自上世紀(jì)七十年代國(guó)外就已經(jīng)開(kāi)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(wú)人駕駛汽車研發(fā),對(duì)特殊環(huán)境下使用的無(wú)人駕駛汽車關(guān)注不夠。而本次設(shè)計(jì)的無(wú)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(zhǎng),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(duì)較好,沒(méi)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(wú)須多級(jí)變速,自動(dòng)觀光車也無(wú)需實(shí)現(xiàn)過(guò)多的功能,其無(wú)人駕駛技術(shù)要求并不高,造價(jià)相對(duì)低廉,有較高的開(kāi)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(wú)須急?；蝾l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(méi)有較大的瞬時(shí)功率、快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等要求。

無(wú)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(shí)、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(wú)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(wú)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(jiǎn)單,重量輕,價(jià)格低廉、易于維護(hù)。

同時(shí)由于是若干輛無(wú)人駕駛長(zhǎng)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(kāi)關(guān)被觸發(fā),單片機(jī)接收到觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)輸入的信號(hào),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(kāi)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(kāi)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(duì)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(guò)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(hào),控制兩個(gè)電機(jī)以高、低兩級(jí)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(zhǎng)距離超聲波測(cè)距傳感器和前車障礙判斷紅外線傳感器的狀態(tài)信號(hào),當(dāng)超聲波傳感器檢測(cè)到前方障礙,而紅外線傳感器沒(méi)有檢測(cè)到前車發(fā)出的紅外線信號(hào),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(cè)到前方障礙,而紅外線傳感器也檢測(cè)到前車發(fā)出的紅外線信號(hào),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(jiàn)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(cè)到前方?jīng)]有障礙后,忽略停車線,車輛前進(jìn)。考慮到觀光車是采用電池驅(qū)動(dòng),且車速緩慢,沒(méi)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(zhǎng)條座位,以壓縮車身尺寸。為無(wú)人駕駛,所以觀光車無(wú)須設(shè)計(jì)方向盤,但安裝有一透明遮陽(yáng)頂棚。此外,無(wú)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(shí),又不會(huì)過(guò)于明艷,以免對(duì)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(guò)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(jiǎn)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)。