摘要
目前对于新能源汽车和智能网联车的研究已经取得了显著进展，市场上的相关产品不断更新换代，但在学校教学应用方面仍存在一些挑战，特别是新能源汽车智能化水平有待提高，而大多数智能网联车型过于小型，无法有效乘载人员。因此，本文设计一款可乘载人的新能源实训智能车，研究其控制系统，完成室内定位导航和避障，主要研究工作如下： 1.对智能车常用的底盘进行分析，结合应用场景和功能需求，综合考虑选取阿克曼底盘作为本文研发设计的智能车底盘。使用SolidWorks软件进行智能车的车型结构设计，将智能车的整体结构划分为底盘、操作台和电控台三部分，分别对各部分进行机械结构设计，并对机械结构做刚度和强度分析，最终组合成一辆完整的智能车机械车型结构。此外，对智能车进行运动学和动力学分析，建立运动学和动力学模型，并使用 CarSim 软件进行动力学模型仿真。 2.对智能车的软硬件系统进行分析设计，下层使用 STM32F103ZET6 控制芯片设计整车控制器硬件电路，以实现控制智能车的底层运动。上层使用可移植性强和便于维护的机器人操作系统（Robot Operating System，ROS）来进行软件框架的搭建，对 ROS 操作系统的基本概念、工作空间、通信机制和结构特点进行分析，建立智能车的ROS软件架构，采用独立节点的方式对智能车主要功能进行设计。在底盘运动控制节点上，制定整车控制器和 ROS 的通信协议。在激光雷达节点和超宽带技术（Ultra Wide Band，UWB）定位传感器节点上，创建驱动程序，读取雷达信息和定位信息。 3.对智能车的控制系统进行研究设计，上层ROS里主要实现定位导航和避障，基于全局路径规划的路线规划能力和局部路径规划的避障能力，综合分析确立使用 A*和动态窗口法（Dynamic Window Approach，DWA）路径规划算法混合进行导航和避障的规划，并对A*算法的估价函数和选取搜索点的策略进行优化改进。下层整车控制器里使用以速度为内环、位置为外环的双闭环PID进行控制，使智能车能够完成定位导航和避障。 对设计的智能车主要研究工作进行结果测试，首先对智能车的软硬件控制系统进行搭建和测试，测试整车控制器的硬件电路，测试结果表明设计的整车控制器各功能模块能够正常实现其功能。然后搭建室内定位系统，测试在静态、旋转和动态三种状态下定位性能，测试结果表明定位性能有小范围内的波动，但总体定位性能指标良好，且在动态下智能车的定位导航轨迹与实际行走轨迹大体一致。最后在ROS系统中观察智能车的导航情况，测试表明智能车能够沿着定位点规划的路线安全移动。
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