研究背景

随着经济和社会的发展，汽车走进了越来越多的家庭。伴随着汽车总量的增长，交通安全、能源危机等问题日益凸显，被动安全技术广泛应用却无法从根本上解决交通事故的发生^[1]。据统计，因驾驶员操作问题导致的交通事故占55%-90%^[2]，同时，汽车己成为城市大气污染的主要污染源。因此，发展智能汽车和无污染的电动汽车来解决安全和能源问题显得尤为重要^[3][4]。

智能小车，又称为轮式机器人，具有环境识别、自主决策及主动驾驶等多种功能，是一个集各种高科技和创新技术为一体的智能设备, 包括对不同环境的感知技术、路径规划技术、智能驾驶等技术等^[5]。其主要特点是在复杂的道路情况下，能够自动地操控和驾驶车辆绕开障碍物并沿着预定的道路（轨迹）运行^[6]。近年来，智能小车的应用非常广泛，它的技术进步将受益于各行各业。它的研究对于智能驾驶、物流运输、外太空探测等都有重大意义。例如，可以代替人在仓库搬运东西，减轻人的负担;将无人驾驶的车辆投入到生产线、服务业，解放劳动力^[7];应用于航空航天领域，推动航天事业发展。目前，京东、菜鸟网络、苏宁等物流、电商巨头和一些初创企业都在特定场景的智能小车上迅速发力，已将无人送货小车在多地进行试验。

智能小车主要包括环境感知、决策规划、车辆控制三个部分^[8]，其关键技术主要为环境感知定位技术和运动控制技术^[9]。本文研究的是智能小车的车辆控制部分，通过合理设计小车机械结构，搭建硬件电路，设计控制算法，实现智能小车的横向控制和纵向控制。

研究目的与意义

研究学习智能小车行驶系统的机械结构、硬件电路及控制策略，学习智能小车底层控制方法，设计从电机到车轮的一整套软硬件系统，实现车辆转向和速度的控制，为后续研究提供一个稳定、可靠的智能小车平台。

国内外研究现状

上世纪六七十年代，国外就开始了智能小车的研究。在1966年至1972年间，斯坦福研究院研制出了名为Shakey的自主移动机器人，其采用两轮驱动方式，并安装了脚轮辅助平衡。进入80年代，美国国防高级研究计划局专门对室外移动机器人进行立项，开始了无人作战平台的研究。1995年，卡耐基梅隆大学研制Navlab2V无人车成功穿越美国东西部，标志着无人驾驶技术的巨大突破。此次实验环境是美国东西部之间的洲际高速公路，全程约为5000km，其中车辆自主驾驶至少完成96%的行程，并且车速达到50km/h^[10]，但本次实验中车辆仅自主完成方向控制，不进行速度控制。2002年，一家丹麦公司在设计了一款Roomba机器人，该机器人采用两轮驱动，可以进行自主避障和自主规划运动路线，并且能够自行充电^[11]。2003年国外开发者Kiva针对大型物流仓储管理场景，设计了一款能在定点之间来回移动并且具有负载能力的智能小车，该小车采用两个电机配合减速箱驱动小车行驶，两个定制的轮子组成可以原地旋转的差分结构。2009年斯坦福大学开发的智能车Shelley，利用GPS导航能够在道路上进行稳定的行驶^[12]，最高速度可达193km/h。近几年，特斯拉以及科技行业巨头谷歌公司自主研发的无人驾驶汽车已经在美国公路上测试。该汽车配备了位置评估器、GPS、激光雷达、高清CCD摄像头等传感器实时地监测周围道路情况 ^[13]，车辆采用分布式轮毂电机驱动。

与国外相比，国内对智能小车的研究起步较晚，但也取得了一定的成果。在1991-1995年间，由北京理工大学和国防科技大学等五个校企单位组成的无人驾驶研究团队，顺利研发出了ATB-1无人驾驶车，这也是我国研发成功的第一辆能够自主行驶的样车，最高行驶速度达到21 km/h。2003年，由国防科技大学与中国一汽合作研发的红旗自主驾驶轿车，该车行驶系统基于传统动力车辆进行改装，配备了雷达和摄像头，通过检测车身周围的障碍物信息，自动控制车辆行驶速度和方向盘转角，实现自动超车功能^[14]。2005年，山东电力研究院和鲁能智能技术有限公司一起开发了一台适用于变电站的巡检机器人，该机器人基于磁轨迹和路面特殊布置的射频识别（RFID）标签，实现巡检机器人的最优路径规划和双向行走。2015年12月，百度公司研制的无人驾驶汽车实现了综合道路环境下的自主行驶^[15]。2017年10月，中车株洲电力机车研究所有限公司对其开发的智能轨道快运系统进行了测试，该车辆支持无人自动驾驶，最终测试取得成功。2018年，北京中云智车团队发布了全国首款无人驾驶车辆通用线控底盘，该车以线控化、集成化、模块化、通用化为主要特点，提供一种底盘系统整体解决方案。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容