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原文传递 RACECAR无人车设计及关键技术研究

论文题名：	RACECAR无人车设计及关键技术研究
关键词：	无人车;汽车设计;机器人操作系统;上位机;下位机
摘要：	无人车的出现给汽车工业带来了颠覆性的技术改革,让汽车驾驶向着更加智能的方向发展。无人车可以通过传感器感知道路环境，通过车联网技术获取实时道路信息，根据实时交通状况自行规划路线，在危险情况时提醒驾驶员，在不同程度上代替驾驶员控制汽车。为更好地研究自动驾驶技术，降低在全尺寸无人车上验证算法时可能存在的安全隐患，本文主要完成设计并制作了1∶8比例线控阿克曼转向机构四驱独立悬架的RACECAR无人车，其控制系统方案采用基于ROS(Robot Operating System)机器人操作系统的上下位机框架结构，上位机以Jetson TX2为运算核心处理传感器信息，完成建图与导航功能，下位机采用大疆STM32 C型控制板控制RACECAR无人车的运动，本论文的主要研究工作总结如下。　　(1)进行RACECAR无人车的总体设计。通过调研分析现有RACECAR无人车，提出了适合室内外使用、兼顾科研、教学和比赛的高性价比1∶8比例线控阿克曼转向机构四驱独立悬架的RACECAR无人车设计方案。在车体结构方面，分析并设计了传动系统结构、悬架与转向机构以及整车底盘和车身结构，建立整车三维模型，并在此基础上制作了该RACECAR无人车的样机;同时，分析并建立了运动学模型，可用于RACECAR无人车的运动控制。　　(2)从无人车感知、规划与控制三个层面出发，设计RACECAR无人车软硬件控制系统。上位机以Jetson TX2为运算核心，选用ROS机器人操作系统的分布式软件框架。环境感知方面选用Velodyne激光雷达和ZED2相机。使用校准标定后的ZED2相机和SLAM VISN_Fusion视觉里程算法进行激光SLAM算法GMapping建图方案的验证。RACECAR无人车规划模块中的自主导航模块选用ROS导航功能包集navigation中的move_base功能包来实现。　　(3)RACECAR无人车下位机控制系统软硬件设计。下位机控制器选用大疆STM32C型控制板，电机和驱动器分别选用K82无刷直流电机和好盈WP-8BL150驱动电调，用编码器反馈电机速度，采用PID控制算法控制PWM信号对电机速度进行控制，用串口实现下位机与上位机通讯。　　(4)在Gazebo中搭建仿真测试环境,完成RACECAR无人车GMapping地图构建和move_base导航。在真实环境测试中，以某地下车库为例，分别使用轮式里程、EKF融合后里程和VINS_Fusion视觉里程提供/tf坐标关系在GMapping中构建地图，对比分析里程、激光雷达测量距离与环境场景大小对构建地图的影响程度，对比分析时，使用Cartographer构建的二维栅格地图作为实际车库的理想地图。EKF融合后里程和VINS_Fusion视觉里程修正累积漂移误差，均提高GMapping建图质量，两种融合里程中EKF融合后的轮式里程性价比最高，VINS_Fusion里程性能最优。车库地图构建完成后，使用move_base功能包和teb_local_planner局部规划器实现car-like导航功能。　　本文设计并建立1∶8比例线控阿克曼转向机构四驱独立悬架的RACECAR无人车模型并制作出实物样机，分析RACECAR无人车的运动学模型，用于RACECAR无人车底层运动控制，分析并设计软硬件控制系统，验证不同里程计信息及激光雷达测量距离对GMapping激光SLAM构建地图影响，以及RACECAR无人车car-like自主导航功能。
作者：	杨力鹏
专业：	机械电子工程
导师：	任工昌
授予学位：	硕士
授予学位单位：	陕西科技大学
学位年度：	2023