶自动观光车使用的电动机要求
其可靠性高，低维护甚至免维护。直
流电机其控制回路简单，技术成熟，国内的部分电动汽车任在使用，
其考虑到其
换向器需要经常维护，所以这里不予考虑，而且从总的发展趋势看，直流电机终
究是
要被淘汰的。目前电动车中驱动系统大多数采用异步电机或永磁电机，也有
采用磁阻电机的。异步电机具
有统一的工业标准，易通用，制造成本低，可靠性
高，但是当电动车选用异步电机采用直接驱动方式时，
其转子侧散热问题较难解
决。而永磁无刷电机功率密度大、效率上高，尤其是永磁无刷直流电机作为方波
电机，转矩控制简单，功率密度相对较高，加之体积小、惯性低、响应快，非
常适应于电动汽车
的驱动系统。
14
第2章 无人驾驶自动观光车硬件选取设计
由于现在已生产成型的轻便电动汽车非常稀少，设计中没有相应的比照参
数，只能比照现有电动自行车与
电动摩托车等相关车辆参数作为参考，见表
2-1、表2-2、表2-3。
表2-1安卡特电动车技术参数表
[43]
车辆名称
座位数量
蓄电池数量
`电机功率
工作电压
外形尺寸（长×宽×高）（mm）
续驶里程（km）（平直路面20kmh）
最高车速（kmh）
最小转弯直径（m）
最大爬坡度
轴距（mm）
前轮（mm）
轮距
后轮（mm）
制动距离（V=20kmh时）
驻车坡度
整车重量（kg）
980
≤4m
20%
400
高尔夫球车
2座
6只
2.2kw
36V
2500×1200×1850
≥80
20
≤6.5
25%
1700
900
表 2-
2
-2
新光鸟大功率电动自行车（TDR28Z）技术参数
[44]
车辆名称
电机输出功率
电池规格
最大续驶里程（km）
最高车速（kmh）
电动自行车
350w 无刷
48v12Ah
≥60
40
表 2-
2
-3
凌鹰电动摩托车（JFQ50QD05）技术参数
[45]
15
成都理工大学硕士学位论文
车辆名称
电机输出功率
电池规格
最大续驶里程（km）
最高车速（kmh）
电动摩托车
500-1500w
48v20Ah
≥60
50
以成都市上
牌电瓶车为例，电机功率多为300-350w，6电池，3638v，12Ah。
车身自重约40kg
，载两人行驶速度一般可达15kmh，行驶里程不低于30km。
考虑到野生动物园观光电动车良好
的使用环境，可假设该车行驶速度为
7kmh左右，行驶里程不大于20km。车身自重小于100kg
，加上乘坐人员重量
200kg，整车总重小于300kg。由于为轴驱驱动，选用两个功率为600w
，12Ah
的永磁无刷直流电机就基本可满足要求。
2.3
电池选用
[10][25][26][27][28][46]
2.3.1
电池类型
电池为电动汽车提供动力，也是现阶段制约电动汽车发展的重要因素。电
动汽车要想
取得长效发展，就必须要开发出高效能的电池。而迄今为止高效电
池已经经过了数代发展：第1代是铅酸
电池，价格低廉、能高倍率放电，发展
至今已有100多年的历史了，是一种成熟的电动汽车蓄电池。它
可靠性好、原材
料易于取得、价格便宜；比功率基本能满足电动汽车的动力性要求。但比能量低，
体积大，一次充电行驶里程较短；而且使用寿命短，使用成本过高。
第2代是碱性电池，比能量和比
功率都比铅酸电池高，能提高电动汽车的
动力性能和驾驶里程，价格相对高昂。
而目前，越来
越多的研究人员开始选用锂电池作为电动汽车的动力电池，锂
电池具有工作电压高；比能量大；体积小，
质量轻；无记忆效应，可反复充电，
循环寿命长；自放电率低等明显优点，但现阶段成本高昂，难以应用
于电动汽车
上。
最新一代是燃料电池，是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反<
br>应直接转化为电能的发电装置，能直接将燃料的化学能转变为电能。由于无需
经历热机过程，不受
热力循环限制，所以能量转换效率高，理论上可达100％，
实际效率已能达到60％～80％，比能量
和比功率都高，是最理想的汽车用电池，
但目前尚处于研制阶段。
2.3.2
电池选用分析
[47]
16
第2章
无人驾驶自动观光车硬件选取设计
作为电动车所需电池应该具有高功率密度、高能量密度、高效率、低
价格、
长寿命等特性。而近几年常用的化学电池主要有：镍-铁电池、镍-镉电池、镍-
金属氢
化物电池、锂电池等。相比于传统的铅-酸电池，其性能己有极大提升，
但价格仍然相对高昂。
镍-镉电池、镍-氢电池都属于碱性电池。镍-镉电池是目前应用程度仅次于
铅酸蓄电池的电动汽车车
用电池，比能量、比功率高，可快速充电，能循环使
用。虽然成本较高，但使用寿命长，长期的综合使用
成本并不高。镍-氢蓄电池，
由于不含镉、铜等重金属，所以也就没有环境污染问题。由于价格高，目前
尚
未大批量生产。
铅酸电池虽然是现今较为成熟的电池技术，但使用寿命短是其致命“软肋”
。
大部分铅酸电池依照其设计，电池的循环使用寿命能达到一年半至两年，但大
多数电池半年后
就会出现老化现象。这主要是由于铅酸蓄电池的充放电过程是
电化学反应的过程，多次的充放电过程会产
生一种硫化现象，会使得电池容量
逐渐下降，直至无法使用，也就是常说的老化。而且当电池应用于电动
汽车这
种高频率充放电、大电流、长时使用、深度放电的环境下，更会加剧硫化现象
的发生。在
现有的技术水平下，铅酸蓄电池的短寿命问题尚且无法得到圆满解
决。
从控制车身重量以及使
用能效而言，电动车选择锂电池或镍氢电池是最为
合适的，但由于此类产品的价格现在仍然较为昂贵，从
成本角度考虑，现阶段
还是可以选择传统的铅酸电池作为驱动。可将8个铅酸蓄电池串并联为48v电<
br>池组使用。
2.4传感器选用
传感器选用
2.4.1
观光车传感系统应用分析
自动观光车是一种自动寻迹汽车，要求观光车沿一闭合环循环行进路。园区一般还会在行进路线上设定3-5个停车观光点，要求自动观光车到点能自动
停车。
野
生动物园作为一种半开放园区，会将动物放养区与道路分隔开来，所以
一般情况下观光车是不会在行进路
线上遇见动物障碍的。但考虑到可能出现的
极端意外状况，或许会有动物偶然出现于道路上，所以自动观
光车还是应该具
有遇障停车的功能。
2.4.2传感器选取
[48]
17
成都理工大学硕士学位论文
自动观光车要实现自动寻
迹功能和避障功能就需要感知道路上的行进路线
和障碍物。实现这种功能当然首选摄像头、雷达等能进行
图像采集和识别技术
的设备，但此方法价格高昂，还牵涉到图像采集，图象识别等诸多问题。因此
从成本、维护等角度出发，这里考虑选用技术成熟、价格便宜的传感器来实现
自动寻轨和遇障停车等功
能。
传感器作为一种检测装置，用以感受到被测量的信息，并将检测感受到
的信息，按一定规
律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信
息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要
求，是实现自动检测和自动
控制的首选装置。
由于观光车需自动寻迹，这里选择使用红外线传
感器。由于红外线传感器
测量时不与被测物体直接接触，不存在摩擦，故具有灵敏度高，响应快等优点。
而红外线传感器按光学系统结构不同可分为透射式和反射式两个大类。现今的
反射式红外线传感
器多为一体化的红外线发射、接收器件，内部包含红外线发
射、接收及信号放大与处理电路。由于红外线
反射型传感器内部采用了低功耗
器件和抗干扰电路，所以工作稳定可靠，性能优良。但需要注意的是，红
外线
反射型传感器的检测距离与工作电压密切相关，工作电压越高，红外线反射功
率越强，检测
距离就越远；反之，电压低，检测距离就相对较近。而且由于红
外线反射型传感器使用了调制技术和带补
偿的抗干扰器件，已经较好地解决了
抗干扰的问题。但须注意各种颜色对红外线的反射效率是不同的，所
以表现出
的检测距离也不一样。
在实际应用中，选用扩散反射型红外线传感器。只需在灰色的
水泥路面中
央铺设一条有一定宽度的黑色线条，由于扩散反射型红外线传感器的检测头里
装有一
个发光器和一个收光器，正常情况下发光器发出的光遇见黑色被大量吸
收，收光器接收不到信号，而当发
光器发出的光遇见浅灰色路面时，大部分光
被反射回来，收光器就收到光信号，则会输出一个开关信号。
考虑到园区道路一般较为平坦，起伏不大，车底盘与路面距离约为
20-30cm。通过大量筛
选比对，选择欧姆龙E3JK-DS30S3型。具体参数见表2-4。
表2-4
扩散反射型红外线传感器E3JK-DS30S3相关参数
检测距离
差动距离
光源（发光波长）
电源电压
消耗电流
300mm（白纸100x100mm）
检测距离的20%以下
红外线二极管（950nm）
DC 12~240V±10%脉动（P-P）10%以下
AC 24~240 V±10%5060Hz
DC：2W以下
AC：2W以下
18
第2章 无人驾驶自动观光车硬件选取设计
控制输出 DC
SSR 负公共端 DC48V 100mA以下
漏泄电流0.1mA以下
带负载短路保护
应答时间
使用环境照度
周围环境温度
周围环境湿度
绝缘电阻
冲击
保护结构
连接方式
质量
耐久
误操作
5ms以下
受光面照度 白炽灯：3000lx以下
动作时：-25～+55℃
保存是：-30～+70℃（不结露、不结冰）
动作时：45～8%5RH
保存是：35～95%RH（不结露）
20MΩ以上（DC500V兆欧表）
500ms X、Y、Z各方向3次
500ms X、Y、Z各方向3次
IEC规格IP64
导线引出式（标准导线长2m）
约250g
2
2
此外观光车还需遇障停车，这就需要考虑到两种不同的状况：一是道路
上
出现动物等障碍，尽管此类状况极为少见，但一旦出现，则需要远距离即刻停
车，以免伤害或
者惊扰动物；一种是在观光停车点，遇见前方有车，这时就需
要后车缓慢减速，尽可能的靠近前车后再停
车。这就需要自动观光车能实现两
大功能：辨识前方障碍类型；判断前方障碍距离。
判断距离
可以选择使用长距离超声波测距传感器。超声波是一种振动频率
高于声波的机械波（大于20000Hz
），由换能晶片在电压的激励下发生振动产
生，具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是指向性好、能
够定向传播等特
点。超声波对液体、固体的穿透能力很大，尤其在阳光不透明的固体中，它可
穿
透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，
碰到活动物体则能产生多普勒
效应。超声波作为一种非接触式的检测方式，能
量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，它不受光线、被
测对象颜色等因素的
影响，对恶劣的环境具有较强的适应能力。尤其是在空气中传播速度较慢，回
波信号中所包含的沿传播方向上的信息可以很容易的被检测出来，具有很高的
分辨力。而且超声波传感
器还具有结构简单、体积小、信号处理可靠等明显优
点。
考虑到观光车的使用环境，只有当障
碍物（车或者动物）出现在车辆行进
路线上时才需作障碍判断，所以无需检测车辆左右方与后方。因此在
观光车前
端设置左右两个超声波传感器即可。在车辆行驶时超声波发射器不断发射超声
波，遇到
障碍物后反射回来，超声波接受器接受到反射波信号，将其转变为电
信号，传入单片机，即可控制车辆下
一步行动。
19
成都理工大学硕士学位论文
由于超声波
传感器的制造技术现今已有了长足发展，10m、15m等长距离测
距超声波传感器已是常见产品。而观
光车行驶速度较慢（平均7kmh），遇障停
车所需制动距离最大也不会超过7-10m。选择15m的
超声波传感器已能够满足
需求。通过筛选，这里大致选取M306892超声波测距传感器（北京中西化
玻仪
器有限公司）
表2-5
M306892超声波测距传感器
量程范围
额定工作电压
模拟量输出
消耗电流或功率
可检物体
可配备输出方式
波束角
响应时间
工作环境温度
防护等级
绝缘电阻
精度
[54]
。其技术参数见表2-5。
15米
10-30V DC
4-20mA
直流 20mA、交流2W
透明或不透明体
300mA 300mA 2A 240VACDC
D:3～10° F:3～10°
100ms以下
－15℃ ～+70℃
ＩＥＣ IP67
50MΩ以上
重复性：±0.2% 最小
1.5mm；
分辨率：< 1mm
线性：< 1%
4-20mA
0-15m
显示表
而作为自动观光车，不仅需要判定前方有
无障碍物，还需要辨识前方障碍
物的类型。由于野生动物园是多辆观光车（十几辆车或几十辆车）沿一闭
环循
环行进，在行进路线上还会有若干个停车观光点以备乘客下车游览，在停车点
上就极可能会
遇见停行的前车，这种状况下单一使用超声波传感器就不适用了。
单片机还需要判断前方障碍物为车还是
动物，遇动物障碍需远距离停车，而遇
前车障碍则需近距离停车。
当然最为简单的方法，是在
前车尾端设置一反光板（也可填涂反光涂料），
在后车的前端放置一个反射型红外线传感器。后车的红外
线传感器不断向前方
发射信号，遇见前车尾端的反光板信号被反射回来，从而感知前方为车辆障碍。20
第2章 无人驾驶自动观光车硬件选取设计
与此同时，超声波测
距传感器也能感知到前方障碍。当单片机接收到红外线传
感器的信号，判定前方障碍为车辆后，发出指令
使电机减速，车轮速度从2档
高速降为1档低速，缓慢前进，同时借助超声波传感器发回的距离信号，实
时
判断本车与前车的距离，当与前车距离小于一定值（如小于2m）后，控制电机
停转，车辆缓
慢停止在前车后面。
反之，若后车的红外线传感器向前方发射信号没有被反射回来，而同时超
声波测距传感器又感知到前方有障碍，则表明前方障碍为动物。此时单片机仅
接收到超声波障碍信号而没
有接收到红外线障碍信号，则立刻发出指令要求电
机停转，车辆停止。然后可以发出低频声光信号，促使
动物离开行车路线，然
后车辆再继续行进。
这种方案简单易行，成本低，但有一大缺陷。因为
现有红外线传感器的指
向角都比较狭窄，一般不会大于20°，所以当行进路线出现一大的转角或拐点<
br>时，前车的反光板刚好与后车的红外传感器的发射方向平行，红外线传感器就
极可能无法感知前车
（见图2-1）。这时就可能出现一种特殊状况：超声波传感
器感知到前方障碍，而红外线传感器由于指
向角的狭窄无法感知前车，则单片
机就可能出现误判，以为前方是动物而非车辆，从而出现停车现象。
图2-1反射型红外线传感器寻障示意图
因此这里还是需附
加使用对射型红外线传感器，将发射端设置于前车车尾，
接收端设置于后车前端，当后车的红外线接收器
接收到前车尾端发出的红外线
信号后，单片机判断前方障碍为观光车而非动物，即可依据超声波测距传感
器
监测到的两车距离控制电机减速、停车，将两车距离控制在0.6至1米之间。
选用欧姆龙E
3JM-10M4(T)对射型红外线传感器。具体参数见表2-6。
表2-6
对射型红外线传感器E3JM-10M4(T)相关参数
21
成都理工大学硕士学位论文
检测距离
标准检测物体
指向角
光源（发光波长）
电源电压
消耗电流
控制输出
应答时间
使用环境照度
周围环境温度
周围环境湿度
绝缘电阻
冲击
保护结构
连接方式
质量
耐久
误操作
10m
Φ14.8mm以上不透明物体
投·受光器 各3～20
红外线二极管（950nm）
DC 12~240V±10%脉动（P-P）10%以下
AC 24~240 V±10%5060Hz
DC：3W以下
AC：3W以下
继电器输出：1c接点AC250V3A(cosΦ=1)以下
DC 5V 10mA以上
动作·复位 各30ms以下
受光面照度 白炽灯：3000lx以下
动作时：-25～+55℃
保存是：-30～+70℃（不结露、不结冰）
动作时：45～85%RH
保存是：35～95%RH（不结露）
20MΩ以上（DC500V兆欧表）
500ms X、Y、Z各方向3次
100ms X、Y、Z各方向3次
IEC规格IP66
导线引出式（标准导线长2m）
约270g
2
2
00
2.4.3传感器的放置位置
采用红外线传感器寻轨，需要预先在道路路面上铺设不同反光率
的反光条，
由于路面一般为水泥路面，故应在道路中心线处沿观光车行进路线铺设黑色线
条，一
般线宽20cm左右即可，行进的路线应该为一柔和曲线封闭环，且不能
出现交叉点。在每辆观光车前端
底面设置3个红外线传感器A、B、C，间距
15-20cm左右。B传感器位于黑色线中心，A、C传
感器位于黑色线两侧（见图
2-2）。检测3个传感器的状态变化就可实时监控行进路线是否准确。设定
当传
感器位于黑线范围内时传感器值为1。则传感器状态的变化将引发单片机产生
指令，引导观
光车产生动作，修正路线。由于行进路线为柔和曲线，不会出现
急弯或大的拐点，只要设定合理的检测频
率，就只会出现三种状态，见表2-7。
22
第2章
无人驾驶自动观光车硬件选取设计
图2-2 红外线传感器循轨方式示意图
另外，还需要在两个主动轮上分别安装一个对射型红外线传感器用以测速。
表2-7 传感器状态与车辆执行动作关系
传感器状况（A,B,C）
110
011
010
111
车辆行进状态
右偏
左偏
正常
车辆遇见停车线
执行动作
左轮减速，车辆左转
右轮减速，车辆右转
左右轮维持现有速度不变
车辆停止运行
而超声波传感器是用于检测障碍和确定距离的，由于一般情况下在行进路
线上遇见动物障碍的概率极低，
就算有也是缓慢行走状态或伏地休息状态，极
不可能出现快速奔跑状态，所以观光车只需检测前方有无障
碍物即可。我们可
在车头前方下端安装两个超声波传感器，间距50-70cm。
而判定前车
障碍类型，需附加使用对射型红外线传感器。由于选用的对射
型红外传感器其投、受光器的指向角小于2
0°，为扩大指向角，需多个传感器
组合使用。在前车尾端设计安置一小尺寸圆弧面，将3个红外线传感
器的投光
器分别安置于左、中、右，而在后车前端也设置一小尺寸圆弧面，将3个红外
线传感器
的受光器分别安置于左、中、右（见图2-3，图2-4）。
从实际使用性能出发，对射型红外线传感
器使用数量越多越佳，越能有效
扩大指向角，甚至可能达到180°，自然更有利于对前车的搜寻。但考
虑到经
济性，使用3个一组也就基本能满足实际的使用需求了。为了有效扩大指向角，
3个传感
器还应该安置于一个圆弧面上。3个传感器相互之间间距越小，其检测
死角也就越小，但指向角也相应变
窄；间距越大，其检测死角也就越大，但指
向角也变宽。在实际使用中应依据实际状况合理设置其间距。
23
成都理工大学硕士学位论文
图2-3 对射型红外线传感器寻障示意图
图2-4
对射型红外线传感器放置位置示意图
2.5 单片机选用
单片
机选用
机选用
2.5.1单片机选取分析
考虑到在户外使用单片机来控制车辆的
运行，对单片机的抗干扰性和应对
恶劣环境（温度和湿度等）适应性等有较高的要求，所以不能再选用传
统的
MCS-51系列的单片机。
无人驾驶观光车使用的是两个600w的电机，必须在控制
器控制下才能运转，
控制器性能的好坏直接影响电机的运转性能，而且观光车还至少需要安置8个传感器，以及报警喇叭与闪光灯等，其控制程序较为复杂。
而一般传统控制系统所采用的CPU主要
有三种：一是51系列8位单片机，
处理速度相对缓慢，功能简单，外围电路比较复杂；二是196系列
16位单片机，
24
第2章 无人驾驶自动观光车硬件选取设计
处理速度比较快，但内部外设模块不够丰富，所以外围电路仍然比较复杂，作为
16位的单片机，成本高
且货源稀少；三是240系列DSP，其处理速度快，内部
外设模块丰富，但价格昂贵。
而现
今还有一类AVR或者PIC系列的RISC指令系统8位单片机，这两种
单片机的片指令执行速度比5
1快、内资源丰富，成本低，组建最小系统的结构
简单、抗干扰能力强。而在相同频率下AVR的指令执
行速度还要比PIC快四倍
（比MCS-51快12倍），所以综合考虑器件成本、功能和使用对象等，
这里选
用Atmel公司出品的AVR系列的ATMEGA16单片机。
AVR单片机作为目
前最新的单片机系列之一，低功耗、速度高、片内硬件
资源丰富，是一种高性价比的单片机，特别适用于
电池供电、便携式以及电机驱
动等系统。该系列单片机以时钟周期为指令执行的基本时间单位，每个时钟
周期
可执行一条指令。时钟频率通常采用4MHz～8MHz，最短的指令执行时间为
250n
s～25ns。在12MHz频率下，指令吞吐量为12MIPS，是一般MCS-51单片
机速度的1
2倍。
[54]
但需注意的是AVR单片机指令系统与MCS-51单片机不同，
不过
由于AVR拥有的高速优势和大容量程序存储器，所以可以直接使用C语言
来设计控制程序，可以得到几
乎和汇编语言一样高的代码效率。
2.5.2 ATMEGA16单片机简介
2.5.2.1 ATMEGA16单片机产品特性：
可知ATmega16具有16K字节
的系统内可编程Flash，512字节EEPROM，1K
字节SRAM，32个通用IO口线，32
个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG
接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定
时器计数器(TC),
片内外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路1
0
位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)的ADC，具有片内振荡器的可编
程看门
狗定时器，一个SPI串行端口式。工作于空闲模式时CPU停止工作，而
USART、两线接口、AD
转换器、SRAM、TC、SPI端口以及中断系统继续工作；
掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功
能除了中断和硬件复位之外都停止工
作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基
准，而其
余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与
AD
C以外所有IO模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；Standby模式下
只有晶体或谐振振
荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极
少的电流，同时具有快速启动能力；扩展St
andby模式下允许振荡器和异步定
时器继续工作。
芯片以Atmel高密度非易失性存储器技术生产。片内ISP Flash允许程序
存储器通
过ISP串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR
25
成都理工大学硕士学位论文
内核之中的引导程序进行编程。通过将8位RISC CPU与系统内可编程的Flash
集成
在一个芯片内，ATmega16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制
应用提供了灵活而低成
本的解决方案。
ATmega16具有整套的编程与系统开发工具，包括：C语言编译器、宏汇编、<
br>程序调试器软件仿真器、仿真器及评估板。
2.5.2.2
ATMEGA16单片机引脚说明（图2-5）
图2-5 ATMEGA16单片机引脚
端口A(PA7..PA0)、端口B(PB7..PB0)、端口C(PC7.
.PC0)、端口D(PD7..PD0)
都是8位双向IO口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓
冲器具有对称的
驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，
端
口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，
端口处于高阻状态。端口A也
可做为AD转换器的模拟输入端。端口B、端口C、
端口D也可以用做其他不同的特殊功能。
VCC 数字电路的电源
GND 地
RESET 复位输入引脚。
XTAL1 反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。
XTAL2
反向振荡放大器的输出端。
AVCC 是端口A与AD转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直
接与VCC
连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。
26
第2章 无人驾驶自动观光车硬件选取设计
AREF
AD的模拟基准输入引脚。
2.6电路设计
电路设计
2.6.1单片机电路（见图2-6）
图2-6
ATMEGA16单片机电路图
端口A作为8位双向IO口，用于接收6个红外线传感器的
信号，3个用
于反射型红外线传感器路面寻轨（循迹1～3），3个用于对射型红外线传感器搜
寻、接收前车信号（前方探测1A～3A）。这里要强调，前车的红外线发射器的
发射端是无需MCU处
理的（前方探测1B～3B）。而由于端口A没有做为AD转
换器的模拟输入端，所以将AVCC引脚直
接与VCC连接。
端口B的引脚PB0、PB1可作为外部计数器使用，这里用于接收两个对射型红外线传感器对两个主动轮的测速信息。引脚PB2、PB3连接多路复用器
CD4052BCM。
端口C作为8位双向IO口，外接电机驱动芯片ULN2803A，用于驱动电机。
端口D的
引脚PD0、PD1连接多路复用器CD4052BCM，以PD0（是USART的
27
成都理工大学硕士学位论文
数据接收引脚）接受超声波传入的距离信
息。引脚PD4接收观光车座位下的触
点开关发出的信号。
2.6.2
电机电路（见图2-7）
由于观光车采用的是双电机驱动，功率较大，依靠单片机是无法直接驱动的，所以需要加用一个大功率驱动器来控制电机。这里选用一种NPN型的8达
林顿阵列型ULN2
803A驱动器，其集电极发射极电压可达50V，完全满足设计要
求。
图2-7 大功率驱动器ULN2803A电路
由于观光车行驶速度缓慢，一般为
2-3ms左右，只需电机停转，依靠地面
摩擦就足以短距离停车，所以无须紧急刹车。但考虑到两个主
动轮需要依靠调
速转弯，所以每个电机需要3个控制功能：高速（3ms左右）、低速（1ms左
右）、停止。ULN2803A大功率驱动器有8个输出控制，足以满足两个主动轮双
电机所需的6个
控制。
2.6.3 超声波传感器电路（见图2-8）
观光车前端设置有两个长距离超声波
测距传感器，以固定频率向外发射超
声波，遇见前方障碍后接受反射回来的超声波信号，判断距离并传入
给单片机，
以判定车辆的下一步动作。
28
第2章
无人驾驶自动观光车硬件选取设计
29
成都理工大学硕士学位论文
图2-10 CD4052BCM连接图
2.6.4
触点开关电路（图2-11）
观光车设计为前后排双人长条座位，可乘坐4人。在前排座位下设置一弹
簧触点开关，当人乘坐以后，座椅下压触发开关，单片机收到信号，初始化，
启动电机车辆开始
运行。
30
第3章 无人驾驶自动观光车软件设计
第3章
无人驾驶自动观光车
无人驾驶
自动观光车软件设计
自动观光车
软件设计
软件设计
前面的几个章节我们从理论上讨论了观光车的硬件选用设计，本章简要阐述
一下无人驾驶自动观光车的软件设计。
3.1 程序设计要求
程序设计要求
若干辆无人驾驶自动观光车在园区沿一封闭路线依次循环前行。要求行
进
路线应该是柔和环线，无拐角与大的弯角，路线无交叉，在环线上会设定若干
个停车点。路面
中央铺设一条黑色线条，用于车辆寻轨。在停车点处铺设一条
与路中央黑色线条成90
0
的黑色停车线。
当观光车上乘坐有游客后，座位受压，座椅下面的弹簧触点开关被触发，
单
片机接收到触点开关输入的信号，控制电机启动，车辆运行。
运行过程中，单片机不断读取3个寻迹红
外线传感器的状态信号，控制两
个电机以高、低两级不同的速度运转，使观光车不断左右转向以修正路线
，始
终能沿路面黑色线条前进。
同时单片机还不断读取长距离超声波测距传感器和前车障碍判
断红外线传
感器的状态信号，由于超声波传感器的检测距离（15m）大于红外线传感器的检
测
距离（10m），从理论而言应该是超声波首先检测到前方障碍。这是单片机会
有一个延时，约1.5秒
左右，等待红外线传感器的状态信号。若在延时以内，
红外线传感器没有检测到前车发出的红外线信号，
单片机则将前方障碍判定为
动物，立刻控制电机停转，观光车停止运行；若在延时以内，红外线传感器检
测到前车发出的红外线信号，单片机则将前方障碍判定为车辆，则控制电机由
高速转为低速，只
有当超声波传感器输入的距离信号小于某一定值（如2m）以
后，单片机才会控制电机停转，观光车停止
运行。
当到达停车点以后，遇见路面上的黑色停车线，3个寻迹红外传感器状态
同时变化，单
片机控制车辆停止运行，游客下车游玩。若停车点已经停有车辆，
则由于前方有车，观光车尚未到达停车
点就会依次排队停车等候，游客也可下
车游玩。当前方车辆依序前移，而本车尚未乘坐游客，则由单片机
控制车辆以
低速前移，直至与前车的距离小于一定值后停行或遇停车线停行。而当本车坐
满游客
后，检测到前方没有障碍后，忽略停车线，车辆前进。
这里需要特别说明的是，程
序的设计本身难度并不大，但设计中需要大量
的相关参数，如单片机对传感器的检测频率、单片机给出控
制指令所需的应答
31
成都理工大学硕士学位论文
时间、
延时的时长、前后两车距离定值的设定等等，还包括路面状况、使用环
境等相关参数。而由于资金所限，
无法做出观光车样机，不能进行模拟试验，
无法取得相关参数，也就无法完成整套设计程序，所以这里只
能给出主程序的
大体框架结构，说明一下程序的设计构想。
3.2 程序流程图
程序流程图
3.2.1 车辆启动程序流程图
图3-1
车辆启动程序流程图
3.2.2 中途遇障停车程序流程图
32
第3章 无人驾驶自动观光车软件设计
图3-2
中途遇障停车程序流程图
3.2.3 车辆靠近停车点时程序流程图
图3-3 车辆靠近停车点时程序流程图
33
成都理工大学硕士学位论文
3.3主体程序框架
This program was produced by the CodeWizardAVR
V1.25.8 Professional
Automatic Program
Generator
Copyright 1998-2007 Pavel Haiduc, HP
InfoTech s.r.l.
http:
Project :
Version :
Date : 2009-01-30
Author
: F4CG
Company :
F4CG
Comments:
Chip type : ATmega16L
Program type : Application
Clock
frequency : 7.372800 MHz
Memory model
: Small
External SRAM size : 0
Data Stack
size : 256
*******************************
**********************
#include
Standard InputOutput
functions
#include
Declare
your global variables here
#define
NOR_LINE 1 常规路线径迹标识
#define STP_LINE 2
停车线标识
#define FAST 0 车辆速度控制标识
34
第3章 无人驾驶自动观光车软件设计
#define
SLOW 1
#define STOP 2
#define LEFT 0 车辆转弯控制标识
#define
RIGHT 1
#define BLOCK 0 有障碍标识
#define NOBLK 1 无障碍标识
#define
UNK 0 前方障碍为未知物体
#define CAR 1
前方障碍为车辆
#define EMT 0 乘客未满
#define FUL 1 乘客已满
interrupt [TIM2_OVF] void timer2_ovf_isr(void)
T2中断，每秒中断大约
120次，用于巡线操作
{
ROT_STS=Line_detect(); 检测车辆偏离状态
Rotation(ROT_STS); 转弯控制
}
unsigned char Line_detect(void) 巡线偏离状态检测函数
{
}
unsigned
char Block_detect(void) 路线障碍检测（超声波传感器测距）
{
}
unsigned char
Block_define(void) 路线障碍识别（红外线传感器识别）
{
}
35
成都理工大学硕士学位论文
void
Rotation(unsigned char ) 车辆转弯控制函数
{
}
unsigned char
Line_STS(void) 路径状态检查
{
}
void Dist_Adjust(void) 距离校正函数
{
}
void MotorControl(unsigned
CtrlWord) 车辆速度控制函数
{
}
unsigned char
User_STS(void) 乘客状态检测
{
}
void main(void)
{
Declare your local variables here
unsigned
char ROT_STS,转弯状态参数
LIN_STS,线路状态参数
SPD_STS,速度状态参数
BLK_STS,障碍状态参数
SIT_STS,乘客状态参数
BLK_TYP;障碍类型参数
unsigned int D;测量距离参数，单位：厘米
InputOutput
Ports initialization
Port A initialization
Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In
Func2=In Func1=In
Func0=In
State7=T
State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T
State1=T
State0=T
36
第3章
无人驾驶自动观光车软件设计
PORTA=0x00;
DDRA=0x00;
Port B initialization
Func7=In Func6=In
Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=Out
Func0=Out
State7=T State6=T State5=T
State4=T State3=T State2=T State1=0
State0=0
PORTB=0x00;
DDRB=0x03;
Port C
initialization
Func7=Out Func6=Out Func5=Out
Func4=Out Func3=Out Func2=Out Func1=Out
Func0=Out
State7=0 State6=0 State5=0
State4=0 State3=0 State2=0 State1=0
State0=0
PORTC=0x00;
DDRC=0xFF;
Port D
initialization
Func7=In Func6=In Func5=In
Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In
Func0=In
State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T
State2=T State1=T
State0=T
PORTD=0x00;
DDRD=0x00;
TimerCounter 0
initialization
Clock source: System Clock
Clock value: Timer 0 Stopped
Mode:
Normal top=FFh
OC0 output: Disconnected
TCCR0=0x00;
TCNT0=0x00;
OCR0=0x00;
37
成都理工大学硕士学位论文
TimerCounter 1 initialization
Clock source:
System Clock
Clock value: Timer 1 Stopped
Mode: Normal top=FFFFh
OC1A output:
Discon.
OC1B output: Discon.
Noise
Canceler: Off
Input Capture on Falling Edge
Timer 1 Overflow Interrupt: Off
Input
Capture Interrupt: Off
Compare A Match
Interrupt: Off
Compare B Match Interrupt: Off
TCCR1A=0x00;
TCCR1B=0x00;
TCNT1H=0x00;
TCNT1L=0x00;
ICR1H=0x00;
ICR1L=0x00;
OCR1AH=0x00;
OCR1AL=0x00;
OCR1BH=0x00;
OCR1BL=0x00;
TimerCounter 2
initialization
Clock source: Xtal1
Clock
value: PCK2256
Mode: Normal top=FFh
OC2
output: Disconnected
ASSR=0x00;
TCCR2=0x06;
TCNT2=0x00;
OCR2=0x00;
External Interrupt(s) initialization
INT0: Off
INT1: Off
38
第3章 无人驾驶自动观光车软件设计
INT2: Off
MCUCR=0x00;
MCUCSR=0x00;
Timer(s)Counter(s) Interrupt(s) initialization
TIMSK=0x00;
USART initialization
Communication Parameters: 8 Data, 1 Stop, No
Parity
USART Receiver: On
USART
Transmitter: On
USART Mode: Asynchronous
USART Baud Rate: 9600
UCSRA=0x00;
UCSRB=0x18;
UCSRC=0x86;
UBRRH=0x00;
UBRRL=0x2F;
Analog Comparator
initialization
Analog Comparator: Off
Analog Comparator Input Capture by TimerCounter 1:
Off
ACSR=0x80;
SFIOR=0x00;
while (1)
{
LIN_STS=Line_STS();检测线路状态
if(LIN_STS==NOR_LINE)如果在普通路线上
{
MotorControl(FAST); 车辆全速前进
BLK_STS=Block_detect(&D);障碍检测（测距操作）
while(BLK_STS==BLOCK) 直到障碍消失时才能继续前进
{
39
成都理工大学硕士学位论文
MotorControl(SLOW); 检测到障碍，减速
BLK_STS=Block_detect(&D);障碍检测
if(D
BLK_TYP=lock_define();监测障碍类型
if(BLK_TYP==UNK)如果为未知障碍类型，停车
并发出警告
{
Alarm();
MotorControl(STOP);
}
else
如果为车辆，停车，不发出警告
{
MotorControl(STOP);
}
}
MotorControl(FAST); 车辆全速前进
LIN_STS=Line_STS(); 监测路线状态
}
if(LIN_STS==STP_LINE)如果进入停车线范围
{
delay_ms(60000);等待1分钟（可更改）
while(LIN_STS==STP_LINE)
如果在停车线范围内，做距离
校正动作
{
Dist_Adjust();距离校正
LIN_STS=Line_STS();
监测路线状态
}
MotorControl(STOP); 如果越过停车线范围，停车等待乘
客
SIT_STS=User_STS(); 检测乘客状态
while(SIT_STS==EMT) 如果乘客未满
{
SIT_STS=User_STS();
检测乘客状态
}
delay_ms(10000);延时10秒
40
第3章
无人驾驶自动观光车软件设计
MotorControl(FAST); 全速启动
}
};
}
41
成都理工大学硕士学位论文
第4章
无人驾驶自动
无人驾驶
自动观光车外观设计
自动
观光车外观设计
观光车外观设计
4.1
车身材料分析及选取
[48][49][50][51]
观光车由于是采用电池驱动
，且车速缓慢，没有外在撞击危险，从节省能耗、
提高行驶里程的角度出发，自然希望车身总重量越轻越
好，在蓄电池总能量一定
的情况下，车身越轻，装载的重量自然也就越大。电机、车轮、电池等是标件，
而且考虑到安全需求，不能对其减重。所以要想减轻车身重量，最佳方法就是合
理选取汽车外壳
的材料。
现今的汽车车身外壳绝大部分采用的是金属材料，主要为钢板。常见的有镀
锌薄钢板
、低碳钢版、高强度钢板等。镀锌钢板是从20世纪70年代就开始用于
轿车车身，具有良好的抗腐蚀能
力，其寿命比普通钢板长几倍甚至十几倍。现今
轿车使用的镀锌钢板厚度从0.5至3.0毫米，车身复
盖件多用0.6至0.8毫米的
镀锌钢板。而低碳钢板则具有极佳的塑性加工性能，易于拼焊，有足够的
强度和
刚度，从而广泛用于汽车制造。高强度钢板抗则由于其抗拉强度大，具有高强度
和延塑性
好的特点，能在减薄厚度的情况下保持车身机械性能要求，从而减轻车
身重量，一般用于需高强度、高抗
碰撞吸收能、成形要求严格的零件，随着成型
技术的进步，高强度钢板也逐步开始被用于制作汽车的内外
板件上。现在许多中
高档轿车都采用高强度钢板。
另外，近年来中高档汽车上也开始使用铝材
做车身部件，因为采用铝质车身
可以比同样的钢质车身轻约40％。此外铝合金材料由于具有质量轻、节
能、散
热好、耐腐蚀、高硬度等优点，在高端车上也有所应用。但是，铝材的加工成本
高，且冲
压及焊接技术要求特殊，一般厂家尚且无法做到的。因此除了个别轿车
车身全部用铝合金材外，大部分轿
车还是局部零部件是用铝合金，而且现在还出
现一种新型材料，称为“泡沫金属”，是上世纪90年代末
才出现的新型材料，
主要是指泡沫铝合金，由粉末合金制成。一般情况下，粉末合金是用粉末压制成形，或用金属粉末及塑料的混合物注射模制成形，除掉分型剂及增塑剂之后，将
压制的坯件烧结（一
种温度在1000℃左右的热处理方式)，使其具有一定的特性。
泡沫铝合金密度小，当承受较大外力能
变形压缩，而当外力撤除后，可凭借自身
弹性恢复原形状。这种变形可历经多次而不损坏。“泡沫金属”
的重量轻，密度
尚不及铝合金材的14，而热膨胀系数与铝合金材料相当，热导率又相当低，加
上它又具有一定的强度，因此受到现今汽车制造业的重视。
当然，现今在汽车车身制造上，还有一些非金属材料可以选取，如玻璃钢、
42