施工场地内倒车难、知网论文查重倒车危险的问题一直对国民的生命财产有着巨大的威胁。为了解决该问题，本设计开展了自卸车装卸位倒车问题的研究及解决方案的设计。

本设计的研究重点是自卸车的运动学分析建模、超声测距系统的硬件设计、模糊控制器设计及自卸车装卸位运动控制仿真。在运动学分析建模中，由于低速运动满足阿克曼转向定律，因而用建立的运动学模型来代替动力学模型，并对可行域进行了初步规划；完成了基于DSP28335的超声测距系统硬件设计；在模糊控制器设计过程中，通过不断调整模糊语言变量的隶属度函数及优化模糊控制规则，来不断优化自卸车装卸位自动倒车的模糊控制器，直至其满足需求；完成了基于MATLAB的控制系统仿真程序设计，初步实现自卸车装卸位自动倒车控制设计。

第一章 绪论

本章内容首先对该设计的研究背景及研究意义进行了简要阐述，被对国内外研究现状进行了一定的了解与介绍，在最后一节中，对本设计的研究内容以及主要结构进行了介绍。

1.1 设计背景

施工场地内倒车难、倒车危险的问题一直对国民的生命财产有着巨大的威胁。在我国，施工场地内每年都会发生很多事故在这些事故中，绝大多数是由于车辆引起的。在现代化建筑工业中一定会进行土方挖掘，土方挖掘通常采用挖掘机与自卸车联合作业，即由挖掘机挖掘土方，自卸车行驶进入指定位置，然后由挖掘机将土方放入自卸车内，这个过程通常是倒车配合。然而在建筑工地中，厂区环境恶劣，而且需要不分昼夜的进行连续施工因而工作强度较大，并且行驶车辆较多，在行驶过程中司机需要高度注意，所以司机师傅非常容易因为疲劳或者视线不良而引发一些重大事故。我国每年都会因为工地事故而损失巨大的财产，并且严重威胁了工人的生命安全，为了减少事故，在实际工作中进行联合作业时常常需要专人指挥。但是这仍然不能最大可能的减少事故的发生。这些事故的原因大多数是由于自卸车进入既定位置时的倒车问题引起的。

工地中倒车难，倒车危险的问题现在正严重威胁着人们生命财产的安全。解决这个问题迫在眉睫。为了使这一问题得到解决，汽车相关领域的专家学者们一直在努力研究，相继研制出了一系列辅助倒车装置，但是这些装置也具有局限性，其毕竟是辅助系统无法实现自动倒车。而且这种方法在工业中并不适用，因为施工场地的工作环境恶劣，而且车受外界干扰较大，很容易导致这种辅助装置失灵。为了人民的生命财产的安全，我们必须要从根本上解决该问题,而唯一途径就是实现挖掘机与自卸车联合作业的自动化、智能化。来辅助驾驶人员进行安全的联合作业，进而提高工作效率，降低工人的劳动强度，最大可能的调高安全性。

1.2 国内外研究现状

对于汽车自动泊车系统，国外对其研究相对较早，国内相应的公司和研发机构对其研究相对较晚，绝大多数研究都还处于理论阶段，个别研究也取得相应的一部分成果。

1.2.1 国外对自动泊车的研究

美国佛罗里达州大学提出，目前以模糊控制为基础的自动泊车系统存在两个研究方向。1）以路径规划方法为基础，它基于车辆动力学模型与运动学模型，进行车辆泊车路径规划，控制命令由中控中心发出，使车辆按照预定倒车路径进行倒车。2）以专家或操作者的经验为基础，首先依靠驾驶员和汽车专家的实际操作经验和知识，从中提取出模糊逻辑规则，设计模糊控制算法。这种自动泊车系统的设计方法没有预先规划车辆倒车的几何路径地。

M.Kochem, R.Neddenriep对于自动泊车模型的研究，是以汽车倒车运动学模型分析为基础，在汽车前轮两侧安装编码器，用编码器采集的数据进行车辆位置参数计算。

加拿大多伦多D.Gorinevsky, A.Kapitanovsky和A.Goldenberg以汽车自动泊车为基础，融合人工神经网络算法特有的优点，结合非线性反馈的特点对系统的反馈控制单元进行设计，分析其稳定性，对泊车路径的设计结合反馈控制单元进行最优化求解。

奥迪公司最新的自动泊车系统以“一键式停车”为代表。它利用智能手机操作特定的应用程序，就可以完成汽车泊车。例如，一键操作让汽车开始寻找附近的可泊车空间，然后进行泊车操作，不仅如此，还可以让汽车自动驶出泊车位。该一键操作系统的正常运行的条件是停车空间中的大量传感器持续将车身位置信息与车位信息传送给控制器，进而实现准确泊车。

Ibrahim Al-Bahadly和Hilal Al-Kharusi提出一种智能泊车系统，其以图像处理技术来检测停车空间为基础。提出该系统所捕获并处理在停车场得出停车空间信息，针对特定的停车场，可以很容易地移动摄像机，驾驶员利用已经处理过的信息指导自己找到可行的停车位。该系统使停车场的停车更高效、快捷。

1.2.2 国内研究现状

比亚迪公司于2005年研发了一种新型自动泊车系统。该系统用于车身信息以及环境信息的采集的模块由摄像头以及雷达系统构成。该系统主处理器对动力系统以及汽车转向操作系统进行控制。在泊车命令由驾驶员发出后，自动泊车系统会按照控制系统已经计算明确的轨迹开始倒车，电子助力转向以及电子驻车制动都会对汽车进行控制。

2014年，北京交通大学大学的侯忠生和董航瑞，根据汽车本体参数，建立汽车泊车过程的运动学模型，引入自适应控制理论，在泊车自动控制系统中利用汽车实时坐标补偿车身运动控制的航向角，并采用MATLAB软件，实现这一控制过程软件编制与仿真，通过仿真实验验证了用实时坐标来补偿车身航向角的可行性。

由上述可知，研发汽车自动泊车控制系统在现实生活中具有重要的意义和广阔的应用前景。这一技术能够最大限度的保护人们生命财产安全，避免驾驶员不当操作引发的交通事故，是保障社会公共交通安全和经济效益的重要措施。到目前为止，对汽车自动泊车控制系统的研究，国内外很多科研机构和高校都开展了广泛的研究，但距离产业化发展还有一定的差距，需要继续深入研究，真正实现车辆自动控制自动化、自主化。因此，研究更加高效、便捷、可靠、更加安全的汽车自动泊车系统是具有重大意义的研究课题。

1.2.3 自动泊车技术的应用现状

近年来，随着社会的发展和科技的进步，对自动泊车系统不断深入的研究，全球各大汽车公司都陆续推出了属于自己的自动泊车系统。

C3 City Park自动泊车辅助系统由雪铁龙汽车公司于2005年开发出来，该系统让驾驶员可以不费吹灰之力即可完成车辆停车位的泊车。

“arkMate”电子停车辅助系统由西门子一威迪欧公司于2008年推出，该系统具有程序停车模块，当需要停车时，驾驶员仅需控制油门以及制动踏板就可令进行倒车。该辅助系统会在汽车附近自动寻找合适的停车位，当找到目标车位时，驾驶员就可令该系统自动工作，完成自动泊车。

上海大众汽车公司于2015年推出搭载了全新的PLA自动泊车辅助系统的新途观。在车辆车速小于30千米每小时时，按下智能泊车按钮，全车在12颗雷达的检测下，系统会自动寻找出合适的车位，发出相应的提示。之后，驾驶员首先要把档位挂在倒档上，然后双手离开方向盘，控制好油门，该系统就会控制途观自动调整方向地将车停在车位里。

1.3 研究内容及总体方案设计

本设计以自卸车装卸位自动倒车系统为研究对象，设计主要研究装卸位自动倒车控制器与自卸车位置检测系统。

1.3.1 主要研究内容

该设计的主要研究内容有以下四个方面：

（1）分析自卸车装卸位倒车作业特点，完成自动倒车运动学分析建模；

（2）完成自卸车装卸位倒车控制系统总体方案设计及测距系统硬件设计；

（3）控制方法选择、控制器的设计及仿真分析；

（4）自卸车装卸位自动倒车控制系统设计与仿真分析。

1.3.2 总体方案设计

该装卸位自动倒车控制器选用模糊控制算法。

对于装卸位自动倒车，研究和分析自卸车的倒车运动，通过模糊控制算法设计其倒车运动模糊控制器，将设计控制仿真系统作为手段，来建立其倒车模型并制定与之相适应的控制方案，进而通过调整控制器的相关参数，使装卸位自卸车自动倒车控制策略逐渐完善。

在自卸车适当位置安装若干数量的超声波传感器，研究超声测距系统进行自卸车位置信息采集，设计超声测距系统，测量自卸车与挖掘机及工地边缘的距离，并探测有效的装卸位置，告知驾驶员。

本设计研究的自卸车装卸位自动倒车系统的组成以及工作过程，如下图1-1所示。

图1-1  自卸车装卸位自动倒车系统总体结构框图

本系统采用DSP28335单片机作为主控芯片，控制系统分为两部分。第一部分为超声波测距系统，其控制产生40KHz的PWM波并由超声波传感器发射出去，最后接受反射信号并处理，以此获得位置信息。另一部分为驱动转向控制系统，根据DSP的模糊控制器接收的位置信息，通过模糊策略来获得转向信息，并驱动转向电机来进行转向。

对于本设计的自卸车装卸位自动倒车系统，主要研究内容有以下两部分：

1）设计超声测距系统进行自卸车位姿信息及装卸位信息的采集；

2）设计自卸车装卸位自动倒车的模糊控制器。

第二章 运动学分析建模

自卸车倒车过程中符合阿克曼转向定律进而对其进行运动学建模，进而分析计算出自卸车装卸位倒车最佳初始位置的区间。

2.1 自卸车倒车的过程分析

结合自卸车驾驶员在驾驶过程中的操作经验，在自卸车停入装卸位过程中，其驾驶员的具体操作流程如下：

（1）首先自卸车驶进施工场地，沿工地规定轨迹行驶，检测到挖掘机信号后，计算出转完后直线行驶距离，转弯进入倒车初始轨道，再次检测到挖掘机信号后，减速到既定位置停车，准备倒车。如图2-1所示。

图2-1 自卸车倒车过程

（2）进行倒车动作，准备进入目标装卸位。在此倒车过程中自卸车驾驶员主要是调整方向盘转角来调整自卸车转向轮转角，在自卸车的车尾距离目标装卸位即将进入装卸位时，自卸车将以更大的转向角进行倒车，直到自卸车车尾进入目标装卸位。伴随自卸车与目标装卸位的相对位置不断改变，自卸车的转向角也应随其发生改变，自卸车的航向角也由0°开始增大，当航向角即将90°时，自卸车的转向角快速变为0°，接下来自卸车将开始垂直倒入既定位置。

（3）垂直停入装卸位。此过程在理论中，自卸车司机只要能够保证方向盘不偏转，使自卸车以一定的速度垂直进入装卸位，当自卸车车尾靠近目标装卸位的底端时，停止倒车，这时完成自卸车装卸位自动倒车过程。

下面是自卸车倒车过程分析，以及建立运动学理论模型，并且进一步研究自卸车进行倒车的开始位置的理论可行域。

2.2 自卸车参数

为了方便理论计算，先确定本设计的自卸车参数以及理论符号。本设计将自卸车作为研究对象，通过查阅资料，综合对比，最终选择EQ3040GF自卸车。该自卸车参数以及部分规定符号见表2-1。