567_大學生方程式賽車設計（總體設計）

567_大學生方程式賽車設計（總體設計）,大學生,方程式賽車,設計,總體,整體 液壓機械傳動系統(tǒng)雙流工況動態(tài)特性研究 摘要：研究液壓機械傳動系統(tǒng)的動態(tài)性能。根據(jù)功率鍵合圖規(guī)則，建立二段式液壓機械雙流無級傳動裝置雙流傳動工況的鍵合圖模型，并以慣性元的廣義動量和容性元的廣義位移作為狀態(tài)變量，推導出系統(tǒng)的狀態(tài)方程。根據(jù)鍵合圖模型，分析了該無級傳動系統(tǒng)的動態(tài)響應特性，分別得到負載、輸入轉(zhuǎn)速和斜盤擺角變化時，系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)主油壓的響應曲線，同時分析了液容變化對系統(tǒng)響應速度的影響。分析結果表明，該系統(tǒng)動態(tài)響應達到穩(wěn)定的時間為0.5s，當液容增大時，達到穩(wěn)定的時間將延長。 關鍵詞：液壓機械無級傳動；鍵合圖；動態(tài)仿真 一、簡介 液壓傳動與機械傳動復合構成了液壓機械雙流無級傳動。液壓傳動部分的輸出轉(zhuǎn)速與機械傳動部分的輸出轉(zhuǎn)速通過差速裝置匯流后輸出，當變排量液壓元件的排量變化時，就可獲得連續(xù)變化的輸出轉(zhuǎn)速。液壓機械傳動作為一種無級變速傳動形式，已應用在軍用車輛的直駛和轉(zhuǎn)向上。但目前對液壓機械無級傳動的研究還主要停留在結構設計和靜態(tài)特性上。通過功率鍵合圖理論的應用，我們建立了一個兩范圍液壓機械傳輸系統(tǒng)的鍵合圖模型，并模擬了其動態(tài)特性。 二、液壓機械傳動系統(tǒng)模型 1、液壓機械傳動系統(tǒng)結構 研究的二段式液壓機械雙流無級傳動系統(tǒng)的結構簡圖如圖1所示，該系統(tǒng)由3個制動器、4個行星排、1個變排量液壓元件和1個定排量液壓元件組成。制動器CL制動、制動器CH和CR分離時，行星排P2和P3工作，為液壓機械雙流傳動工況。此時，由齒輪z1輸入的功率經(jīng)齒輪z21和z22分流后，一路功率經(jīng)齒輪z3給液壓傳動部分，一路經(jīng)齒輪z4給機械傳動部分，最后兩路功率在P2行星排匯流后，經(jīng)齒輪z5，z6和z7輸出。 圖1 液壓機械無極傳動系統(tǒng)簡圖 2、系統(tǒng)建模 通過分析圖1所示的液壓機械傳動系統(tǒng)的功率流程，并根據(jù)鍵合圖規(guī)則，建立了該系統(tǒng)雙流傳動工況的鍵合圖模型。通過分析圖1所示的液壓機械傳動系統(tǒng)的功率流程，并根據(jù)鍵合圖規(guī)則，建立了該系統(tǒng)雙流傳動工況的鍵合圖模型。如圖2所示，圖中對所有的鍵進行了編號，不同鍵上的變量用相應鍵的編號作為下標進行區(qū)分，例如標號為25的鍵上的勢變量和流變量可表示為e25和f25。 鍵合圖中各符號定義如下：n0為動力源，可看作一個流源，向系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)速；Tb 為負載，可看作一個勢源，向系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)矩；pdl為補償系統(tǒng)，此處為一個勢源，用以保持液壓回路中低壓油路壓力恒定；i0為齒輪z1到z21的傳動比；ijz為機械路傳動比；ip為齒輪z22到z3的傳動比；ihz為機械路匯流傳動比；ihy為液壓路匯流傳動比；ib為齒輪z5到z7的傳動比；MTF1為變排量液壓元件，此處用可變回轉(zhuǎn)器表示，回轉(zhuǎn)器模數(shù)由信號發(fā)生器參數(shù)qp給定；qm，qm1為定排量液壓元件變換系數(shù)，且qmqm1=1；1結點為共流結，流變量相等；0結點為共勢結, 勢變量相等。 圖2 液壓機械無極傳動系統(tǒng)鍵合圖模型 L0為輸入軸粘性摩擦系數(shù)(單位: N·s·m-1)；Lfp為阻礙變量液壓元件轉(zhuǎn)動的粘性摩擦系數(shù)；Lfm為阻礙定量液壓元件轉(zhuǎn)動的粘性摩擦系數(shù)；Lb 為輸出軸粘性摩擦系數(shù)；Rgl為高壓油路中油液的泄漏液阻(單位: N·s·m-5)；Rdl為低壓油路中油液的泄漏液阻；Rp為變量液壓元件的泄漏液阻；Rm為定量液壓元件的泄漏液阻；Ljz1為機械路傳動比主動部分軸系粘性摩擦系數(shù)；Ljz2為機械路傳動比被動部分軸系粘性摩擦系數(shù)；Ljz3為匯流軸系粘性摩擦系數(shù)；C0為輸入軸柔度系數(shù)( 單位: m·N-1)；Cb為輸出軸柔度系數(shù)；Cp為變量液壓元件內(nèi)部油液的液容(單位: m5·N-1)；Cm為定量液壓元件內(nèi)部油液的液容；Cjz1為機械路傳動比主動部分軸系的柔度系數(shù)；Cjz2為機械路傳動比被動部分軸系的柔度系數(shù)；I0為輸入軸轉(zhuǎn)動慣量；Ip為變量液壓元件的轉(zhuǎn)動慣量；Im為定量液壓元件的轉(zhuǎn)動慣量；Ib為輸出軸轉(zhuǎn)動慣量；Ig1為高壓油路中油液的液感(單位: N·s·m-5) ；Idl為低壓油路中油液的液感；Ijz1為機械路傳動比主動部分軸系的轉(zhuǎn)動慣量；Ijz2為機械路傳動比被動部分軸系的轉(zhuǎn)動慣量；Ijz3為匯流軸系的轉(zhuǎn)動慣量。 3、系統(tǒng)狀態(tài)方程 應用鍵合圖法進行系統(tǒng)動態(tài)特性分析，就是根據(jù)所建立的系統(tǒng)鍵合圖模型，合理地選擇系統(tǒng)狀態(tài)變量，建立系統(tǒng)狀態(tài)方程。一般取慣性元件的廣義動 量p和容性元件的廣義位移q作為系統(tǒng)的狀態(tài)變量[5~10]。 按照優(yōu)先積分因果關系的原則進行鍵合圖因果關系的標注時，有時系統(tǒng)鍵合圖部分儲能元件具有微分因果關系，在這種情況下，系統(tǒng)狀態(tài)變量的個數(shù)等于具有積分因果關系儲能元件的個數(shù)。具有微分因果關系儲能元件的能量變量，依賴于系統(tǒng)的狀態(tài)變量，為非獨立變量。在列這種類型的鍵合圖的狀態(tài)方程時會產(chǎn)生代數(shù)環(huán)問題，建立的液壓機械無級傳動系統(tǒng)鍵合圖模型即為這類模型。在圖2中，慣性元I0, Ijz2和Im上的能量變量即為微分因果關系。解決的辦法是用有關的狀態(tài)變量表示微分因果關系儲能元件的廣義動量和廣義位移，將所得的表達式對時間求一階導數(shù)。由此可解得慣性元I0, Ijz2和Im的變量表達式為： (1) (2) (3) 這樣, 系統(tǒng)的狀態(tài)變量就只有12個，q2(t)，q9(t)，p11(t)，q18(t)，p20(t)，p27(t)，q31(t)，p34(t)，q37(t)，p43(t)，q55(t)，p58(t)。 該系統(tǒng)的輸入向量: U=[n0pdlTb]T。根據(jù)鍵合圖反映的系統(tǒng)的結構特性，將 各狀態(tài)變量的微分寫成各狀態(tài)變量和輸入變量的函數(shù)關系，經(jīng)推導整理后，可得到下列12階狀態(tài)方程： (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13) (14) (15) 式中，；；。 三、動態(tài)仿真 將已知的液壓機械無級傳動系統(tǒng)的結構參數(shù)和計算參數(shù)帶入上述狀態(tài)方程，并應用仿真軟件在計算機上進行動態(tài)仿真。仿真時，首先為系統(tǒng)賦初值，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，再施加激勵，記錄此時系統(tǒng)的動態(tài)響應結果。圖3至圖8是系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速和泵馬達系統(tǒng)主油壓在不同激勵狀態(tài)下的響應曲線。 圖3 系統(tǒng)的階躍響應A 圖3是負載躍變時輸出轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)主油壓的階躍響應曲線，油壓響應的上升時間為22ms，調(diào)節(jié)時間為445ms，超調(diào)量為86%。 圖4 系統(tǒng)的階躍響應B 圖4是輸入轉(zhuǎn)速躍變時輸出轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)主油壓的階躍響應曲線，輸出轉(zhuǎn)速響應的上升時間為17ms，調(diào)節(jié)時間為479ms，超調(diào)量為65%。 圖5 角擺動板改變的系統(tǒng)斜坡響應 圖5是變量泵斜盤擺角斜坡激勵時的一族響應曲線，斜盤擺角由0到最大值(相對變化率E取值為0～1)的上升斜率分別取50，20，8，4(對應斜坡上升時間分別為0.04，0.10，0.25，0.50s)，輸出轉(zhuǎn)速響應的上升時間分別為43，108，255，505ms，超調(diào)量分別為47%，12%，4%，2%。 圖6 系統(tǒng)的階躍響應C 圖6是斜盤擺角階躍變化時輸出轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)主油壓的響應曲線，輸出轉(zhuǎn)速響應曲線的上升時間為22ms，調(diào)節(jié)時間為420ms，超調(diào)量為73%。 作者建立的液壓機械無級傳動系統(tǒng)鍵合圖模型是一個線性系統(tǒng)，仿真結果表明系統(tǒng)響應速度較快，穩(wěn)定性好，但階躍響應的超調(diào)量較大。在斜坡輸入狀態(tài)下，斜率大于8(斜盤擺角從0到最大值變化的時間不小于0.25s)時，系統(tǒng)的超調(diào)量不超過5%，系統(tǒng)過渡過程接近穩(wěn)定狀態(tài)。 圖7 系統(tǒng)的斜坡響應B 圖8 系統(tǒng)的階躍響應D 圖3～圖6所示的仿真結果，是在圖2所示模型中的液容Cm和Cp 取0.0085時得到的，當其他條件不變，Cm和Cp 取0.0850時，可得到圖7和圖8所示的響應曲線。圖7為斜盤斜坡激勵時的轉(zhuǎn)速和壓力響應曲線，輸出轉(zhuǎn)速響應的上升時間分別為87，121，204，519ms，超調(diào)量分別為52%，38%，11%，5%。圖8是斜盤階躍激勵時轉(zhuǎn)速和壓力的響應曲線，輸出轉(zhuǎn)速響應的上升時間為68ms，超調(diào)量為57%。與圖5，圖6所示仿真結果相比，當液容增大時，系統(tǒng)的響應速度變慢，達到穩(wěn)定所需的時間也延長，但響應的振蕩次數(shù)減少，壓力的波動量也減小。斜坡響應的超調(diào)量有所增大，階躍響應的超調(diào)量有所減小。 四、結論 根據(jù)鍵合圖規(guī)則建立了二段式液壓機械無級傳動系統(tǒng)雙流傳動工況的鍵合圖模型，該模型可用于分析系統(tǒng)的動態(tài)特性。 當變量泵的排量為某一個定值時，所研究的系統(tǒng)簡化為一個線性定常系統(tǒng)；當變量泵的排量隨時間變化時，系統(tǒng)是一個線性時變系統(tǒng)；斜坡輸入的斜率取8時，系統(tǒng)的過渡過程接近平穩(wěn)。 系統(tǒng)的液容取值影響系統(tǒng)的動態(tài)響應性能，可對液容的影響以及液阻的影響進行深一步研究。 參考文獻 [1] Liu X. 車輛傳動系統(tǒng)分析[M]. 北京:National Defense Industry Press, 1998 :255-310. 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Journal of Franklin Institute, 2000, 337:579-600. 摘要——MCM基板的生產(chǎn)成本顯著減少，是通過將基板層從傳統(tǒng)的四到五層（電源，接地，X信號，Y信號，墊）減少到二至三層實現(xiàn)的。除了減少直接處理步驟外，消除有缺陷的生產(chǎn)操作也使產(chǎn)量得到增加。 本文介紹了互聯(lián)網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)（IMPS），一個新的互連拓撲結構。它是利用精細光刻線的生產(chǎn)技術，生產(chǎn)出允許電源平面和地分布，以及密集的信號互連，布置在兩個金屬層的基板上。本文還對MCM-D和MCM-L中拓撲的幾個可能的實施進行了說明。 對測試媒介的信號傳輸以及配電IMPS的拓撲特點的設計進行了討論。試驗媒介已經(jīng)在HiDEC裝入到了硅工藝開發(fā)所使用的鋁聚酰亞胺化合物中。各種信號/電源/接地配置的信號傳輸測量結果（阻抗，延遲和串擾）會被呈現(xiàn)出來。 與固態(tài)功率、接地層的測試介質(zhì)相比較后，電源分布特征（直流下降和交流噪音）被顯現(xiàn)出來。 從測試媒介的測量特點，適用性（時鐘頻率，功率等）來看，測試媒介已被確定為IMPS拓撲。而啟用IMPS來降低基板成本，可以使大多數(shù)MCM的應用從中受益。 關鍵詞——多晶片模塊，降低成本，功率分配，去耦，交指型晶體管，網(wǎng)格位面 1、引言 為了達到計劃的經(jīng)濟規(guī)模，除了生產(chǎn)大面板格式的MCM基板以外，降低基板成本最可靠的方法就是減少制造過程中的步驟。盡管減少材料成本和調(diào)整工藝可以起到一定的作用，但是通過消除基片層的方式可以獲得更大幅度的成本降低。雖然一些簡單的MCM基板已經(jīng)由一層或兩層金屬層來制作，但是幾乎所有的MCM-D都還需要四層或五層的基板層：電源平面，地面平面，X信號，Y信號，有點還需要一個襯墊層。這種拓撲結構是印刷電路板結構設計的自然延伸。不幸的是，對于大多數(shù)MCM-D而言，每一個金屬層的成本大致是相同的，無論是一個純金屬平面或者是需要300cm/cm2布線能力的布線層；這是由于沉積和光刻技術造成的。此外，比起按順序鉆布線板通孔的工作，批量處理的生產(chǎn)方法至今沒有在MCM-D和一些MCM-L的生產(chǎn)上得到應用。 圖1. IMPS拓撲的推導 2、IMPS拓撲 互聯(lián)網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)（IMPS），是一種新的系統(tǒng)拓撲結構，它允許低電感平面電源和地分布，以及密集、受控的阻抗和低串擾信號傳輸集中布置在兩個物理布線層上。采用精線的光刻技術生產(chǎn)方式和MCM-D以及部分MCM-L的批量生產(chǎn)特征來建立一個使用標準的印刷線路板的方法不經(jīng)濟可行的數(shù)據(jù)結構。 圖2. “稀疏”IMPS的實現(xiàn) 圖3. 粗網(wǎng)格 圖1中是按順序示出的功率分配結構的推導。許多MCM的電源或接地，考慮的都是一個相似的網(wǎng)狀平面。不以孔的平面為參照，而是將X和Y中的導體以一組的形式來進行考慮。在圖1（a）中，X的導體和Y導體被放置在兩個分開的金屬層，在每個交叉都提供保留的平面特性。（與線相比，過孔通常具有較低的電阻和電感。）這種“互聯(lián)網(wǎng)”平面產(chǎn)生的電量相較于傳統(tǒng)的網(wǎng)狀平面是合理的，但它的拓撲結構相較于傳統(tǒng)的網(wǎng)狀平面是不同的。圖1（a）中的網(wǎng)格，在導體與導體之間有著足夠的空間，能夠在相同的兩個物理金屬層的聯(lián)通通孔中插入與它們本身極性相反的叉式導體（電源或地）。由此產(chǎn)生的“互聯(lián)的網(wǎng)狀”結構，形成一個具有必要的低電阻和電感的完整配電系統(tǒng)。 在這種“密集”的電源和接地導體之中，沒有信號。然而，如果每一個其他的電源和接地導體（和相應的通孔）被刪去了，隨之而來的“稀疏”功率分配網(wǎng)狀結構仍然是平面的，但是其中含有較少的金屬，這樣會產(chǎn)生更大的電阻和電感。兩倍的最小導線間距在平均間距的信號布線中可以設置出來，如圖2。然而，這樣安排的結果，會在相鄰的信號軌道上造成潛在的串擾和差的阻抗控制性能。 許多的“罰款”（即最小設計規(guī)則）互連的網(wǎng)格與信號線分代最多的變化是可能的，幾乎一半的電源和接地導體，但始終保持至少有一個電源或接地導體相鄰信號之間導線。在可用信號線密度和配電完整性結果之間做權衡，并且照顧必須采取不“斷開”部分的電源或接地平面的要求。以下的線序表明幾種可能性，NP的數(shù)字表示平均信號線間距為最小線間距的倍數(shù)： GSGPGPSPGPGSG…. 5P GSGPSPGSGPSP.... 3P GSGSGPSPSPGS .... 2.5P GSGSGSGSGSGS .... 2P NO! 最后一個序列可能“斷開”或至少是“不平坦”電源平面。 圖4. （a）信號功率和地面之間的界限 （b）高密度的信號線 一個更好的解決方案是采用“粗調(diào)”（即非最小設計規(guī)則）網(wǎng)供配電。例如，在MCM-D技術與20微米的最低線和空間，電源接線可以采用一個100微米的線和60微米的空間設計規(guī)則（電源或接地導體上的320微米間距如圖3所示）。到60微米的電源和接地導體之間的空間（160微米的信號線間距，如圖4（a）），在不要求非常高的密度的區(qū)域中，將被插入的信號布線（20點寬的導體）?？赡苄枰蟮男盘柧€密度的區(qū)域，以便信號線可以“落入” 80微米的信號線間距的電源或接地導體中（圖4（b））。請注意，分割電源或接地導體使用四個信號大小的孔，在適當?shù)慕徊娓鼡Q功率大孔保持連續(xù)性網(wǎng)狀。這些幾何信號傳播特性的影響將在稍后進行討論。與75微米間距線（25微米線寬和50微米的空間）相比，80微米的信號線間距在許多傳統(tǒng)的MCM信號層上被使用，以減少串擾。IMPS拓撲結構以插入每對信號線之間交流接地導體的方式，提供更大的降低串擾。 13 第二代微車的協(xié)調(diào)控制和測試平臺傳感策略 摘要：本文介紹了第二代經(jīng)濟合作控制實驗平臺[C. H. Hsieh等人PROC.Am。會議在2006年]。原來的汽車通過提高車輛與主板上的范圍進行檢測，有限的電路板計算，無線通信，同時保持經(jīng)濟上的可行性.tankbased平臺，采用了靈活的毛毛蟲帶驅(qū)動器和相同的模塊化傳感和通信組件。我們運算后驗證，最近提出的合作轉(zhuǎn)向展示出實際使用的測試平臺涉及避障。 Ⅰ介紹 計算機仿真，作為一種工具來驗證合作控制算法的準確度一樣好模型反映了現(xiàn)實世界中的參數(shù)。一個真正的汽車測試平臺是向前邁出的重要一步，以驗證算法效益。作為在自主多輛的利益運動持續(xù)上升，作為一個寶貴的測試平臺仍然學習工具觀察理論在現(xiàn)實世界中行動。同時滿足節(jié)省成本和空間的限制去按照1:1比例多輛測試平臺是不切實際的。即使有一個按比例縮小的方法，許多測試平臺涉及10-50CM大小車輛在室內(nèi)環(huán)境中不能機動。為此，一小型化，經(jīng)濟的微型車測試平臺開發(fā)中，在一個集成系統(tǒng)中，使用1/64大小的車輛架空相機定位和板運動規(guī)劃。該平臺展示了一個多功能的可能性合作測試平臺領域具有成本效益的設計（所有的材料和計算成本小于4,000元）。本文描述這個二代的設施，其中有第二代許多新的功能，同時維護的總體成本和原來的設計規(guī)模。第一代車輛基于一個microsizer的汽車底盤，它具有三個離散轉(zhuǎn)向狀態(tài)，單速，無板加工，一個緩慢的雙向無線通信速率（13HZ）。該第二代車輛在30Hz雙向溝通并具備板上處理和船上的范圍進行檢測。兩種不同的底盤設計來實現(xiàn)，一個基于的基礎上的罐體上車平臺和一個第二一只毛毛蟲式驅(qū)動器，允許一個可以忽略不計的轉(zhuǎn)折點半徑。硬件分為多個子模塊，可以用來緩解未來的擴展和升級。更新相機定位軟件可以更好的對上面的跟蹤。該路徑規(guī)劃軟件離板根據(jù)不同的應用。在本文中我們演示應用程序利用動態(tài)協(xié)調(diào)[14]法律和累積和算法控制障礙檢測[19]的啟發(fā)。所有的運動規(guī)劃板和單板計算機只用于架空相機信息通信從車輛的傳感器數(shù)據(jù)。我們的新的地面車輛[2-11]類似的功能，同時保持以每輛車160元的順序，一個子palmsized上的材料成本底盤。一個口袋大小的發(fā)射器連接到一臺筆記本電腦通過串行電纜，從而使得整個平臺便攜。在某些情況下，我們也有興趣在實時障礙物檢測板上的紅外傳感器發(fā)揮了的作用。位置跟蹤系統(tǒng)更新率和準確性得到改善。 本文的結構如下。第II部分中，我們提出了整個系統(tǒng)的結構，跟蹤系統(tǒng)，車輛硬件，局部運動控制和物理模型。第Ⅲ節(jié)數(shù)學模型的運動車輛。第Ⅳ節(jié)介紹了一套不同的任務轉(zhuǎn)向控制法。第Ⅴ節(jié)介紹了實施控制法律的任務圓以下，分裂和合并的一組，點對點運動的一組動態(tài)避障。 Ⅱ多微車實驗平臺 A車輛平臺 圖1為平臺的系統(tǒng)圖 圖1 實驗平臺的系統(tǒng)圖 圖2 （左）輪式車和（右）履帶坦克車 圖3輪式車車載系統(tǒng)的示意圖。履帶坦克車系統(tǒng)原理圖與上述相同，除了它具有另外的電機代替伺服 B.車輛信息 我們設計了兩輛車：一輛汽車和一輛坦克。汽車用了ZipZaps微型遙控特別版轎車，它有21,500 RPM的電機和12:1傳動裝置。它在向前或向后的方向都有后輪驅(qū)動。它使用一個電位轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向控制器提供反饋到測量儀，該測量儀。該坦克用了Ecoman R / C微型坦克，它有96:1傳動比率，有爬上38 ?坡的能力。它有兩個電機，一個控制左帶，另一個控制右?guī)?。他們的電子系統(tǒng)的基礎結構是相同的（參見圖3） 。為了便于安裝和靈活性，車輛有四個主要的硬件模塊，處理H橋電路板（ Megabitty ），一個上層電路板，一個底層甲板和車輛底盤。相互通過螺釘和/或套筒標簽（參見圖2）連接。這種配置允許未來的擴展和升級。如果需要變成不同的機箱或不同的車輛，只需更換下層裝甲。此外，通過更換Megabitty還可以提高處理能力。表I顯示與[1]中的第一代汽車相比，新的車輛的物理尺寸。需要注意的是車輛配備遠距離紅外傳感器比之前長了1cm并重了2g。 表1 車輛的物理尺寸 圖4 （左）無線通訊模塊。 （右）定位標簽樣品 C.車輛硬件 處理板。我們使用預組裝的處理器板從Junun.org 的Megabitty。它具有8位RISC AVR 16MHz的微處理器和兩路500mA額定H橋。該模塊是略作修改，以適應整體的硬件結構。此板坐在上層裝甲上，并通過無線模塊連接到一個3.3V至5V電平轉(zhuǎn)換器。 上層裝甲上有機器人的主要組成部分，通信模塊，電源模塊，紅外傳感器和連接器。主電源存儲器是一個單結構3.7V-740mAh鋰聚合物電池。我們利用升壓穩(wěn)壓器提供5V和3.3V穩(wěn)壓器低壓降，這樣可以保持穩(wěn)定的通信單元和處理器模塊一個8V電源軌。 下層裝甲。通過板緊螺絲緊固在機箱上。它承受安裝底盤和上層之間的力。它還為插入的鋰聚電池以及開關提供了空間。 紅外傳感器是'接近'型GP 2Y0A02YK和夏普的GP 2Y0A21 YK。它們的范圍分別為20到150厘米， 10至80厘米。如果一個對象進入其有效范圍，輸出電壓為高。手動校準傳感器和細節(jié)在[12]中進行了討論。 無線通信模塊。為了幫助開發(fā)成本，我們選擇了預組裝Radiotronix提供Wi.232 DTS收發(fā)模塊[ 13 ]作為微控制器和站之間的無線橋接。模塊成本27美元，尺寸為2cm ×2.5厘米，額定電流為16mA 。作為低功耗UART天線串行接口，該模塊可以很容易地與Megabitty和跟蹤計算機集成。該模塊工作在902- 928MHz的ISM頻段，具有獨立的通道來傳輸和接收，從而讓我們實現(xiàn)了全雙工系統(tǒng)的靈活性。在圖4中示出的無線通信模塊。當前的設置，我們就實現(xiàn)了最大數(shù)據(jù)速率為57.6千比特/秒，這是足夠30Hz的定位更新。 D.軟件架構 軟件體系結構包括一個低的電平控制層和用戶應用層。控制層由四部分組成：一個任務調(diào)度器，一個基本的運動（轉(zhuǎn)向和速度）控制器，傳感器測量采集和通信。應用軟件可訪問控制層，改變車輛運動，溝通與跟蹤系統(tǒng)，檢索范圍的傳感器數(shù)據(jù)。 調(diào)度器。一個簡單的任務調(diào)度器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向的更新速率，電機驅(qū)動控制，以及傳感器讀數(shù)。在啟動時，每個任務注冊調(diào)度優(yōu)先級，更新率，以及一個回調(diào)函數(shù)。由于調(diào)度程序的主要用途是更新的各種本地控制系統(tǒng)，沒有任務允許運行時間超過一毫秒的調(diào)度器的分辨率。計劃任務不能執(zhí)行任何阻塞調(diào)用，如果該任務正在等待更多的資源，需要重新安排自己以后再次運行。計劃任務通過優(yōu)先解決沖突，如果兩個任務具有相同的優(yōu)先級，將按初始登記的順序執(zhí)行。一個用戶可以預定任務，但它具有最低的優(yōu)先級，可以被任何控制器任務搶占，以確保車輛正確的操作。 車載基本運動軟件。轉(zhuǎn)向速電機由兩個脈沖寬度調(diào)制（PWM）通道，通過兩個H橋控制?？刂齐姍C速度簡單地通過改變脈沖寬度控制，而方向盤控制需要任務調(diào)度中的閉環(huán)反饋控制。電位器的模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC ）的模擬電壓饋送微處理器。任務調(diào)度允許ADC的調(diào)用為其他的工作釋放處理時間，同時等待完成轉(zhuǎn)換。返回的ADC值送入經(jīng)典的比例微分控制器工作在250Hz。轉(zhuǎn)向角有51°，最左邊為50°，中心為25°和右側(cè)為0°，精確度為1°。25°偏移的建立時間是0.18秒。 圖5示出轉(zhuǎn)向控制器的性能。 坦克的基本運動軟件。坦克獨立地驅(qū)動兩個皮帶，導致在向前和向后移動中可以任意半徑的轉(zhuǎn)彎。在實踐中，我們發(fā)現(xiàn)可以簡單以直線運動或轉(zhuǎn)彎構建路徑。狀態(tài)機是負責兩個演習的執(zhí)行順序。速度和航向為輸入?yún)?shù)。我們假設方向的優(yōu)先級比速度的更高。完整的運動狀態(tài)序列如表二中所述。直線和轉(zhuǎn)彎機動依靠航向角反饋跟蹤系統(tǒng)。我們用一個簡單的比例微分反饋控制計劃使坦克在穩(wěn)定的方向上前進。注意，左側(cè)和右側(cè)的驅(qū)動程序是不相同的，一些電氣和機械的差異存在。一個比例閉環(huán)控制器改變左，右驅(qū)動強度，以保持直線運動。 紅外傳感器測量采集。紅外傳感器采用另一個ADC通道，以提供的瞬時數(shù)字化測量。執(zhí)行率在任務調(diào)度時被指定，通常在為25Hz 。各種過濾器可以編碼，以適應應用需求。對于本文中所描述的應用程序中，我們實現(xiàn)了一個障礙物檢測（見下文）的累積求和算法。另一個應用程序，動態(tài)可見性[12]，使用一個ENO計劃范圍傳感器所獲得的空間點云數(shù)據(jù)處理方法。 通信軟件。車輛的跟蹤數(shù)據(jù)堆疊在一起，并通過串行端口作為一個包發(fā)送。跟蹤數(shù)據(jù)的接收是中斷驅(qū)動。接收整個包時，車輛可以提取其自己的和其他車輛的跟蹤信息。我們利用Windows API來跟蹤計算機上的串行端口接口。 E.跟蹤系統(tǒng) 車輛的跟蹤通過對兩個開銷相機的圖像分析完成。物理設置與[1]中相同。辨識汽車使用的標記被放大了15％，標記的位已被從線條更改為方格以免誤認。圖4 （右）顯示了一個新型車輛的標簽圖案示例。 此外，跟蹤算法的性能通過閾值處理，分辨那些由汽車標簽形成的圖像的輪廓，得到增強。具體而言，建立一個邊界矩形使得它封閉了一個輪廓，而不必與圖像平行，而不是圍繞每一輪廓建立最小面積的矩形（矩形的兩面平行于圖像平面）。由此，可以限制矩形的長度和寬度，而不是它的面積，前者提供了更具有識別力的判別過程。 修訂后的視頻跟蹤算法達到最大航向誤差3 ?，而老算法最大的誤差為9 ?，而且還保持平均為1個像素的位置誤差。此外，如果沒有噪聲或閉塞（即用于清潔圖像輸入文件）的存在下，車輛被誤判的概率降低。 圖6 。開環(huán)測試車輛的運動規(guī)律（1-2） 。星星代表在測試平臺上的汽車的運動，而圓點代表一個計算機模擬的議案 III 。車輛運動模型 A. 簡單的汽車模型 以下方程組，改編自[1 ] ，汽車運動的模型 其中x和y均代表實驗室參考系中的車輛的位置坐標，v為車速（正，如果前進和倒退如果負） ， θ表示車輛的角度標題中，M是車輛質(zhì)量，F(xiàn)為在車輛的最大驅(qū)動力，β是與地面的摩擦系數(shù)。參數(shù)LCAR是汽車的長度。輸入控制參數(shù)Q1 ∈ { -255 ，255 }對應的實力油門， 255 -255是全面落后，全面推進， q1max = | Q1 | 。該參數(shù)Q2 ∈{ 0，50 }表示的51種可能的車輪的轉(zhuǎn)向角。圖6比較車輛運動的計算機仿真測試平臺上的物理實現(xiàn)的命令。在這里， F = 631.8 ×M cm/sec2 whereM是車輛質(zhì)量。 LCAR是從前輪后輪和β = 3.0米/秒的長度。 B.差分驅(qū)動器模型 我們適應模型[18 ]為坦克制定一階系統(tǒng)： ωL和ωr是左，右履帶的角速度（弧度/秒）， r是與坦克帶具有相同的履帶周長的圓的半徑， Ltank是坦克的寬度減去一條履帶的寬度。實踐中，我們只有當dx / dt = dy / dt = 0時限制坦克的議案的d / dt > 0。考慮這個限制：|ωL| = 3.3357ωc/255 - 0.9656 ，其中： ωC ∈ {0 ，160 }是左側(cè)皮帶的控制參數(shù)。逆時針旋轉(zhuǎn)時， ωL = - | ωL | = - ωR 。順時針旋轉(zhuǎn)時ωR = - | ωR | = - ωL 。當向前（向后） ， ωL = ±| ωL | = ωR 。 四。合作轉(zhuǎn)向控制法 A.基本理論 我們考慮最近一次的Frenet - Serret基于幀合作轉(zhuǎn)向控制算法中存在的障礙，由于摩根和施瓦茨[14]，來源于Justh和 Krishnaprasad原創(chuàng)作品的靈感[15] 。微曲線Z（ S） ∈ IR2弧長參數(shù)化描述的車輛的運動。設x表示從車輛的位置，在切線向量dz/ds方向的和y=x⊥相對于x的正方向。每個車輛的運動模擬 其中k是該車輛指數(shù)。車輛以單位速度移動和第k個車輛路徑的曲率為標量uk?？刂坡赏ㄟ^動態(tài)改變英國創(chuàng)建車輛兩兩之間的相互作用指定。定uk=,其中 有，η =η (|r|), μ = μ (|r|), α = α (|r|)是制定函數(shù) 式子使車輛垂直于他們的共同的基準線。隱函數(shù)f（|rjk|）調(diào)節(jié)車輛車輛之間的間距，式子μxj · YK使車輛轉(zhuǎn)到一個共同的方向。這種控制法需要的位置信息內(nèi)的其他代理（如下文所述）的鄰域。 局部耦合和領導跟隨的控制法 本地連接表現(xiàn)為限制每輛車的車輛周圍，附近的可視距離范圍。任何兩個車輛內(nèi)指定的彼此的距離以確保群集。本地連接控制律為： 其中ujk同（7），并有 由于代理這樣的局部耦合有利于大量的通信步驟的可擴展性。 一個指定的領導者車輛駕駛一群在一個特定的方向。其余的車輛（追隨者車輛）遵循相應的，通過使用本地耦合控制法，追隨者和領導的車輛之間具有較強的的耦合。 其中LC是一個領導者的耦合常數(shù)，l （k）是第k車輛最接近的領導車輛的索引。領導者車輛的控制律依賴于特定的應用。 （12） UGK是全球控制律和UL k是局部控制法。如果有m個領導車輛，， n – m跟隨代理同倫的控制法為 其中UJK在方程（7）中已經(jīng)給出。LC 1是一個反映領袖對追隨者吸引強烈的耦合常數(shù)。領導代理同倫控制規(guī)律如下： 當存在一個以上的領導，本地連接可以利用分開成兩個子群群，作為領導車輛驅(qū)動器在不同的方向和跟隨車輛按照其各自的最接近的領導。下一節(jié)在測試平臺上證明了這樣一個例子。 D. 求目標 要靠近一個指定的目標，第k車輛使用 其中， rk為從第k個代理的位置到目標矢量，γ是加權常數(shù)。只有第一項涉及的車輛之間的相互作用，以避免碰撞。第二項指示每輛車走向目標。這種控制法不保證蜂擁，但如果代理商開始在群取向，它很可能是他們呆在一起。 E.避免屏障 考慮一個固定凸對象在平面中，這是指由一組m個點的雙向∈ IR2的外部。平均勢壘的方向矢量的計算方法為 其中，c （ · ）是零以外的指定半徑的切斷功能的一個步驟。避免屏障的控制律，然后將式子x代入控制規(guī)律（10）。這個長期定位車輛垂直于VK，這個標志引導車輛遠離平均勢壘方向。 五，執(zhí)行 在本節(jié)中，基于上述控制規(guī)律，我們考慮了幾種路徑規(guī)劃戰(zhàn)略。至目前為止仍未有許多已發(fā)表的實驗研究，使用這一類的控制律。我們提到一篇相關的論文[16] ，實現(xiàn)了一個基于曲率轉(zhuǎn)向墻壁邊界控制律，并演示了一個單一的代理。配套文件[17]我們開發(fā)了控制律運動偽裝使用我們的新測試平臺的框架[15 ]實施。在下面的例子中，我們考慮兩種單代理和多智能體任務，包括那些依靠的范圍內(nèi)傳感器來確定回避的障礙。 轉(zhuǎn)向角 要描述uk與汽車的期望轉(zhuǎn)向角Φk的曲率控制 ，我們使用公式ρ = LCAR /tan φK [ 18 ] ，其中ρ是汽車的轉(zhuǎn)彎半徑。因此，一輛汽車的轉(zhuǎn)向角可以計算為： LCAR測量到4厘米。轉(zhuǎn)向規(guī)律假定汽車擁有單位速度，因此，我們擴展LCAR根據(jù)實際車速。 基本圈跟蹤的實現(xiàn) 這個例子是在實驗臺上圍繞一個特定點半徑已知的遠的汽車。我們使用兩輛車的模型，在該模型中，一輛車固定在圓的中心。我們設定μ = 0， α = η = 1時，r0等于圓的半徑r且| R |等于從汽車到圓心的距離?；究刂品ㄗ兂桑? 其中，r = R2 -R1的汽車之間的距離。圖7給出了基本圓跟蹤控制規(guī)律在測試臺上的實現(xiàn)。同一個汽車隨R的變化有如下三個不同的圓形路徑序列，達到一個特定的方向。 同倫控制法的實現(xiàn) 由于測試平臺的物理尺寸的限制，上面所討論的同倫控制律修改的序列的三個階段。在第一階段，指定兩個領導，轉(zhuǎn)向程序uleader K（ λ = 0） 在精簡通用控制方程（7）后得到的控制法方程（14）給出的。定期的全球控制的法律，在這種情況下只包括領導人。依照控制規(guī)律（13）中的ufollower K（ λ = 0）定義四個追隨者。在第二階段，領導切換到uleader k （ λ = 1 ） 圖7。同一輛汽車的路徑軌跡（實線），依次是同心圓（虛線）的半徑為65.5厘米， 41.7厘米，28.3厘米時的軌跡。 其中， SK是一個明確的非交互式控制法，使領導彼此遠離。控制律的追隨保持不變，兩個獨立的領導人的帶領下蜂擁造成傳播。在第3階段，全局控制法方程（7）領導人之間的恢復，造成兩群合并一起回來。注意控制律（ 7）沒有定義群的方向，方向是任意的，組重新合并的結果可能會導致在合并后的總方向不同，如圖8所示的兩個實驗。 D. 目標追求的實施，動態(tài)障礙檢測和避免 我們結合目標尋求[IV- D] ，避免壘[ IV -E和累積和算法[19 ]障礙物檢測動態(tài)生成路徑。一個（ W23 × L6 × H13）厘米的盒子沿朝著一個共同的目標運動的四輛汽車的路徑放置。所有的汽車有盒子的尺寸和方向的先驗知識，但它的位置不知道。盒子的最寬的表面垂直于汽車的初始方向。我們指定兩個前車作為觀察員。他們用車上遠距離紅外線傳感器估計盒位置。一旦定位障礙物，數(shù)據(jù)被發(fā)送到計算站，產(chǎn)生一個虛擬屏障。此信息被分配到所有四個汽車。虛擬屏障的結構如下：pi為第i個觀察者檢測到的障礙物上的點。接著靠著群在（ P1 + P2） / 2的位置，根據(jù)壁障側(cè)面的中心構造一個長（2Lobstacle- |P1 - P2 |）、寬2Wobstacle的矩形。由于我們只有兩個措施障礙物的距離，通過擴展障礙，以確保避免碰撞。當車以一定距離通過從障礙時，減少阻擋項的權重，以避免經(jīng)過障礙物后路徑交叉和車的碰撞。圖9示出的執(zhí)行情況的運動軌跡和快照。 圖8 前四個圖像為測試平臺中六輛汽車執(zhí)行V-C部分中所述方案的時間序列數(shù)據(jù)。中間圖為軌跡。圓點為領導位置；三角點為追隨者的位置。下面的圖為第二個實驗中，一個跟隨上層領導和三個跟隨下層的領導的運動軌跡。在第二次運行時，該組在合并后的總方向是不同的，跟蹤信息用像素域解釋，相應的參數(shù)=== 1,每一個代理的= 600，領導R0 = 50和跟隨車輛的r0 = 40 ， LC = 20。 累計和障礙物檢測算法。隨著觀察者的接近障礙物，傳感器讀數(shù)增加背景噪聲電平指示的對象的存在。圖10顯示了原始傳感器讀數(shù)一個例子。要過濾的信號，我們使用特定版本一個標準的累積和算法[19] [20]。讓Xn表示原始傳感器信號在時間n級和μ表示沒有任何障礙存在的背景噪聲平均值。定義Zn= Xn -μ- c，其中c是由于障礙物的預期變化的一小部分傳感器讀數(shù)。接下來，定義Wn = （0，Zn + Wn -1） 。計算值Wn中應保持在零附近，直到狀態(tài)發(fā)生變化，在這一點上它上升。在圖10中顯示了一個示例。一旦Wn中通過一個指定的閾值（大到足以避免誤報有很高的幾率），表示對象被檢測。使用汽車底盤，全油門的1/5 ，我們測試了不同的c值從150到400不等的累積和算法。結果在多個試驗可以再現(xiàn)。這些價值在于密切的線性擬合，因此為了最好的效果，我們在實踐中使用c = 200，。 圖9。目標尋求和避免障礙。前四個圖顯示同一個方案在不同的時間的示范快照。時間順序為，從左上方到右下方。底部的圖顯示汽車汽車通過實際障礙（暗）和根據(jù)觀察員的范圍傳感器計算的較大的虛擬屏障（亮）的軌跡。在實施中，跟蹤信息用像素域解釋，為尋求長期目標，相應的參數(shù)設置為 = 1, = 25, = 60，= 100。避障加權常數(shù)是85和通過屏障后從180變?yōu)榈? 。 六。結論 圖10。累積和算法在同一輛汽車接近障礙的傳感器數(shù)據(jù)的應用。原始數(shù)據(jù)和累計（左上），選擇不同的C時的累加和（右上），樣車利用累積和傳感器輸出避障的路徑（下）。 第二代測試平臺是在第一個版本的一個顯著的改良 ，加入了板載處理和檢測，提高通信速率，車輛多樣性和可擴展性。所有的升級，同時保持原來的測試平臺的低成本和微觀尺度的特征來實現(xiàn)的。兩種不同車輛平臺的實用性，可以更廣泛的研究，協(xié)同控制。在本文中，我們驗證的幾個動態(tài)多代理一些修改算法與硬件架構的協(xié)同控制的規(guī)律效力。 致謝 我們感謝亞歷山大 夫斯基對累積和算法路徑規(guī)劃算法的有用的意見和戴夫·摩根的建議。這項研究是支持由ARO穆里補助50363 - MA - MUR ONR授予號N000140610059 ， ARO授予號W911NF -05-1 -0112 。此外， AJ和VV支持由美國國家科學基金會的研究培訓小組津貼DMS - 0601395 參考文獻 [1] C.H.Hsieh ， Y.莊， Y.黃， K. 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