自上世紀(jì)七十年代國外就已經(jīng)開始研發(fā)此類產(chǎn)品,目前已初步邁入實(shí)用化階段,但現(xiàn)今的主要研究方向著重于高速公路環(huán)境與城市環(huán)境的無人駕駛汽車研發(fā),對特殊環(huán)境下使用的無人駕駛汽車關(guān)注不夠。而本次設(shè)計(jì)的無人駕駛電動(dòng)觀光車是應(yīng)用于野生動(dòng)物園這一特殊單一環(huán)境的。由于野生動(dòng)物園園區(qū)面積大,觀光路線長,動(dòng)物為區(qū)域自由放養(yǎng),要求游人步行或騎車游覽不太現(xiàn)實(shí),一般都采用觀光車搭載游人觀光。   

考慮到野生動(dòng)物園路況相對較好,沒有其它車輛與行人的干擾,行駛中車輛速度緩慢(約為7km/h),無須多級變速,自動(dòng)觀光車也無需實(shí)現(xiàn)過多的功能,其無人駕駛技術(shù)要求并不高,造價(jià)相對低廉,有較高的開發(fā)應(yīng)用價(jià)值。由于園區(qū)道路的坡度起伏不大,一般不會(huì)出現(xiàn)路障,觀光車幾乎無須急停或頻繁起動(dòng),也不需快速啟動(dòng)、瞬間加速、負(fù)載爬坡,因此也就沒有較大的瞬時(shí)功率、快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等要求。

無人駕駛汽車作為現(xiàn)代高科技與汽車技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,是汽車工業(yè)今后發(fā)展的主流方向。它主要是利用車載傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描儀、雷達(dá)等監(jiān)控技術(shù)感知周圍環(huán)境信息、車輛位置和障礙物信息,傳入車內(nèi)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)加以分析、辨識、判斷,用以控制車輛改變行駛狀態(tài),從而使車輛能安全、準(zhǔn)確地在道路上行駛。

而永磁無刷直流電機(jī)功率密度大、效率高,加之體積小、慣性低、響應(yīng)快,非常適用于電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。而考慮到園區(qū)路面平坦,行使路線較短,車輛行駛速度均勻而緩慢,幾乎為額定負(fù)載行駛,因此使用兩個(gè)600w無刷直流電機(jī)以雙前輪軸驅(qū)驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)車輪,這樣機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單,重量輕,價(jià)格低廉、易于維護(hù)。

同時(shí)由于是若干輛無人駕駛長沙電動(dòng)觀光車在園區(qū)沿一封閉路線依次循環(huán)前行,所以需要在路面中央沿行進(jìn)路線鋪設(shè)一條黑色線條,用于車輛尋軌。在定點(diǎn)停車處鋪設(shè)一條與路中央黑色線條垂直成900的黑色停車線。當(dāng)觀光車上乘坐有游客后,座椅下的彈簧觸點(diǎn)開關(guān)被觸發(fā),單片機(jī)接收到觸點(diǎn)開關(guān)輸入的信號,控制電機(jī)啟動(dòng),車輛運(yùn)行。 

此外自動(dòng)觀光車是一種自動(dòng)尋跡汽車,坐滿乘客后能沿一閉合環(huán)線自動(dòng)循環(huán)行進(jìn),行進(jìn)路線上設(shè)定3-5個(gè)停車觀光點(diǎn),自動(dòng)觀光車到點(diǎn)能自動(dòng)停車。此外野生動(dòng)物園作為一種半開放園區(qū),或許會(huì)有動(dòng)物偶然出現(xiàn)于道路上,所以自動(dòng)觀光車還應(yīng)具有遇障停車的功能。因此,采用目前最新的低功耗、速度高、片內(nèi)硬件資源豐富的高性價(jià)比的單片機(jī)系列avr的atmega16單片機(jī)作為該觀光車的控制系統(tǒng)。作為目前最新的單片機(jī)系列之一,它尤其適用于電池供電、便攜式以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)等系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)采用在車輛座位下方安裝一彈簧觸點(diǎn)開關(guān),在車輛底部安裝3個(gè)擴(kuò)散反射型紅外線傳感器,另外在前車尾端設(shè)置一組紅外線發(fā)射器,后車前端設(shè)置對應(yīng)的一組紅外線接收器以及2個(gè)超聲波傳感器。

運(yùn)行過程中,單片機(jī)不斷讀取3個(gè)尋跡紅外線傳感器的狀態(tài)信號,控制兩個(gè)電機(jī)以高、低兩級不同的速度運(yùn)轉(zhuǎn),使電動(dòng)觀光車不斷左右轉(zhuǎn)向以修正路線,始終能沿路面黑色線條前進(jìn)。同時(shí)單片機(jī)還不斷讀取長距離超聲波測距傳感器和前車障礙判斷紅外線傳感器的狀態(tài)信號,當(dāng)超聲波傳感器檢測到前方障礙,而紅外線傳感器沒有檢測到前車發(fā)出的紅外線信號,單片機(jī)則將前方障礙判定為動(dòng)物,立刻控制電機(jī)停轉(zhuǎn),觀光車遠(yuǎn)距離停車;若超聲波傳感器檢測到前方障礙,而紅外線傳感器也檢測到前車發(fā)出的紅外線信號,單片機(jī)則將前方障礙判定為車輛,則控制電機(jī)由高速轉(zhuǎn)為低速,當(dāng)與前車距離小于某一定值后,單片機(jī)才會(huì)控制電機(jī)停轉(zhuǎn),觀光車近距離停車。

而當(dāng)觀光車到達(dá)停車點(diǎn)以后,遇見路面上的黑色停車線,3個(gè)尋跡紅外傳感器狀態(tài)同時(shí)變化,單片機(jī)控制車輛停止運(yùn)行,游客下車游玩。若停車點(diǎn)已經(jīng)停有車輛,則由于前方有車,觀光車尚未到達(dá)停車點(diǎn)也會(huì)依次排隊(duì)停車等候。當(dāng)前方車輛依序前移,而本車尚未乘坐游客,則由單片機(jī)控制車輛以低速前移,直至與前車的距離小于一定值后停行或遇停車線停行。

而當(dāng)本車坐滿游客后,檢測到前方?jīng)]有障礙后,忽略停車線,車輛前進(jìn)?？紤]到觀光車是采用電池驅(qū)動(dòng),且車速緩慢,沒有外力撞擊危險(xiǎn),從節(jié)省能耗、提高行駛里程的角度出發(fā),要求車身重量越輕越好,最佳方法就是合理選取汽車外殼的材料。

由于車輛載重設(shè)定為4人,采用前后雙排長條座位,以壓縮車身尺寸。為無人駕駛,所以觀光車無須設(shè)計(jì)方向盤,但安裝有一透明遮陽頂棚。此外,無人駕駛自動(dòng)觀光車所處的是一個(gè)自然環(huán)境,四周色彩豐富多樣,但大多為低純度的自然色。因此,觀光車的主色調(diào)選用明度高、純度低的各序列灰粉寶石藍(lán)色系,使觀光車易于辨識,又不會(huì)過于明艷,以免對園區(qū)動(dòng)物產(chǎn)生刺激。 

雖然現(xiàn)今鋁合金材料與各種復(fù)合材料已經(jīng)被大量應(yīng)用,但價(jià)格過于高昂,為了在保證使用安全的前提下盡可能降低成本,因此采用工程塑料制作車身外殼。作為電動(dòng)觀光車,要求其外形應(yīng)該既有親和力又有現(xiàn)代感,所以采用流線造型,曲線柔和,盡可能取消復(fù)雜的形態(tài)設(shè)計(jì),既利于加工制造、降低成本,又顯得簡潔大方。車身高度盡可能降低,既能降低車輛重心,使其行駛平穩(wěn),又顯得造型美觀舒展。此外為擴(kuò)大視野、減輕車重,取消了車窗設(shè)計(jì)。