智能车虚拟现实与路径规划

智能车虚拟现实与路径规划

Smart Car Virtual Reality and

Path Program

计算机科学与技术学院

虞坤霖PB09210150

邵晨曦副教授

二〇一三年六月

中国科学技术大学University of Science and Technology of China

本科毕业论文

A Dissertation for the Bachelor’s Degree

智能车虚拟现实与路径规划

Smart Car Virtual Reality and Path Program

姓名虞坤霖

B.S.Candidate Kunlin Yu

导师邵晨曦副教授

Supervisor Associate Prof.Chenxi Shao

二〇一三年六月

June,2013

学士学位论文

题目智能车虚拟现实与路径规划院系计算机科学与技术学院姓名虞坤霖

学号PB09210150

导师邵晨曦副教授

二〇一三年六月

University of Science and Technology of China

A Dissertation for the Bachelor’s Degree

Smart Car Virtual Reality and Path Program

B.S.Candidate Kunlin Yu

Supervisor Associate Prof.Chenxi Shao

Hefei,Anhui230026,China

June,2013

中国科学技术大学本科毕业论文

致谢

随着本科毕业设计论文的完成，我在大学四年的学习生活也接近了尾声。首先必须衷心感谢母校提供给我这么一个温馨和谐严谨紧张的环境，让我在本科阶段不仅学到了必要的学科基础知识，而且初步接触到了一些研究工作，更让我养成了认真严谨一丝不苟的学习研究的习惯。

本文在导师邵晨曦老师的悉心指导和密切关注下完成的。在论文的选题，研究内容，甚至具体工作中都给了我耐心细致的指导和帮助。在导师的带领下，本篇论文终于接近完稿，谨向邵晨曦老师表示衷心的祝福和感谢。

我自大二以来就参与飞思卡尔智能车竞赛，本文的选题很大程度上就取决于此。两年多来，我从学校智能车队学习到许多底层知识，锻炼了分析问题解决问题的能力。本论文也是我向智能车队留下的一笔知识财富。在此向中科大智能车队表示衷心的感谢。

智能车队的指导老师邵长星老师在两年多里，一直给予我技术上的指导。在本次论文的编写中，也提出了不少建议。在此感谢邵长星老师一直以来对我的关怀和鼓励。

本人的良师益友何春晖同学担任本文的排版工作。本文前后共修改过六次，每一次无不是在何春晖同学的严谨认真的反复校对下完成的。何春晖一直以来在本文的实现过程中保持着密切地关注，也对本文的行文方式提出过许多良好的意见。在此向何春晖同学表达我中心的感谢。

最后，感谢我的父母和家人多年来对我的支持与理解。是父母给我提供了接受良好教育的机会，谨以此文作为我对你们的感谢。

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中国科学技术大学本科毕业论文

目录

致谢i 摘要v Abstract vi

第一章绪论1第一节选题背景 (1)

一、汽车操纵动力学的发展概况 (1)

二、智能车竞赛 (1)

第二节论文的主要内容 (3)

第二章需求分析与整体设计5第一节虚拟现实 (5)

一、需要具有的功能 (5)

二、需要达到的性能 (5)

三、总体设计 (5)

第二节路径规划算法 (6)

一、给出的解的性质 (6)

二、时空复杂度 (6)

三、总体设计 (6)

第三章智能车仿真平台的设计与实现8第一节系统架构 (8)

一、发布形式 (8)

二、逻辑结构 (8)

三、数据结构 (9)

四、时序结构 (9)

第二节物理模型 (10)

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中国科学技术大学本科毕业论文

一、赛道模型 (10)

二、智能车模型 (11)

第三节实现细节 (12)

一、开发及运行环境 (12)

二、模块划分及功能 (12)

三、时序控制 (13)

第四章智能车仿真平台使用说明15第一节界面操作 (15)

一、界面布局 (15)

二、运行模式 (15)

三、键盘操作 (16)

四、鼠标操作 (17)

第二节终端信息 (17)

一、正常信息 (17)

二、错误信息 (17)

第三节接口函数 (18)

一、初始化 (18)

二、功能开关 (19)

三、物理参数 (20)

四、运动控制 (21)

五、传感器 (21)

六、图像 (22)

七、客户窗口 (23)

第四节新建工程 (24)

一、配置依赖关系 (24)

二、编写主函数 (24)

三、编写决策函数 (24)

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中国科学技术大学本科毕业论文

第五节编辑赛道 (24)

一、文件结构 (24)

二、直道 (25)

三、弯道 (25)

四、特殊 (25)

五、其他 (25)

六、样例赛道 (26)

第五章路径规划29第一节路径的表示 (29)

第二节最优目标 (30)

一、曲率 (30)

二、速度约束 (30)

三、示例 (31)

四、耗时 (33)

第三节K1999 (33)

第四节XF2013 (33)

第五节K1999与XF2013的对比 (34)

第六章总结与展望36第一节总结 (36)

一、仿真平台的推广情况 (36)

二、仿真平台的不足 (36)

三、仿真平台的改进 (37)

四、XF2013的不足 (37)

五、XF2013的在使用中的改进 (37)

第二节展望 (37)

参考文献39

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中国科学技术大学本科毕业论文

摘要

本文第一部分以全国大学生智能车竞赛为背景，根据竞赛的赛场环境，搭建软件仿真平台，对赛场的赛道以及智能车的机械结构进行仿真。仿真平台以OpenDE为底层刚体物理模型，OpenGL为图像显示工具。

本文第二部分在上述仿真平台上进一步研究路径规划算法。根据汽车操纵动力学相关知识，结合最优速度曲线算法，研究微观最优路径规划问题。此部分以上述平台为底层实现了一个现有的路径规划算法K1999，并以此为基础改进，提出了新的路径规划算法XF2013，然后比较了两者的性能。

关键字:汽车操纵动力学；虚拟现实；赛车；最速问题；微观最优路径

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中国科学技术大学本科毕业论文

Abstract

The?rst part of this paper build a software simulation platform to the National University Intelligent Car Contest as the background,according

to the competition venue environment,track on the?eld and the mechani-

cal structure of the intelligent vehicle simulation.The simulation platform

use OpenDE as the underlying rigid body physics model,OpenGL for im-

age display instrument.

The second part of this paper do some further research on the path planning algorithm with the simulation platform as the underlying.It

do some research of microcosmic optimal path planning according to the

vehicle handling dynamics knowledge and optimal velocity pro?les.This

part realized an existing path planning algorithm named K1999based on

the platform above,and based on this improved,puts forward XF2013

path planning algorithm,then compares their performance.

Keywords:vehicle handling dynamics;virtual reality;racing;minimum-time;mi-crocosmic optimal path

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中国科学技术大学本科毕业论文

第一章绪论

第一节选题背景

一、汽车操纵动力学的发展概况

随着时代的发展，汽车作为一种轻便、快捷的交通工具在社会生活中的普及率不断增高，人们对汽车使用中的操纵稳定性和舒适性以及汽车驾驶所带来的交通安全性的要求也越来越高。汽车操纵动力学作为一门研究汽车操纵稳定性及平顺性的学科，在提高公路交通安全性中发挥了重要的作用。

汽车操纵动力学的研究已经有70多年的历史，它首先要研究的问题是具有怎样运动规律和行驶性能的汽车容易为不同的人所驾驶，其次要研究优化设计方法来提高汽车的操纵动力学特性。

几十年来，国内外对汽车操纵动力学做了大量研究。国内主要集中在长春汽车研究所、清华大学、吉林大学等单位。国外主要集中在美国、日本和欧洲等汽车工业发达的国家和地区。现有的研究方法可以归结为开环方法和闭环方法。

开环方法仅以汽车为研究对象，不允许驾驶员对汽车运动做出任何操纵修正动作，是汽车的固有特性。闭环方法将驾驶员与汽车作为统一的整体人－汽车系统，而不能忽略驾驶员的分析、判断和修正等操纵的反馈作用。

二、智能车竞赛

全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是在规定的模型汽车平台上，使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应软件，制作一个能够自主识别道路的模

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中国科学技术大学本科毕业论文

型汽车，按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。该比赛是以汽车操纵动力学为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科的比赛。

该竞赛以飞思卡尔半导体公司为协办方，得到了教育部相关领导、飞思卡尔公司领导与各高校师生的高度评价，已发展成全国30个省市自治区近300所高校广泛参与的全国大学生智能汽车竞赛。2008年起被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目中科技人文竞赛之一。

图1.1智能车竞赛

近几年，我校在智能车竞赛安徽省赛区赛中获得了不错的成绩。为了便于研究智能车的机械结构、路径规划算法，进一步提高智能小车的性能，本文打算实现对智能车的机械结构及其行进赛道的虚拟现实，并改进了一个路径规划算法。

1比赛规则

智能车竞赛要求参赛队在规定的模型汽车平台上，制作一个能够自主识别道路的模型汽车，按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。比赛要求智能车初始时对赛道完全未知，比赛时不受人的控制，完全通过传感器对赛道的感知，自主巡线，最速完成。比赛要求车模的传感器必须是摄像头、线性CCD、电磁传感器中的一种，核心控制模块必须是飞思卡尔半导体公司的微控制器。比赛所规定的模型汽车为长约30厘米宽约20厘米的四轮模型车（如图1.2）。

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中国科学技术大学本科毕业论文

比赛规定赛道用KT塑料薄膜板制作，约宽45厘米。比赛要求参赛队设计智能车的软件，软件需要通过传感器读取赛道信息，据此分析决策，并自动控制赛车沿赛道行驶。

图1.2车模

2车模搭建结构

智能车的搭建共分为三方面：机械、电路、软件（如图1.3）。其中，机械需要调校车模底盘、轮子、电机之间的固定方式，以达到牢固、抗震、稳定等机械特性。电路方面，需要设计电源、传感器、控制芯片的最小系统等。软件方面，需要编写代码以读取传感器的值，而后分析决策，向电机等执行机构输出控制信息。

第二节论文的主要内容

本文主要完成两方面的设计，其一是对智能车的行驶环境进行虚拟现实仿真，以方便在尚未制作真车时对智能车巡线算法的研究，其二是在已经搭建好的仿真平台上实现并改进路径规划算法。本文第一部分描述智能车仿真平台SCS（Smart Car Simulator)的搭建，着重介绍仿真环境的设计思路、实现细节、使用方法三方面。第二部分描述路径规划算法的研究，首先根据已有的最优速度算法定义了最优路径，然后介绍了一个已有的路径规划算法，最后在已有算法的架构下提出新的算法并比较两者的性能。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/dcne.html