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摘 要
本文針對電動(dòng)車的理想車型——雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，對與上述EV的車輛動(dòng)力學(xué)特性和電動(dòng)車相關(guān)的輪轂式永磁無刷直流電機(jī)進(jìn)行了深入的分析，基于當(dāng)前電動(dòng)車（EV）產(chǎn)業(yè)的興起與發(fā)展進(jìn)行了相關(guān)的研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
目前電動(dòng)車發(fā)展中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是蓄電池技術(shù)，但同時(shí)也是電動(dòng)車的薄弱環(huán)節(jié)，動(dòng)力蓄電池已經(jīng)成為電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)化的主要障礙。不同種類的蓄電池?fù)碛胁煌男阅?，而同一類型的蓄電池的不同個(gè)體也存在相當(dāng)大的個(gè)體差異，這些差異對蓄電池組的性能會(huì)有影響，從而對電動(dòng)車的整體性能也有影響。本論文中也涉及了有關(guān)電動(dòng)車動(dòng)力蓄電池性能的介紹。
電力機(jī)車技術(shù)的發(fā)展越來越受到廣泛關(guān)注，其中控制系統(tǒng)性能的好壞對電動(dòng)車的發(fā)展越來越重要，控制系統(tǒng)也逐漸引起了人們的關(guān)注?？刂葡到y(tǒng)性能的關(guān)鍵是發(fā)揮控制系統(tǒng)的最大功效，因此研究電力機(jī)車控制系統(tǒng)也已經(jīng)成為當(dāng)今電動(dòng)車領(lǐng)域一個(gè)重要的課題?，F(xiàn)有的電力機(jī)車控制系統(tǒng)包括微機(jī)控制系統(tǒng)、邏輯控制系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)等，關(guān)鍵是如何將他們有機(jī)的結(jié)合起來并發(fā)揮出盡可能大的功效。本論文的寫作過程中查閱了相關(guān)的資料，提出了一套以車指令系統(tǒng)+微機(jī)控制系統(tǒng)+邏輯控制系統(tǒng)的系統(tǒng)控制策略。
關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；電動(dòng)汽車的發(fā)展;
永磁無刷直流電機(jī);蓄電池技術(shù)
ABSTRACT
Based on the development of electric vehicles (EVs) industrial ,this paper describes an ideal concept EV, that is a EV has independent directly driven wheels (In-wheel EV). The research into drive systems concerns theoretical analysis and correlative experiment. The research on the permanent magnet brushless in-wheel motors and vehicle dynamics used for this novel EV is presented.
As the feeble section of electric vehicle, power battery was the main obstacle of the industrialization of electric vehicle. Designing a sound battery management system was one of the key technologies of electric vehicles. It was known that the performance difference among different kinds of batteries and considerable individual difference among the same kind of battery had great influence on the performance of battery team and the whole capability of electric vehicle. This article mainly describles the whole capability of power battery of the electric vehinle.
With the development of electric locomotive, the performance of locomotive control system is more and more took into account. How to combine the microcomputer control system, logic control system, display system with locomotive security system, and make the best use of control system is task of research of the electric locomotive control system. According to the other paper,this article expounds a strategy of control system based on locomotive instruction system,microcomputer control system, logic control system.
Key Words: Electric Vehicle; power battery ;Servo system
Permanent magent brushless DC motor; Lead acid battery
目 錄
第一章 緒論···················································4
1.1 研制自動(dòng)行走小車的意義····································4
1.2 電動(dòng)汽車的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀··································4
1.3 電動(dòng)小車的特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)··································5
1.4 本課題的研究內(nèi)容··········································4
第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)與雙輪驅(qū)動(dòng)···································7
2.1 整車設(shè)計(jì)參數(shù)的選?。ㄋ俣取⑥D(zhuǎn)矩、功率）·····················7
2.2 雙輪驅(qū)動(dòng)方案的實(shí)施········································7
第三章 輪轂電機(jī)···············································8
3.1 電動(dòng)小車用電動(dòng)機(jī)選型······································8
3.2 永磁直流無刷電機(jī)的特點(diǎn)····································8
3.3 小車用電機(jī)的選擇··········································9
第四章 電動(dòng)小車的蓄電池·····································14
4.1 蓄電池技術(shù)的現(xiàn)狀··········································14
4.2 蓄電池容量的計(jì)算方法······································16
4.3 小車用蓄電池的選擇········································17
第五章 結(jié)束語 ················································19
致謝·····························································20
參考文獻(xiàn)························································21
第一章 緒論
1.1 研制自動(dòng)行走小車的意義
自動(dòng)行走小車結(jié)構(gòu)簡單、便于控制，方便實(shí)現(xiàn)工業(yè)和農(nóng)業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)。
我國從1994年開始已經(jīng)成為石油進(jìn)口國，所以從長遠(yuǎn)利益講，發(fā)展電動(dòng)車輛有利于節(jié)省能源，是我國的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略。
為了讓電動(dòng)汽車的得到更好的研究與發(fā)展，直接面向真正的電動(dòng)車輛能夠?yàn)殡妱?dòng)車的研究提供相關(guān)的技術(shù)參考。
電動(dòng)車的發(fā)展中關(guān)鍵的部分是動(dòng)力電池，同時(shí)也是電動(dòng)車發(fā)展的瓶頸。針對動(dòng)力電池的研究成果，我們既可以用來解決現(xiàn)有電池的應(yīng)用，也可為進(jìn)一步突破電池技術(shù)做好準(zhǔn)備。
1.2 電動(dòng)汽車的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀
1881年8月，法國人特魯夫發(fā)明了了世界上第一輛電動(dòng)交通工具——電動(dòng)三輪車，這也意味著電動(dòng)車EV出現(xiàn)了。在此期間人們發(fā)現(xiàn)汽油的比能量相當(dāng)高適合車載使用，以及內(nèi)燃機(jī)技術(shù)得到飛速的發(fā)展，到二十世紀(jì)初期，機(jī)動(dòng)車輛的市場幾乎被燃油汽車所占據(jù)。由于燃油汽車的廣泛使用導(dǎo)致了電動(dòng)車的發(fā)展幾乎處于停滯狀態(tài)。
直到第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，各國為了緩解汽油供應(yīng)緊張紛紛開始研究電動(dòng)車，同時(shí)電動(dòng)車也可以用于軍事戰(zhàn)爭和人們?nèi)粘Ｉ畋Ｕ掀返倪\(yùn)輸。但是由于當(dāng)時(shí)落后的蓄電池技術(shù)，電動(dòng)車的性能發(fā)展受到很大的限制。隨著戰(zhàn)爭的結(jié)束，電動(dòng)汽車的研究逐漸放緩，各國不斷減少研究的投入，電動(dòng)車的發(fā)展再度陷入了停滯狀態(tài)。
大氣污染到二十世紀(jì)九十年代已經(jīng)引起了人們的高度重視。影響大氣污染的因素有很多，其中近60%是來自于車輛的燃油排放。能源問題專家們同時(shí)提出石油資源不久將面臨枯竭。面對壓力，電動(dòng)車技術(shù)開發(fā)的高潮再度掀起，發(fā)達(dá)國家和一些發(fā)展中國家開始關(guān)注電動(dòng)汽車技術(shù)的研究和發(fā)展，各大汽車公司開始重視電動(dòng)汽車的研究，紛紛投入人力和物力研究電動(dòng)汽車。在環(huán)保與石油危機(jī)的呼聲中，電動(dòng)汽車的研究進(jìn)入持續(xù)發(fā)展的新階段。
在各國政府的支持和各有關(guān)汽車公司、院校的共同努力下，研制出了適用于電動(dòng)車的各種電動(dòng)機(jī)和車輛專用電池。電動(dòng)車技術(shù)的發(fā)展也算是取得了一些可喜的進(jìn)步。目前日本、美國、俄國和德國等國家在電動(dòng)汽車的研究上取得較大進(jìn)展。
日本很早就意識(shí)到電動(dòng)汽車的重要性，在1965年他們便把研制電動(dòng)汽車確立為國家計(jì)劃，1997年又推出了ACF計(jì)劃（先進(jìn)的清潔能源汽車計(jì)劃）。型號(hào)為FCX的清潔能源汽車預(yù)計(jì)于年底投入市場，其最高速度可達(dá)130km/h，加滿氫氣后，最多能行駛335公里，該車最初是為政府機(jī)關(guān)和東京的一些社團(tuán)組織設(shè)計(jì)的。
從98年開始，美國各大汽車公司的電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，并已經(jīng)研究出多種型號(hào)的樣車。在其發(fā)展電動(dòng)車的十年計(jì)劃中（2001—2010），為了更好的發(fā)展電動(dòng)車的關(guān)鍵技術(shù)他們把純電動(dòng)車和混合電動(dòng)車商業(yè)化確立為目標(biāo)，使得電力電子、燃料儲(chǔ)能、汽車系統(tǒng)和輕型材料等關(guān)鍵技術(shù)得到了很好的研究與發(fā)展。
除了美國和日本，德國的電動(dòng)車技術(shù)也得到了很好地發(fā)展。他們在蓄電池電動(dòng)車，燃料電池電動(dòng)車和混合動(dòng)力電動(dòng)車等方面都進(jìn)行了大量的研發(fā)工作并取得了不錯(cuò)的成果。
隨著世界各國的關(guān)注，我國政府也已經(jīng)確定了電動(dòng)車研發(fā)運(yùn)作的規(guī)劃，啟動(dòng)了“十五”電動(dòng)車重大專項(xiàng)科技的全面計(jì)劃。1998年7月，為了更好的推動(dòng)電動(dòng)車的發(fā)展，由國家電動(dòng)車領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室和國家科委牽頭，在汕頭南澳島設(shè)立了中國EV現(xiàn)場測試示范區(qū)來推動(dòng)電動(dòng)車的發(fā)展。
1.3 電動(dòng)小車的特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)
電動(dòng)車的關(guān)鍵技術(shù)是系統(tǒng)總體機(jī)電一體化技術(shù)及車身技術(shù)。
在設(shè)計(jì)電動(dòng)車時(shí)由于受電動(dòng)車車載能源密度的限制，必須考慮的技術(shù)問題有：
·改善車體材質(zhì)以使得整車重量得到減輕；
·充分合理的利用空間；
·最大可能的減小輪胎滾動(dòng)阻力；
選擇用電動(dòng)機(jī)代替內(nèi)燃機(jī)這樣可以改變車輛的結(jié)構(gòu)，這樣不僅可以使車輛結(jié)構(gòu)更加靈活，也可以選擇更多的驅(qū)動(dòng)方式。
電動(dòng)車所用的電動(dòng)機(jī)屬于電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件之一，對高功率密度、可控性良好的電動(dòng)機(jī)的研究與開發(fā)顯得格外的重要。為使得電動(dòng)汽車有良好的使用性能以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行部件有良好的可控性，這要求電動(dòng)機(jī)體積小、重量輕、效率高。
蓄電池技術(shù)的研究
蓄電池技術(shù)是電動(dòng)車?yán)锏囊豁?xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，但卻是制約純電動(dòng)車技術(shù)發(fā)展的瓶頸。車載蓄電池不僅要求循環(huán)使用壽命長和低成本，還有要求有高的比能量、比功率。
1.4 本課題的研究內(nèi)容
在對相關(guān)的機(jī)械技術(shù)、電力電子技術(shù)、電機(jī)技術(shù)，以及EV動(dòng)力學(xué)等進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)應(yīng)用于雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)（電動(dòng)）行走小車方案。
EV的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)采用直流電機(jī)，本文著重對永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了介紹和分析。
本文針對電動(dòng)機(jī)在EV中的應(yīng)用給出了相關(guān)的模型，以及分析了永磁直流無刷電動(dòng)機(jī)在雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。在電動(dòng)機(jī)的研究和分析對比中體現(xiàn)了此類型的電動(dòng)機(jī)對獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車具有良好的適應(yīng)性。
蓄電池技術(shù)是電動(dòng)車的關(guān)鍵技術(shù)，粗略探討了動(dòng)力蓄電池的特性與選用等內(nèi)容。
第二章 機(jī)械設(shè)計(jì)與雙輪驅(qū)動(dòng)
2.1 整車設(shè)計(jì)參數(shù)的選取
行走速度：≤1m/s
負(fù)載能力：≤100kg
行走方式：輪式
防碰撞探測：機(jī)械方式
工作平臺(tái)提升方式：半閉環(huán)控制機(jī)械方式提升
工作平臺(tái)提升高度：500mm
外形尺寸：寬≤600mm
2.2 雙輪驅(qū)動(dòng)方案的實(shí)施
雙電機(jī)前輪驅(qū)動(dòng)
車體基本架構(gòu)：
原型車體采用設(shè)計(jì)要求，車體重量約200kg,采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，軸距380mm，電池采用免維護(hù)封閉式鉛酸蓄電池，90Ah 12V 2節(jié)，總電壓24v。電動(dòng)機(jī)為永磁無刷直流輪藏式電動(dòng)機(jī)，上海司壯電機(jī)有限公司制造，其額定功率為92W額定轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)/分。輪轂電動(dòng)機(jī)配直徑200mm輪胎，電動(dòng)車設(shè)計(jì)額定速度為3.6km/h。
電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總體框圖如下圖
第三章 輪轂電機(jī)
3.1 電動(dòng)小車的電動(dòng)機(jī)選型
眾所周知，直流電機(jī)具有優(yōu)越的調(diào)速性能，主要表現(xiàn)在調(diào)速方便（可無級調(diào)速），低速性能好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)電流小，調(diào)速范圍寬，運(yùn)行平穩(wěn)，效率高，噪音低。
直流電機(jī)的調(diào)速裝置非常的關(guān)鍵，因?yàn)橛来艧o刷直流電機(jī)的調(diào)速裝置擁有一個(gè)高性能高速實(shí)時(shí)數(shù)字控制器，所以決定了這個(gè)系統(tǒng)擁有控制相對簡單，成本低，高效節(jié)能，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，噪音低等優(yōu)點(diǎn)，永磁無刷直流電機(jī)是節(jié)能型綠色環(huán)保產(chǎn)品，特別適合應(yīng)用在家用電器產(chǎn)品中，在其他工業(yè)應(yīng)用中也得到了推廣，如機(jī)床、機(jī)器人和電梯驅(qū)動(dòng)等。
所以選擇永磁直流無刷電機(jī)作為電動(dòng)小車的電動(dòng)機(jī)。
3.2 永磁直流無刷電機(jī)的特點(diǎn)
永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用非常的廣泛，也可運(yùn)用在電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車、抽油煙機(jī)、電梯、豆?jié){機(jī)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、小型清污機(jī)等機(jī)械上。
新型永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方便，可以進(jìn)行無級調(diào)速，特別適合于民用產(chǎn)品，也可以作為伺服電動(dòng)機(jī)用于工業(yè)控制場合。除了調(diào)速方便還具有運(yùn)行效率高，啟動(dòng)力矩大，啟動(dòng)電流小，噪音低，無機(jī)械換向器，工作壽命長等優(yōu)點(diǎn)。
永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、制作容易、控制方便、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，適用于工業(yè)控制及各類民用產(chǎn)品的領(lǐng)域。
（1） 電機(jī)要滿足各種運(yùn)行模式下的轉(zhuǎn)速要求，就必須擁有范圍大的工作轉(zhuǎn)速，同時(shí)為了方便用戶在驅(qū)動(dòng)器上編程，永磁無刷直流電機(jī)采用DSP芯片將驅(qū)動(dòng)器及控制器集成于一體，這樣就可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，多種變速甚至定位動(dòng)作。
（2） 因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)需要在超低轉(zhuǎn)速下工作，一般的交流變頻器是做不到的，然而永磁無刷直流電機(jī)的性能可以滿足這樣的工作環(huán)境，甚至有些新型無刷直流電機(jī)完全可以取代小功率交流變頻器，所以我們選擇永磁無刷直流電機(jī)。
（3） 電機(jī)要幾乎不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，就必須擁有大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這也是永磁無刷電機(jī)的有點(diǎn)。
（4） 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的效率比較高，比一般的交流變頻系統(tǒng)效率還要高。
（5） 永磁無刷直流電機(jī)的壽命比一般的交流電機(jī)要高，這是因?yàn)樗臏厣^低，與同功率交流電機(jī)相比溫升可低30%左右。
（6） 永磁無刷直流電機(jī)比一般的電機(jī)噪音要低。
3.3 小車用電機(jī)的選擇
電動(dòng)機(jī)
1. 通過網(wǎng)絡(luò)查找“直流電動(dòng)機(jī)”獲取信息。
浙江中原電氣有限公司（http://www.zyec.com/index.aspx）是一家專門從事稀土永磁電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置的科研與制造的高科技實(shí)業(yè)公司。
其生產(chǎn)的TYWZ稀土永磁無刷直流電機(jī)以高性能稀土永磁材料作轉(zhuǎn)子材料，保留了傳統(tǒng)直流電機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)，而且還具有以下特點(diǎn)：
·轉(zhuǎn)矩特性好，尤其是中、低速轉(zhuǎn)矩性能好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大；
·調(diào)速特性也比較好，尤其在中、低速調(diào)速性能方面；
·永磁無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，響應(yīng)速度快；
·結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，可靠性高，適應(yīng)性強(qiáng)，維修與保養(yǎng)簡單；
·耐顛簸震動(dòng)，震動(dòng)更小，運(yùn)轉(zhuǎn)更平滑，噪音更低，壽命更長；
·防護(hù)等級：IP-54 IP-55
2 TYWZ稀土永磁無刷直流電機(jī)的典型應(yīng)用
·電動(dòng)汽車
·電動(dòng)自行車
·磁懸浮列車
·軍事工業(yè)
·伺服系統(tǒng)
3 TYWZ稀土永磁無刷直流電機(jī)的電氣參數(shù)
電機(jī)型號(hào)
電壓等級U（v）
額定功率P（kw）
額定轉(zhuǎn)速RPM
額定電流I（A）
效率
η（%）
功率因數(shù)COSθ
防護(hù)等級
重量W
（kg）
TYWZ-18-63
DC220
0.18
3000
1.1
90
0.91
IP-54或IP-55
5
TYWZ-50-63
DC24
0.5
3000
25
90
0.88
IP-54或IP-55
5
4. 小結(jié)：系列產(chǎn)品功率偏大，不宜選用
西安微電機(jī)研究所（http://www.micromotor.com.cn/micromotor）是我國微特電機(jī)和數(shù)控系統(tǒng)的主要研究開發(fā)基地，國家微電機(jī)專業(yè)研究所。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展尤其是電子技術(shù)，其生產(chǎn)的新型無刷直流電動(dòng)機(jī)在性能上保持了普通直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，是一種新型直流電動(dòng)機(jī)。
該類電機(jī)不僅可做為一般直流電動(dòng)機(jī)使用，還能做直流穩(wěn)速電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)等使用。
ZWS型無刷直流電動(dòng)機(jī) 技術(shù)數(shù)據(jù) Technical Data
型號(hào)
額定電壓（V）
額定功率（W）
額定電流（A）
額定轉(zhuǎn)矩(N·m)
額定轉(zhuǎn)速(r/min)
36ZWSC01A
27
63
3
0.0554
11000
40ZWSC01
54
180
4
0.4
4300
55ZWS04
48
80
2.3
0.5
1500
55ZWS04A
24
55
≤5
0.32
1500
88ZWS01
24
113
5.8
0.36
3000
90ZW03
48
100
≤6
0.12
8000
90ZWSK01
24
≤4
18000
小結(jié)：根據(jù)計(jì)算要求可選擇 55ZWS04
55ZWS04
48
80
2.3
0.5
1500
圖片如左圖
上海司壯電機(jī)有限公司
（http://strongmotor.cn.alibaba.com/athena/sampledetail/5358254.html）是專業(yè)制造和銷售交流減速電機(jī)、直流減速電機(jī)、空心杯直流伺服電機(jī)和減速電機(jī)的企業(yè)，產(chǎn)品以出口美國和歐洲為主。
分析該公司產(chǎn)品：其功率較大、結(jié)構(gòu)緊湊，且均與減速器集成，有多種減速比可供選擇，簡單適用。省去了單獨(dú)設(shè)計(jì)減速器等問題。
經(jīng)比較分析，90JB齒輪減速器永磁直流電動(dòng)機(jī)符合我們的使用設(shè)計(jì)要求，可供選用。
90JB齒輪減速永磁直流電動(dòng)機(jī)
產(chǎn)品型號(hào)：90JB/83125 直流減速電機(jī)系列
產(chǎn)品名稱：90JB齒輪減速永磁直流電動(dòng)機(jī)
原產(chǎn)地： 上海
裝運(yùn)期限：天
描述：電動(dòng)機(jī)輸出功率有77W、92W兩個(gè)品種，電壓24V。減速器安裝端面尺寸90*90mm等，偏心出軸，減速比有1:3~1:150等12個(gè)規(guī)格可供選擇。減速器最大允許負(fù)載20N·m，最大瞬時(shí)允許負(fù)載30N·m。采用“一體式”減速器，詳細(xì)介紹見單相交流電容運(yùn)轉(zhuǎn)齒輪減速電動(dòng)機(jī)的內(nèi)容。
總結(jié)：
根據(jù)要求，綜合以上比較分析之后，從簡化結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)角度出發(fā)，選擇上海司壯電機(jī)有限公司的90JB齒輪減速永磁直流電動(dòng)機(jī)77W的作為升降臺(tái)用電機(jī)。
選用上海司壯電機(jī)有限公司的90JB齒輪減速永磁直流電動(dòng)機(jī)92W的作為車輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
主要參數(shù)如下：
型號(hào)
額定電壓
額定功率
額定電流
額定轉(zhuǎn)矩
額定轉(zhuǎn)速
90JB
24V
77W
3.2
1500
第四章 電動(dòng)小車的蓄電池
4.1 蓄電池技術(shù)的現(xiàn)狀
從1835年美國湯姆斯發(fā)明電動(dòng)汽車至今已有150年的歷史，在這其間一直制約電動(dòng)汽車發(fā)展的最主要因素是驅(qū)動(dòng)用的蓄電池技術(shù)，其實(shí)蓄電池技術(shù)是電動(dòng)車技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)，就是因?yàn)殛P(guān)鍵技術(shù)的落后，才導(dǎo)致了電動(dòng)車緩慢的發(fā)展。
蓄電池技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀制約電動(dòng)汽車時(shí)代能否到來。蓄電池的關(guān)鍵技術(shù)包絡(luò)比能量、比功率、循環(huán)壽命、充電時(shí)間、安全性、可靠性及價(jià)格等。
當(dāng)今的蓄電池主要有如下幾類：
鉛酸蓄電池
鉛酸蓄電池是現(xiàn)在大多數(shù)電動(dòng)汽車都會(huì)選用的蓄電池。因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)緊湊，性能可靠，而且價(jià)格低廉，獲得了廣泛的應(yīng)用算得上是現(xiàn)在比較成熟的電池，但是也有一些缺點(diǎn)，例如質(zhì)量重，功率密度小，而且平均壽命短僅為2~2.5年，在寒冷氣溫下會(huì)更短。同時(shí)鉛酸蓄電池也存在一定的危險(xiǎn)，比如他在充電時(shí)放出的氫氣有爆炸的危險(xiǎn)，為了解決這個(gè)問題我們采用密封裝置來提高安全性。我們采用膠體來代替鉛酸蓄電池溶液，這樣也可以增加電池的安全性，但其過充電、過放電時(shí)壽命會(huì)縮短。美國能源部提出了鉛酸蓄電池的研究，在19991年成立了美國先進(jìn)蓄電池財(cái)團(tuán)（USABC），隨后在美國能源部和USABC的共同努力下研發(fā)了鉛酸蓄電池。福特公司作為USABC的生產(chǎn)伙伴之一，希望鉛酸蓄電池能為他們生產(chǎn)的第1批電動(dòng)汽車提供動(dòng)力。美國另外一家汽車公司，通用汽車公司生產(chǎn)的電動(dòng)汽車也采用了鉛酸蓄電池，他們所推出的第1代“沖擊牌”電動(dòng)汽車，采用了395kg的鉛酸蓄電池系統(tǒng)，這個(gè)鉛酸蓄電池系統(tǒng)每次需要2~3小時(shí)充電時(shí)間，沖完電時(shí)速可達(dá)120km，每充一次電最多可行駛195km。
鎳鎘蓄電池
鎳鎘蓄電池的技術(shù)成熟性僅此于鉛酸蓄電池，他們的體積能量密度也相近，但是在質(zhì)量能量密度方面，鎳鎘蓄電池比鉛酸蓄電池優(yōu)越，質(zhì)量能量優(yōu)越的同時(shí)成本卻比比鉛酸蓄電池高50%。雪鐵龍公司的新型電動(dòng)車采用了鎳鎘蓄電池，他們設(shè)計(jì)了能完全回收的以電為動(dòng)力的雪特拉原型車，吸收了鎳鎘蓄電池組件結(jié)構(gòu)一體化的優(yōu)點(diǎn)。據(jù)該公司稱，該車的蓄電池使用要求為10年，最高時(shí)速達(dá)109km/h，平均時(shí)速90km/h，一次充電行駛109km。鎳鎘蓄電池能量高，放電深度及周圍溫度的變化對其性能影響較小，可以急速充電、過充電而且很安全，壽命一般為3年。但這種蓄電池除非完全放電，否則不能完全充電，因此汽車的行程受到了影響。另外，鎳鎘蓄電池用完后需要回收，其回收能力盡管是一大難題，但是為了防止污染環(huán)境也需要回收電池。據(jù)日產(chǎn)公司稱，他們覺得電動(dòng)汽車充電時(shí)間長不僅不實(shí)用還會(huì)產(chǎn)生浪費(fèi)，所以他們在生產(chǎn)的FEV（未來電動(dòng)車）車上采用了新的技術(shù)來解決充電時(shí)間長的問題，采用了新技術(shù)的未來電動(dòng)車每次充電只需要15min就能充滿，充電6min就可以達(dá)到40%的充電量，大大縮短了充電時(shí)間。FEV車充電時(shí)間短的的秘訣是因?yàn)樗玫男铍姵刂挥谐Ｒ?guī)汽車蓄電池的一半，而且薄而輕，電池由23節(jié)鎳鎘蓄電池組成，重量為202kg。該車不僅充電時(shí)間快，而且在充滿電后時(shí)速可達(dá)到72km/h，最高車速可達(dá)130km/h，可連續(xù)行駛160km。該車的也兼顧到散熱問題，它的蓄電池采用了比普通組件更薄，更堅(jiān)固的隔片，通過增加表面積來改善散熱，還可以提高效率。此外，先進(jìn)材料還降低了電阻。然而該快速充電系統(tǒng)的缺點(diǎn)也同時(shí)存在，缺點(diǎn)就是在充電時(shí)需440V的輸入量才能達(dá)到快速充電時(shí)間。為了進(jìn)一步研究鎳鎘蓄電池，日本東京電力有限公司（TEPCO）和東京研究與開發(fā)有限公司共同研制的IZA車，288V鎳鎘蓄電池為該車提供動(dòng)力，附件由鉛酸蓄電池提供動(dòng)力。在實(shí)際行駛中，該車標(biāo)準(zhǔn)時(shí)速是40km/h，完全充電后該車可行駛超過547km。蓄電池充電電源為50A220V，在8小時(shí)內(nèi)可以完成充電。該車的整體性能水平基本與汽油為燃料的汽車性能相同。
鈉硫蓄電池的儲(chǔ)備能量是鉛酸蓄電池的2倍，但是其相關(guān)技術(shù)尚處于發(fā)展階段。鈉硫蓄電池不僅能量密度高，而且由于結(jié)構(gòu)緊湊可以緩解封裝問題。但其工作環(huán)境一般在300~350℃的高溫下，在不使用時(shí)要保溫，因?yàn)殡姵卦诓还ぷ魇菚?huì)凝固，一旦凝固就沒有功率可發(fā)啦。鈉硫的化學(xué)反應(yīng)會(huì)放出大量熱量，使內(nèi)壓升高，硫在溫度超過445℃時(shí)就會(huì)沸騰，這樣很危險(xiǎn)，還好不用擔(dān)心鈉硫蓄電池的回收工作，因?yàn)殁c硫蓄電池?fù)碛歇?dú)特的回收結(jié)構(gòu)，，所以回收很方便。
鋰鉛二硫化鐵蓄電池（LAIS）以及鋰和某種聚合物的蓄電池共同組成鋰蓄電池，鋰蓄電池能量的釋放受溫度的變化影響較大，所以他的可靠性也會(huì)受到影響。鋰鉛二硫化鐵蓄電池有很高的能量密度和功率密度，是一種正在研究的蓄電池。鋰和某種聚合物的蓄電池是一種固態(tài)系統(tǒng)，但現(xiàn)在還處于初期開發(fā)階段?？巳R斯勒公司工程副總裁弗朗索瓦·卡斯坦說：“從長遠(yuǎn)角度看，鋰蓄電池有很大的發(fā)展前途。到1995年，該技術(shù)可用于汽車上。如果想要提高電動(dòng)汽車的行程可以在設(shè)計(jì)中采用這項(xiàng)技術(shù)，一般能提高到483km。英派克特電動(dòng)汽車在美國通用汽車公司的改進(jìn)下得到了很大的提升，據(jù)接近該項(xiàng)目的有關(guān)人士說，原因就是第2代英派克特可能采用鋰蓄電池代替原來計(jì)劃的鎳鎘蓄電池。
鎳鐵蓄電池與鉛酸蓄電池相比性能相近。克萊斯勒公司的最新概念小篷車（EPIC）采用了電源為180V、200Ah的鎳鐵蓄電池提供動(dòng)力。據(jù)稱該車在鎳鐵蓄電池作用下最高時(shí)速可達(dá)105km/h，但缺陷是在行駛了193km后，EPIC小篷車不得不在用220V電壓上充電8h。該車配有817kg的蓄電池組，蓄電池組使用自動(dòng)供水系統(tǒng)，在補(bǔ)水前，可以連續(xù)使用3個(gè)月。鎳鐵蓄電池組雖然性能與鉛酸蓄電池差不多，但是成本卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鉛酸蓄電池。普通的鉛酸蓄電池要2000美元，而鎳鐵蓄電池高達(dá)10000美元，這讓很多產(chǎn)家望而卻步。
能量密度為鈉硫蓄電池的2倍的鋅蓄電池是一種電解液循環(huán)的特殊蓄電池，能在室溫下工作。不僅能獲得高的能量密度，還能取得輕量化，前提是在結(jié)構(gòu)上采用樹脂，這樣做的話還能降低電池價(jià)格。但是如何增大能量密度延長循環(huán)壽命是急需解決的問題。鋅空氣蓄電池壽命很短，只有2年，處于初期開發(fā)階段。
4.2 蓄電池容量的計(jì)算方法
所定的電壓、所定的時(shí)間和可向負(fù)載決定了蓄電池的容量。
1. 計(jì)算容量的必要條件
A 放電電流
放電過程中負(fù)載電流的增減隨時(shí)間而變化。
B 放電時(shí)間
可預(yù)期的負(fù)載的最大時(shí)間
C 最低蓄電池溫度
蓄電池放置場所的溫度條件會(huì)影響到蓄電池的最低溫度，所以一般情況下需要判斷一下蓄電池放置場所的溫度條件。一般分為兩種，5℃（室內(nèi)）和—5℃（寒冷），遇到有空調(diào)的情況，室內(nèi)溫度作為最低溫度。
D 允許的最低電壓
單格允許的最低電壓（V/單格）=（負(fù)載所允許的最低電壓+導(dǎo)線的電壓損失）/串聯(lián)格數(shù)
2 容量的計(jì)算公式
C=1*[K1I1+K2(I2-I1)、、、、、、、KN（IN-IN-1）]/L
L：一般L值采用0.8.
K：時(shí)間換算由放電時(shí)間T、電池的最低使用溫度、允許的最低電壓而決定。
4.3 小車蓄電池的選擇
蓄電池
上海霆峰電子科技有限公司是一家集銷售和代理不間斷電源系統(tǒng)、全封閉免維護(hù)蓄電池系列、特殊規(guī)格交直流逆變電源系統(tǒng)的公司。其經(jīng)營銷售的沈陽松下系列電池功率大，容量大，符合我們的設(shè)計(jì)要求
型號(hào)
電壓（V）
容量（Ah）
外形尺寸（mm）
重量
含端子型號(hào)
長
寬
高
總高
LC-P0612
6
12
151
50
94
100
1.95
187.250M
LC-R127
12
7
151
64.5
94
100
2.2
187.250M
LC-RA1212
12
12
151
98
175
179.5
2.8
187.250M
LC-X1224
12
24
165
125
175
175
8.5
L
LC-X1224A
12
24
165
125
175
175
8.5
BOLT
LC-QA1224A
12
24
165
125
175
179.5
10
BOLT
LC-X1228
12
28
165
125
175
180
10.2
L
LC-X1228A
12
28
165
125
175
175
10.2
BOLT
LC-X1238
12
38
197
165
175
180
12.8
L
LC-X1238A
12
38
197
165
172
175
12.8
BOLT
LC-X1242
12
42
197
165
175
180
15.5
L
LC-X1242A
12
42
197
165
175
175
15.5
BOLT
LC-P1242A
12
42
197
165
175
175
17
BOLT
LC-X1265
12
65
350
166
175
175
21
L
LC-XA12100
12
100
407
173
210
236
32.5
L
分析比較各種型號(hào)，綜合考慮功率、容量等因素
選擇LC-X1242作為電車的驅(qū)動(dòng)電池
結(jié)束語
本文以雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)、控制為核心，分析研究了相關(guān)的機(jī)械技術(shù)，電機(jī)技術(shù)，電力電子技術(shù)，以及EV動(dòng)力學(xué)等，在此基礎(chǔ)上，成功的設(shè)計(jì)了應(yīng)用于雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)（電動(dòng)）小車方案。
本文針對EV的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，對比各種電機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，著重對永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了介紹和分析。本文分析了永磁無刷直流電機(jī)適用于雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和分析對比說明了此類型的電動(dòng)機(jī)對獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的良好適應(yīng)性。
雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)與傳統(tǒng)的差速器驅(qū)動(dòng)有本質(zhì)的不同，本文借鑒傳統(tǒng)汽車動(dòng)力學(xué)，對EV動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，由于雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)可以對每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪施加獨(dú)立的控制，所以雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)比傳統(tǒng)差速器系統(tǒng)具有更好的操控性。
蓄電池技術(shù)是電動(dòng)車的關(guān)鍵技術(shù)，本文也初略探討了動(dòng)力蓄電池的特性和選用等內(nèi)容。
本文根據(jù)前述驅(qū)動(dòng)方案構(gòu)造了實(shí)際的系統(tǒng)（小車），設(shè)計(jì)結(jié)果表明實(shí)際系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡練，性能良好，便于實(shí)現(xiàn)。
鑒于本研究課題的時(shí)限和本人的知識(shí)水平，在設(shè)計(jì)構(gòu)造這一新型驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的工作基礎(chǔ)上，還存在大量工作未完成，甚至可能還存在不少錯(cuò)誤，有待于在以后的工作和學(xué)習(xí)中改進(jìn)。但我相信以永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車有令人矚目的發(fā)展前景。
致 謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)得到了江蘇大學(xué)龐偉老師的悉心指導(dǎo)。在龐老師身上學(xué)到了許多的東西，他為人誠懇，謙遜，和藹可親，平易近人，淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和忘我的工作精神使我受益匪淺，也是我今后學(xué)習(xí)的榜樣。在此，我向王老師致以崇高的敬意，并由衷的祝愿他工作順利，開開心心。
本篇論文從選題、文獻(xiàn)的搜集、以及后期的設(shè)計(jì)過程，都得到龐偉老師的悉心指導(dǎo)，耐心指出我的錯(cuò)誤，使得我的課題能夠順利完成。
最后，感謝一直支持和幫助我的老師，同學(xué)和家人，感謝他們這四年來辛勤無私的付出，謝謝。
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一個(gè)有關(guān)移動(dòng)機(jī)器人定位的視覺傳感器模型
Matthias Fichtner Axel Gro_mann
Arti_cial Intelligence Institute
Department of Computer Science
Technische Universitat Dresden
Technical Report WV-03-03/CL-2003-02
摘要
我們提出一個(gè)在走廊和傳感器模型凌亂的奧西環(huán)境下的概率估計(jì)。該模型是基于在相機(jī)中所獲得的圖像特性與本發(fā)明的特征的環(huán)境中的一個(gè)給定的三維幾何模型的比較。所涉及的技術(shù)比最先進(jìn)的攝影測量方法還簡單。這使得模型用于概率機(jī)器人的定位方法中。此外，他非常適合傳感器融合。傳感器模型已經(jīng)用于蒙特卡羅定位跟蹤的移動(dòng)機(jī)器人位置導(dǎo)航任務(wù)里。實(shí)證結(jié)果提出了這個(gè)應(yīng)用程序。
1 介紹
準(zhǔn)確的本地化問題是移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)。為了成功的解決復(fù)雜的任務(wù)，自主機(jī)器人必須可以正確的可靠地估計(jì)其目前的狀態(tài)。該定位方法的選擇通常取決于傳感器的種類和號(hào)碼，有關(guān)操作環(huán)境的先驗(yàn)知識(shí)，和可用的計(jì)算資源。最近，應(yīng)用導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)越來越受歡迎。在室內(nèi)機(jī)器人的技術(shù)中，我們可以區(qū)分的方法是古人的攝影測量和計(jì)算機(jī)視覺，該方法起源于人工智能機(jī)器人。以視覺為基礎(chǔ)的導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展的一個(gè)重要的技術(shù)貢獻(xiàn)是通過識(shí)別來自未知的觀點(diǎn)在使用特征不變的特征單幅圖像的3D對象的工作。后來，這種技術(shù)拓展到全球定位和同步地圖建設(shè)。
最后系統(tǒng)進(jìn)行位置跟蹤通過使用一個(gè)環(huán)境的幾何模型和統(tǒng)計(jì)模型的機(jī)器人的不確定性運(yùn)動(dòng)姿勢和吩咐。機(jī)器人的位置是由一個(gè)高斯分布表示，并通過卡爾曼濾波更新。尋找相應(yīng)的攝像機(jī)圖像和模型的特點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化，由此突出姿勢的不確定性為攝像機(jī)圖像。
在蒙特卡洛定位的基礎(chǔ)上，凝結(jié)算法已經(jīng)成功的應(yīng)用于導(dǎo)游機(jī)器人。這種基于視覺的貝葉斯過濾技術(shù)利用一個(gè)基于采樣的密度表示。在結(jié)論的對比中，他可以代表多峰概率分布。由于天花板的視覺地圖，它能定位全球范圍內(nèi)使用標(biāo)量的亮度測量機(jī)器人。結(jié)合了視覺距離特性和視覺地標(biāo)在機(jī)器人中的應(yīng)用程序提出了一個(gè)建立產(chǎn)線的方法。由于他們的方法依賴于專業(yè)的標(biāo)志性建筑，它并不適用于一次環(huán)境。
我們工作的目的是開發(fā)一種概率傳感器模式的攝像機(jī)位置估計(jì)。給定一個(gè)3D幾何環(huán)境地圖，我們想近似測量當(dāng)前相機(jī)圖像在某個(gè)地方獲得的機(jī)器人的工作環(huán)境。我們使用這個(gè)傳感器模型與MCL跟蹤在走廊移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的位置?？赡艿脑?，它也可以用于定位在雜亂的辦公環(huán)境和基于形狀的物體的檢測。
一方面，我們結(jié)合攝影技術(shù)基于地圖的特征攝影與韌帶的靈活性和魯棒性，如處理本地化歧義的能力。另一方面，特征匹配操作應(yīng)該足夠快，以允許傳感器融合。除了視覺輸入，我們想使用距離讀數(shù)從聲波和激光來提高定位精度。
本文組織如下。在第二節(jié)中，我們討論之前的工作。在第三節(jié)中，我們描述了視覺傳感器模型的組件。在第四節(jié)中，我們目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過MCL位置跟蹤。我們的結(jié)論在第五節(jié)。
2 相關(guān)工作
在經(jīng)典的基于模型的構(gòu)成方法測定中，我們可以區(qū)分兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的問題。對應(yīng)的問題是涉及到求相應(yīng)的模型和圖像特征。這種映射發(fā)生之前，位置模型的模型特性生成使用給定的相機(jī)姿勢。據(jù)說特性可以匹配如果他們相互靠近。而造成的問題由3D相機(jī)坐標(biāo)對世界起源的模型考慮到相對應(yīng)的功能結(jié)束。顯然，有一個(gè)問題需要對方事先解決，這使得解決任何耦合問題非常困難。
上面的經(jīng)典問題的解決方案如下假設(shè)—測試途徑：
（1） 給定一個(gè)攝像機(jī)位置估計(jì)，最佳匹配特征對群體提供初始猜測。
（2） 對于每一個(gè)假說，估計(jì)的相對相機(jī)的姿勢被給定計(jì)算誤差的函數(shù)最小化。
（3） 現(xiàn)在有一個(gè)更準(zhǔn)確的姿勢估計(jì)用于每個(gè)假說，其余模型特性投射到的圖像與使用相機(jī)的姿勢有關(guān)。匹配的質(zhì)量評估使用合適的誤差函數(shù)，在所有的假設(shè)收益率中排名。
（4） 排名最高的假設(shè)被選中。
注意，對應(yīng)的問題解決步驟（1）和（3），構(gòu)成問題（2）和（4）。
該算法的性能將取決于所使用的特征的類型，例如邊緣，線段，或色彩，以及圖像和模型之間的相似性度量的選擇，在這里被稱為誤差函數(shù)。線段是我們的選擇，因?yàn)樗麄兛梢栽诟淖児庹諚l件下被相對可靠地檢測到。作為世界模型，我們使用的操作環(huán)境是一個(gè)線框模型，在VRML中表示。設(shè)計(jì)一個(gè)合適的相似性度量是更加困難的。
原則上，誤差函數(shù)是基于取向差異相應(yīng)行段在圖像和模型中，他們的距離和長度的差異，為了減少重要性，考慮到目前多有的功能對。這個(gè)已經(jīng)建立在以下三種常見的措施中。3D被定義為模型線端點(diǎn)之間距離的總和和相應(yīng)的平面。這一措施很大程度上依賴于與相機(jī)相反投影的距離。e2D稱為無限圖像行，是預(yù)測模型線的垂直距離對應(yīng)的端點(diǎn)與無限延伸線在平面上的圖像。雙測度，e2D2，簡稱為在有限模型的線條，是總和超過所有的圖像線條端點(diǎn)對應(yīng)在圖像平面奈特雷擴(kuò)展模型的行。
圖1：視覺傳感器模型的處理步驟
限制搜索空間的匹配步驟，提出了限制可能的對應(yīng)數(shù)量，對于一個(gè)給定的姿勢估計(jì)通過結(jié)合線特性引入感性結(jié)構(gòu)。因?yàn)檫@些初始的對應(yīng)是通過e2D1和e2D2評價(jià)很高的要求強(qiáng)加在初始姿態(tài)估計(jì)與圖像處理作業(yè)，包括去除失真和噪聲和特征提取的精度。假設(shè)在完整的長度下獲得所有可見模型。已經(jīng)證明了一些異常值會(huì)嚴(yán)重影響最初的通訊，在老的原始方法中由于頻繁截?cái)嘁鸬木€路壞下，阻塞和雜物。
3 傳感器模型
我們的方法是出于這個(gè)問題是否解決通信問題的估計(jì)可以避免相機(jī)姿勢。相反，我們建議進(jìn)行的圖像和模型的功能相對簡單，直接匹配。我們想調(diào)查的準(zhǔn)確性和魯棒性是這種方式所能達(dá)到的水平。
參與本方法的處理步驟示于圖1.從相機(jī)中取出圖像失真后，我們用算子提取邊緣。這個(gè)操作符合在改變光照條件下提取。從邊緣線段確定結(jié)束點(diǎn)的坐標(biāo)被忽略。在這種表示中，截?cái)嗷蚍指罹€將有類似的坐標(biāo)在霍夫空間。同樣，行3D地圖投影到圖像平面使用攝像機(jī)姿態(tài)估計(jì)，并考慮到可見性約束，被表示為坐標(biāo)空間。我們已經(jīng)在匹配步驟中設(shè)計(jì)了幾種誤差函數(shù)被用來作為相似性度量。他們在下面描述。
中心匹配計(jì)數(shù)
該RST相似性度量是基于線段在霍夫空間的距離。我們認(rèn)為只能在一個(gè)長方形細(xì)胞內(nèi)的霍夫空間模型周圍為中心的功能，這些圖像特征作為可能匹配，對這些匹配結(jié)果進(jìn)行計(jì)數(shù)，并由此對產(chǎn)生的總和歸一化。從模型特征來測量措施應(yīng)該是不變的，就在3D地圖或是經(jīng)營環(huán)境的變化不是模仿的對象。通過歸一化得到明顯特點(diǎn)的人數(shù)的不變性。具體而言，集中匹配計(jì)數(shù)測量SCMC被定義為：
其中未命名的使用距離參數(shù)的有效匹配。一般來說，這種相似性度量計(jì)算預(yù)期模型的比例至少由一個(gè)測量圖像點(diǎn)組成。注意，這里端點(diǎn)坐標(biāo)和長度都不考慮。
網(wǎng)格長度匹配
所述第二相似性度量是基于行組的總長度值的比較。圖像中分割線條組合在一起使用一個(gè)統(tǒng)一的離散空間。這種方法類似于霍夫變換擬合的直線。執(zhí)行相同的線路段的三維模型。讓測量線的長度落入網(wǎng)格單元，同樣根據(jù)模型，然后網(wǎng)格長度匹配測量是：
對所有包含模型的所有特性的網(wǎng)格單元，這種方法測量的長度與預(yù)期的來衡量。再次，該映射是有方向性的，也就是說，該模型被用作參考，以獲得噪聲，雜波和動(dòng)態(tài)對象的不確定性。
近鄰和豪斯多夫距離
此外，我們嘗試了兩個(gè)通用的方法對兩組幾何實(shí)體的比較：近鄰和豪斯多夫距離。詳細(xì)信息請參閱【7】。都依賴于距離函數(shù)，我們基于離散坐標(biāo)空間，即線路參數(shù)和可選的長度，線性和指數(shù)的方式。查看完整描述【5】。
常見的錯(cuò)誤功能
為了比較，我們還實(shí)施了常用的誤差函數(shù)e3D,e2D1和e2D2，在笛卡爾空間中定義，我們代表行黑森符號(hào)xsinφ-ycosφ=d。通用誤差函數(shù)f，我們定義了相似度測量：
其中M是一組測量線，E是一組預(yù)期的行。在e2D1的情況下，f是由兩個(gè)模型之間的垂直距離線端點(diǎn)e1,e2，和無限擴(kuò)展的圖像行定義為：
同樣，雙重相似性度量，通過使用誤差函數(shù)e2D2，基于圖像之間的垂直距離線端點(diǎn)和無限擴(kuò)展行模式。
回憶的誤差函數(shù)e3D模型線端點(diǎn)的距離成正比，視圖平面通過一個(gè)圖像行和相機(jī)，我們可以使用f3D實(shí)例化方程定義為：
獲取概率
理想情況下，我們希望返回單遞減值的相似性度量方法用于預(yù)測模型的姿勢估計(jì)和實(shí)際偏離特性的姿勢估計(jì)。一般，我們的目標(biāo)是在一個(gè)有效而簡單的視覺傳感器模型中，抽象的想法是特定的姿勢和環(huán)境條件平均了大量的，獨(dú)立的情況。對于公度，我們想表達(dá)模型機(jī)器人的相對坐標(biāo)而不是絕對坐標(biāo)。換句話說，我們假設(shè)測量m的概率，鑒于姿勢lm的這張照片姿勢估計(jì)W的世界模型，等于這測量三維姿勢偏差的概率和世界模型。
由視覺傳感器模型返回的概率是通過簡單的比例獲得：
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
我們已經(jīng)在一系列實(shí)驗(yàn)中提出了評估傳感器模型的相似措施。使用理想化條件下人為創(chuàng)建圖像，然后我們將扭曲和噪聲添加到測試圖像中。隨后，我們使用在走廊已經(jīng)獲得的機(jī)器人真實(shí)圖像。最后，我們使用了傳感器模型穿越走廊跟蹤機(jī)器人的位置。在所有這些情況下，得到的三維可視化模型，他被用來評估解決方案。
模擬使用人為創(chuàng)造的圖像
作為第一種評價(jià)，我們生成的合成圖像特性通過從某個(gè)相機(jī)姿勢中生成一個(gè)視圖的模型。一般來說，我們從右分支到左邊重復(fù)圖1。通過引入帶來Δｌ，我們可以直接顯示其影響相似度值。對可視化的目的，平移偏差Δx和Δy組成一個(gè)空間偏差Δt。初步實(shí)驗(yàn)顯示只有微不足道的差異時(shí)，他們被認(rèn)為是獨(dú)立的。
圖2 :在人為創(chuàng)造的圖像中CMC的性能
對于每一個(gè)上面給出的相似性度量，至少1500萬個(gè)隨機(jī)相機(jī)姿勢加上一個(gè)隨機(jī)造成偏差的范圍構(gòu)成收益率模型。中央軍委測量的結(jié)果如圖2所示。使用GNUPLOT的平滑算子得到表面的3D圖。我們注意到一個(gè)獨(dú)特的峰值在零偏差處理單遞減相似性值誤差增加。請注意，這個(gè)簡單的測量認(rèn)為端點(diǎn)坐標(biāo)和長度的行。然而，我們已經(jīng)取得了良好的結(jié)果。
而由此產(chǎn)生的GLM，CMC類似于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)曲線，峰值則更加與眾不同。這符合我們的預(yù)期，因?yàn)樵谶@里考慮到圖像和模型線非常的重要。與中央的測量相比，在這種方法中會(huì)有偶然的錯(cuò)誤匹配，由于不同的長度。
緊鄰的衡量是不使用的。雖然線性和指數(shù)加權(quán)方案嘗試，即使考慮到線段的長度，沒有獲得獨(dú)特的高峰，在進(jìn)一步考慮中導(dǎo)致其被排除。
基于豪斯多夫距離測量的表現(xiàn)不如前兩個(gè)，CMC和GLM，但是它的方式是所需要的。但其溫和的表現(xiàn)并不支付其最長的計(jì)算時(shí)間消耗在所有提出的措施中，并隨后被忽視。到目前為止，我們已經(jīng)表明我們的相似性措施可執(zhí)行。接下來，我們將使用誤差函數(shù)在這個(gè)框架中。在我們的設(shè)置函數(shù)e2D1表現(xiàn)很好。由此產(chǎn)生的曲線非常相似措施GLM中的曲線。這兩種方法都表現(xiàn)出一種獨(dú)特的峰值在正確的位置姿態(tài)中偏差為零。注意，線段的長度直接影響測量返回的相似度值，雖然兩個(gè)線性屬性有助于衡量e2D1。令人驚訝的是，其他兩個(gè)誤差函數(shù)e2D2和e3D表現(xiàn)不佳。
更現(xiàn)實(shí)的條件
在我們的傳感器模型中為了排除扭曲和嘈雜的圖像數(shù)據(jù)，我們描述進(jìn)行另一組實(shí)驗(yàn)。為此，我們應(yīng)用一下所有綜合誤差模型生成的圖像特征匹配模型特性。每個(gè)原始行被復(fù)制的小概率（p值=0.2），并移入空間。任何線路長度超過30 像素被分成以概率p=0.3.此外，設(shè)有不存在于模型和噪聲通過添加隨機(jī)線條圖像中的均勻分布進(jìn)行了模擬。本方向是根據(jù)電流分布的角度產(chǎn)生相當(dāng)?shù)牡湫吞卣鳌?
從第一組實(shí)驗(yàn)中，這些模擬的結(jié)果沒有顯著地差異。相似度在零偏差的最大值降低，所有的形狀和特征相似性措施仍在考慮保持不變。
使用真實(shí)的走廊照片
對現(xiàn)實(shí)世界的情況自上述模擬結(jié)果可能是有問題的，我們進(jìn)行了另一組實(shí)驗(yàn)取代合成特性測量的實(shí)際相機(jī)圖像。比較結(jié)果為各種參數(shù)設(shè)置，我們收集圖片2在先驅(qū)機(jī)器人在走廊上離線和記錄功能。對于走廊示例典型的觀點(diǎn)，機(jī)器人姿態(tài)在三維空間中的兩個(gè)不同的位置幾乎被離散化。后將手動(dòng)機(jī)器人在每個(gè)頂點(diǎn)歸零，它執(zhí)行一個(gè)完整的當(dāng)場將逐步記錄圖像。這樣可以確保最高的準(zhǔn)確性造成坐標(biāo)和圖像想關(guān)聯(lián)。這樣，已經(jīng)有超過3200張圖片收集到64個(gè)不同的位置（x,y）。同樣以上面的模擬，對姿勢進(jìn)行了系統(tǒng)選擇從所涵蓋的測量范圍內(nèi)。通過傳感器模型指的姿態(tài)偏差Δl中的相同的離散值計(jì)算出的值，根據(jù)公式2中的假設(shè)進(jìn)行平均。
圖3：GLM對從走廊真實(shí)圖像中表現(xiàn)
結(jié)果可視化的相似性度量空間（x,y）和旋轉(zhuǎn)偏離正確的相機(jī)姿態(tài)CMC衡量展覽一個(gè)獨(dú)特的峰值約零點(diǎn)誤差。當(dāng)然，由于數(shù)量小得多的數(shù)據(jù)樣本相對于模擬使用合成數(shù)據(jù)，曲線的形狀更崎嶇不平，但這是符合我們的期望。
采用此設(shè)置中的GLM措施的結(jié)果示于圖3。因?yàn)樗沂玖艘粋€(gè)更獨(dú)特的峰值相比，CMC的曲線，他或多或少的演示了特征圖譜之間的比較，考慮到了線路的長度。
蒙特卡洛本地化使用了視覺傳感器模型
我們的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)概率傳感器相機(jī)安裝在移動(dòng)機(jī)器人的模型上，我們繼續(xù)呈現(xiàn)的結(jié)果應(yīng)用到移動(dòng)機(jī)器人的本地化上。
傳感器的通用接口模型允許它用于貝葉斯本地化方法的校正步驟，例如，標(biāo)準(zhǔn)版的蒙特卡洛本地化算法。統(tǒng)計(jì)獨(dú)立以來，傳感器讀書中呈現(xiàn)了一個(gè)基本假設(shè)線，我們希望的是使用相機(jī)來代替獲得更高的準(zhǔn)確度和魯棒性除了常用的距離傳感器還有聲吶獲激光。
圖4 ：本地化圖像和預(yù)測模型
在走廊實(shí)驗(yàn)中，移動(dòng)機(jī)器人配備了固定安裝的CCD相機(jī)必須按照預(yù)定的路線形狀的雙重循環(huán)。途中，他必須停在八個(gè)預(yù)定義的位置，或者打開視圖在附近的一個(gè)角落里。每個(gè)圖像捕獲啟動(dòng)MCL的所謂校正步驟和所有樣本的權(quán)重，根據(jù)該傳感器模型重新計(jì)算，收益率密度最高的樣品可能在重新采樣正確的姿勢坐標(biāo)。在上述預(yù)測步驟中，將整個(gè)樣本集根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型和當(dāng)前測距傳感器的讀數(shù)移入空間。
我們的初步結(jié)果看起來很有希望。在位置跟蹤實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人被賦予了其開始位置的估計(jì)值，大部分時(shí)間里，機(jī)器人的位置假設(shè)在最好的姿勢。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們已經(jīng)使用了CMC措施，在圖4中，一個(gè)典型的相機(jī)如圖所示，而機(jī)器人如下所示請求路徑?；叶燃増D像描繪了視覺輸入的失真排除和預(yù)處理后的特征提取，也顯示提取線特征。此外，世界模型是根據(jù)兩個(gè)伸出姿勢，該測距跟蹤的構(gòu)成和通過MCL計(jì)算出的估計(jì)值，他大約對應(yīng)于正確的姿勢，在他們之間，我們觀察和旋轉(zhuǎn)誤差。
畫面還顯示，旋轉(zhuǎn)誤差對巧合特性有很強(qiáng)的影響程度。對應(yīng)于上述給出的結(jié)果，數(shù)據(jù)表現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)偏差比平移偏差表現(xiàn)出更高的梯度。這一發(fā)現(xiàn)可以解釋出運(yùn)動(dòng)裸關(guān)節(jié)的功能空間，因此我們的相機(jī)傳感器模型將在檢測旋轉(zhuǎn)中個(gè)出現(xiàn)分歧。像我們的先鋒軸承旋轉(zhuǎn)測程法遠(yuǎn)高于平移誤差，這個(gè)屬性使它特別適用于雙輪驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人。
5 結(jié)論和未來的工作
我們已經(jīng)提出了一個(gè)概率傳感器模型攝像機(jī)位置估計(jì)。通用的設(shè)計(jì)使得它適合與距離傳感器融合來感知來自其他的傳感器。在理想和現(xiàn)實(shí)的條件下，我們展示了廣泛的模擬和確定了合適的相似性度量。傳感器模型的本地化任務(wù)的移動(dòng)機(jī)器人的申請符合我們的預(yù)測偏差。在本文中我們強(qiáng)調(diào)了很多可以改進(jìn)的空間。
我們正在研究合適的技術(shù)來定量地評價(jià)定位算法的設(shè)計(jì)傳感器模型的移動(dòng)機(jī)器人的性能。這將使我們能夠嘗試雜亂的環(huán)境和動(dòng)態(tài)對象。結(jié)合相機(jī)傳感器模型使用的距離傳感器融合信息呈現(xiàn)強(qiáng)勁的下一個(gè)步驟和導(dǎo)航。因?yàn)橛杏玫墓δ軘?shù)量顯著變化作為機(jī)器人穿越室內(nèi)環(huán)境，這個(gè)想法駕馭相機(jī)對準(zhǔn)更豐富的視圖（主動(dòng)視覺）提供了一個(gè)很有前途的研究路徑，以及強(qiáng)大的導(dǎo)航功能。
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