基本信息
- 项目名称：
- 基于供电导线循迹的无轨电车辅助驾驶系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品将智能车循迹领域最新的载流导线循迹技术与节能无轨电车相结合，设计制作了一套无轨电车自动辅助驾驶系统，并大胆地提出了将该方案应用于自动循迹无轨列车的设想。 作品创造性地提出了用于迹线信息解算的数学模型，结合了单相牵引供电技术、脉宽调制技术和磁诱导信息编码技术，设计出信息解算算法适应性极强、传感器电路简单、抗干扰能力强、信息量丰富、控制精度高、成本低廉的用于道路信息识别的智能汽车辅助驾驶系统。
- 详细介绍：
- 第十届“挑战杯”福建省大学生课外学术科技作品竞赛 参 赛 作 品 作品名称： 基于供电导线循迹的无轨电车辅助驾驶系统 指导老师： 林 斌 学校全称： 厦门大学嘉庚学院 申报者姓名 （集体名称）： 无轨电车辅助驾驶开发小组 类别： □ 自然科学类学术论文 □ 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 □ 科技发明制作A类 ■ 科技发明制作B类 目 录 一、项目背景介绍 .................................................................. 1 二、国内外研究现状及分析: .................................................. 2 三、阶段性科研成果 .............................................................. 3 四、我们的技术创新点........................................................... 3 五、项目优势与应用前景 ....................................................... 4 六、无轨电车系统模型展示 ................................................... 6 1. 电源部分 ....................................................................... 6 2. 单片机部分 ................................................................... 6 3. 传感器部分一................................................................ 7 4. 传感器部分二................................................................ 7 5. 供电线及支架................................................................ 8 6. 整车模型 ....................................................................... 8 基于供电导线循迹的无轨电车辅助驾驶系统 1 一、项目背景介绍 无轨电车是一种使用电力发动，在道路上不依赖固定轨道行驶的公共交通，亦即是“有线电动客车”。无轨电车最初在十九世纪初出现，作为用电但需要轨道的有轨电车，以及用汽油但无需轨道的公共汽车之间的一种产品。跟有轨电车相比，无轨电车因为可以绕过道路上的障碍物而弹性较高，而且它只需电线，而无需投资铺设轨道。故此在二次大战以前曾一度遍布欧美等各国的大城市。二次大战之后，随着汽车的普及和公共汽车进入竞争，无轨电车跟有轨电车一起在西欧及北美洲逐渐消失。现在无轨电车只在欧洲阿尔卑斯山区、英国、中国及朝鲜较为常见。美洲只剩下几个城市仍然有无轨电车，欧洲则以瑞士拥有无轨电车的城市最多。现在，无轨电车因其环境优势，正在逐渐受到重视，使用的地区不断增多。因此，近年来对无轨电车的研究开始逐渐升温。 随着传统能源的日益枯竭，传统公交系统面临越来越大的成本及环境压力，而无轨电车无疑是解决这一系列问题的有效途径。普通无轨电车每一百公里的能源成本仅为柴油车的四分之一，而且不存在环境污染问题。我们开发无轨电车辅助驾驶系统以电磁循迹技术为基础，能够有效利用供电线缆，以低廉的成本完成高精度、高稳定性的循迹任务，并为电车的辅助驾驶提供一种有效的方案。我们的研究可以利用无轨电车的现有资源，进一步提升其性能，使其与传统公交相比更具有竞争力。 基于供电导线循迹的无轨电车辅助驾驶系统 2 二、国内外研究现状及分析: 无人驾驶或辅助驾驶系统的核心是循迹技术，传统的循迹技术主要有三大类：一是GPS导航技术，该技术比较成熟，但技术壁垒较高；二是视觉类传感器，如激光雷达、摄像头等，目前也有较多的成果，如谷歌2010 年公布的无人驾驶汽车，但这类技术有共同的缺点，就是难以应对光线的干扰和特殊的天气情况，如强光、黑暗、雾、雨等，并且图像处理实现困难，对CPU要求较高；三是磁诱导技术，这是目前国内外无人驾驶汽车领域的研究热点，具有代表性的是美国自动公路系统AHS，在圣地亚哥到洛杉矶之间的1－15州际公路上进行了12公里的实验和展示，并且已经有基于该技术的扫雪车在美国部分地区投入使用，车辆通过电感检测地面铺设的磁道钉来实现循迹，这种方式不受光线干扰和天气影响，但是其迹线的连续性不够，迹线的成本高，路线不易改变，在当前的技术下，其传感器的输出电压依赖于车速。 基于供电导线循迹的无轨电车辅助驾驶系统 3 三、阶段性科研成果 本课题研究从2010年10月至今，我们已经初步搭建起了用于演示的轨道模型以及各部分硬件电路，并进行了大量的实验对传感器数据的解算算法加以验证。在课题研究过程中，我们及时地对科研成果进行了总结和归纳，目前为止共发表了２篇相关论文（其中EI检索１篇，两篇论文第一作者及通讯作者均为学生）。 我们目前为止主要研究成果如下： 发表论文： 1.“基于载流导线循迹智能车的数学模型”, 张博达, 《电子产品世界》, 2010年第十期。 2. “The Application of Level-cross Inductor to Current-carrying Lead Intelligent vehicle”, Boda Zhang*, Mudan Zhou, Yi Zhou, Zhibin Chen, Yunying Huang ，2011 ASID International Conference on Anti-conterfeiting，Secruit and Identification (24-26th June, 2011, Xiamen, China. 四、我们的技术创新点 1. 我们提出了牵引供电导线与迹线合一的自动循迹交通系统，并对其实际应用的工程问题进行了研究。 2. 我们推导出了迹线信息解算的数学模型，使实际应用有了理 基于供电导线循迹的无轨电车辅助驾驶系统 4 论依据，并且该数学模型下的车辆，具有极强的适应性。 3. 我们提出了把迹线电流调制到工频电源上的系统，解决了非周期性供电线路电流与周期性迹线电流矛盾的问题，同时也为该系统的实际应用降低了成本。 4. 我们提出了基于载流导线循迹的无轨列车的设想。 五、项目优势与应用前景 1. 与传统的循迹技术相比，载流导线循迹技术是一种新兴的循迹技术，它是依靠通以一定频率和幅值的交变电流的载流导线作为迹线的循迹方法。而我们的研究直接利用无轨电车的供电线缆来作为迹线使用，省去了迹线的成本，只需要增加传感器及控制电路即可实现自动循迹。该方式的迹线连续性和它的供电方式使它特别适合应用到无人驾驶的无轨列车，不但拥有磁诱导技术的所有优点，还拥有视觉类传感器难以企及的抗环境干扰能力。在无轨电车行驶的过程中，由于将供电线与迹线合二为一，系统具有高度的稳定性及安全性，即使供电线缆出现意外，使得循迹轨道不正常，电车也会因为电源的失常而停下来，避免灾难性后果的发生。与传统的视觉类循迹方法相比，电磁循迹即不会在上下坡出现循迹的盲区，也不会受强光、黑暗、大雾等环境因素的影响，而且其传感器电路也较为简单，所需处理的数据量也不大，成本低廉，有较高的实用价值。 基于供电导线循迹的无轨电车辅助驾驶系统 5 2. 我们的研究成果和我们所设计的循迹系统可用于无轨电车的辅助驾驶、工厂车间自动搬运系统、军用无人驾驶车辆的循迹、特殊条件下的车辆自动循迹（比如在一些没有光线或者视觉传感器无法探测的情况）。并且在无轨电车的基础上我们可以实现无轨列车的构想，将其运用到厦漳海底隧道将会起到很好的效果。 基于供电导线循迹的无轨电车辅助驾驶系统 6 六、无轨电车系统模型展示 1.电源部分 说明：该部分电路的功能是将经过变压器变压的电源进行整流并用MOS管开关特性进行截断（左），并将得到的电源稳压到6V。 2. 单片机部分 说明：我们选用了MC9S12XS128，它是整个系统的核心，所有信息都要由它处理，结合需要，我们自行设计了最小系统板。 基于供电导线循迹的无轨电车辅助驾驶系统 7 3. 传感器部分一 说明：根据所建立模型的需要，我们选用了七组传感器，通过电感和电容并联谐振方式获得赛道信息。 4. 传感器后部分二 说明：该部分电路的功能是将前一部分所得到的信号经过整流滤波变为直流信号后传递给单片机进行模数转换。 基于供电导线循迹的无轨电车辅助驾驶系统 8 5. 供电线及支架 说明：轨道部分我们采用悬挂式支架，节点采用铁皮圈连接，便于拆卸。 6.整车模型 说明：小车通过铁钩从电线上获取电源，虽然与实际电车的结构不同，却并不影响其工作方式。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本作品以载流导线循迹方式下的牵引供电车辆系统设计为主，推导出了该种循迹方式下的迹线信息解算的设计方法和多种精确数学模型，运用经典电磁学知识，在s域下分析出了传感器输出信号与迹线信息的关系，同时采用Matlablingles软件系统进行了迹线信息仿真和辅助理论系统的构建，为投入实际应用提供理论支持。以此数学模型为基础，进一步设计制作了自动循迹小车，归纳环境对系统的影响，然后进行分析改进。本作品研究循迹系统，完成与供电系统的匹配计。循迹方式分为两种：当接触网为电车供电时，将其同时用于车辆循迹的迹线；当电车由自身储备电源供电时，采用地面铺设的导线循迹。车辆的传感器选用大电感，其感应电动势经后续线性电路处理，得到输出电压，被AD转换后再经过数学处理，得到车辆与迹线的相对位置和迹线的斜率、曲率，从而用于车辆的转向及速度控制。为了使车辆可以适应不同的迹线，车辆起跑前，由系统自动完成对外界特征信息的获取。在数学模型中，传感器电路的传递函数已被消去，只需满足线性，但由于元器件的局限性，所以需要进行线性补偿。由于数学模型要求迹线电流需满足周期性，而供电导线必定是非周期性的，甚至是随机性的，这将导致整套系统无法投入实际应用。为了解决这一矛盾，并且保证不对现有供电系统做较大修改的情况下，采用调制技术设计出了具有可移植性的周期性电流源。由于载流导线循迹方式在世界上出现较晚，资料非常少。该循迹方式与视觉类传感器相比，其优势在于对光线、湿度等环境因具有极强的抗干扰能力。
科学性、先进性
- 无人驾驶或辅助驾驶系统的核心是循迹技术，传统的循迹技术主要有三大类：一是GPS导航技术，该技术比较成熟，但技术壁垒较高；二是视觉类传感器；三是磁诱导技术，这是目前国内外无人驾驶汽车领域的研究热点，具有代表性的是美国自动公路系统AHS。我们的研究直接利用无轨电车的供电线缆来作为迹线使用，省去了迹线的成本，只需要增加传感器及控制电路即可实现自动循迹。该方式的迹线连续性和它的供电方式使它特别适合应用到无轨列车的辅助驾驶中，并拥有磁诱导技术的所有优点，还拥有视觉类传感器难以企及的抗环境干扰能力。在无轨电车行驶的过程中，由于将供电线与迹线合二为一，系统具有高度的稳定性及安全性，即使供电线缆出现意外，使得循迹轨道不正常，电车也会因为电源的失常而停下来，避免灾难性后果的发生。与传统的视觉类循迹方法相比，电磁循迹即不会在上下坡出现循迹的盲区，也不会受强光、黑暗、大雾等环境因素的影响，而且其传感器电路也较为简单，所需处理的数据量也不大，成本低廉，有较高的实用价值。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 授权生产或授权使用
作品可展示的形式
- 实物 产品 模型 现场演示 图片 录像 样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 我们设计的无轨电车模型在由电线供电时，对变压系统进行相应的改造便可实现自动循迹，实现辅助驾驶。应用于无轨列车时，需要对列车的转向系统进行改进，并在每节车厢上安装传感器系统及转向控制系统，以实现无轨列车的自动循迹，实现辅助驾驶。 适用范围： 1.无轨电车的辅助驾驶2.工厂车间自动搬运系统 3.军用无人驾驶车辆的循迹4.特殊条件下（如黑暗、浓雾等）的车辆自动循迹5.无轨列车系统的辅助驾驶 技术： 1.采用供电导线进行循迹，迹线成本低 2.不受温度、湿度等环境因素的制约，能够避开工业干扰（频率为50HZ左右）和通信信号干扰（频率在30kHZ以上），抗干扰能力强； 3. 由于循迹是根据供电导线产生的磁场，在行驶时磁场时刻存在，不会出现传统视觉循迹技术在下坡时常出现的死角问题； 4.载流导线循迹技术所采用的器件较为简单，成本低廉； 5. 迹线连续性强，有望用于无轨列车 前景分析： 随着发展低碳经济成为全社会的主旋律，重新启用更加节能环保的电车也就成了必然的趋势。
同类课题研究水平概述
- 在国外，互联网搜索引擎谷歌公司证实，他们正在开发完全无人驾驶汽车，而且已在美国加州公路上试行超过22万公里，其中1600公里是在完全无人介入下完成的，但谷歌自驾汽车上市至少还需要8年以上的时间。根据公布的照片和博客介绍，自驾汽车装有摄像头、雷达传感器和激光探测器，可以感知公路上的限速、路旁交通标志，以及周围的车子移动情况，并借助地图来导航。在国内，目前在我国的自动循迹技术中，有的采用磁钉传感器来检测路径，有的采用CCD 摄像头作为路径传感器,有的采用红外探测法。然而磁传感器需要在路面预埋磁钉，会对路面造成一定的损坏;CCD 摄像头一般价格较贵，信号采集周期较长, 很容易受到外界光线的干扰,且需要对数据进行复杂的转换和处理;红外探测法易受到周围环境的影响，特别是在较强日光灯下，对检测到的信号有一定的影响。鉴于以上原因，本设计创造性地提出了两套用于迹线信息解算的数学模型，结合了单相牵引供电技术、脉宽调制技术和磁诱导信息编码技术，设计出将智能车循迹领域最新的载流导线循迹技术与双源节能无轨电车相结合的用于道路信息识别的智能汽车辅助驾驶系统，提出了解决地铁轨道与私家车共存问题的一种方案，并扩展了牵引供电系统的附加价值。 [1] 王春燕,吴超仲,丁振松等.基于磁道钉导航的智能公路车道保持硬件控制系统研究[J].公路交通科技, 2003,20(1). [2] 孙涵,任明武,唐振民.基于机器视觉智能车辆导航综述[J].公路交通科技,2005,22(5). [3] 张立，杨立。电动小车的循迹。校园电子，2004,6。21 [4]刘巧莲。无轨电车交通在大城市交通可持续发展中的作用。 [5]DavidL．Greene，MichaelWegener．Sustainable Transport[J]．Journal of Transport Geography,1997，05(3)：177-190． [6]Commission of the European Communities．Green Paper on the Urban Environment[M]． Luxembourg：Office of Official Publications of the EC，1 990． [7]袁成．无轨电车发展简史、现状和未来展望[J]．城市公用事业，2006(3)：2～14
