昆明理工大学自动化讲座报告Word格式.docx

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钱斌

教授

二○一三年十二月

第一章自动化技术介绍

1.1自动化技术简介

自动化技术是一门综合性技术，它和控制论、信息论、系统工程、计算机技术、电子学、液压气压技术、自动控制等都有着十分密切的关系。

自动化是指机器设备、系统或过程（生产、管理过程）在没有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，实现预期的目标的过程。

将自动控制技术用于生产，可以提高劳动生产率，改善劳动条件和加强企业管理；

将自动控制技术用于国防领域，可以提高部队的战斗力，促进国防现代化。

自动控制技术在探索新能源、发展空间技术、改善人民生活及处理经济、社会问题等方面都起着日益重要的作用。

图1.1自动化生产线

1.2自动控制理论发展简史

1787年JamesWatt设计的离心式调速器在蒸汽机速度控制上得到普遍应用并易于出现震荡现象时，才开始出现研究控制理论的需要。

1868年英国物理学家JCMaxwell在论文“论调节器”中通过线性常微分方程的建立和分析，指出了震荡现象的出现与从系统导出的一个代数方程根的分布有密切关系，开辟了用数学方法研究控制系统运动特性的途径。

1892年俄国数学家AMLyapunov（李雅

普诺夫）用严格的数学分析方法全面地论述了稳定问题。

1925年，英国电气工程师O亥维赛把拉普拉斯变换应用到求解电路网络的问题上，创立了运算微积分，随后被应用到分析自动控制系统的问题上并取得显著成绩。

1932年，美国物理学家HNyquist（奈奎斯特）运用复变函数理论的方法建立了以频率特性为基础的稳定性判据，奠定了频率响应法的基础，随后NWBode和NBNichols等在20世纪30年代末和40年代初进一步发展了频率响应法。

由于反馈控制在工业过程中的广泛应用，根据大量的实际经验和对系统动态特性的线性近似，提出了比例—积分—微分控制（即PID控制器）。

在第二次世界大战期间，军事科学的需要大大促进了反馈控制理论的发展。

1948年，美国科学家WREvans提出了有名的根轨迹的分析方法。

20世纪50年代中期，空间技术的发展迫切要求建立新的控制理论以解决更复杂的问题，1956年前苏联科学家LSPonteyagin提出了极大值原理，同时美国数学家RBellman创立了动态规划。

到20世纪60年代初，一套以状态空间法、极大值原理、动态规划、卡尔曼滤波为基础的分析和设计控制系统的新理论和方法基本确立。

[文1]

1.3自动化技术的发展趋势

现代生产和科学技术的发展，对自动化技术提出越来越高的要求，同时也为自动化技术的革新提供了必要条件。

70年代以后，自动化开始向复杂的系统控制和高级的智能控制发展，并广泛应用到国防、科学研究和经济等各个领域，实现更大规模的自动化，例如大型企业的综合自动化系统、全国铁路自动调度系统、国家电力网自动调度系统、空中交通管制系统、城市交通控制系统、自动化指挥系统、国民经济管理系统等。

自动化的应用将在更大程度上模仿人的智能，机器人已在工业生产、海洋开发和宇宙探测等领域得到应用，专家系统在医疗诊断、地质勘探等方面取得显著效果。

工厂自动化、办公自动化、家庭自动化和农业自动化将成为新技术革命的重要内容，并得到迅速发展。

第二章智能汽车

2.1智能汽车简介

智能车辆（IntelligentVehicle）是机器人研究和工程应用的一个重要领域。

智能车辆是内涵丰富的广义概念，按照应用条件的不同，可将其分为两类：

室内轮式移动机器人（IndoorAutonomousMobileRobot）和室外轮式移动机器人（OutdoorAutonomousMobileRobotic）室内机器人是指在工厂车间、自动化仓库、物流中心等场所进行物品运输的具有智能特性的各种工业车辆；

室外机器人是指在结构化道路或非结构化无路越野条件下行驶的各种车辆，如：

智能汽车。

[文2]

图2.1智能汽车

智能汽车是一个集环境感知、规划策划、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，它集中运用了计算机、现代传感、信息融合、通讯、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。

智能汽车与通常所说的自动驾驶有所不同，它指的是利用多种传感器和智能公路技术实现的汽车自动驾驶。

智能汽车有一套导航信息资料库，存放全国高速公路、普通公路、城市道路以及各种服务设施的信息资料；

GPS定位系统，利用这个系统精确定位车辆所在的位置，与道路资料库中的数据相比较，确定以后的行驶方向；

道路状况信息系统，由交通管理中心提供实时的前方道路状况信息，必要时及时改变行驶路线；

汽车防碰系统，控制与其他车辆的距离，在探测到障碍物时及时减速或刹车，并把信息传递给指挥中心和其他车辆；

紧急报警系统，如果出现事故，自动报告指挥中心进行救援；

无线通信系统，用于汽车与指挥中心的联络；

自动驾驶系统，用于控制汽车的点火、改变速度和转向等。

[文3]

通常对车辆的操作实质上可以视为对一个多输入、多输出、输入输出关系复杂多变、不确定多干扰源的复杂非线性系统的控制过程。

驾驶过程中，驾驶员的人为因素占了很大比重，一旦出现驾驶员长时间驾车、疲劳驾车、判断失误的情况，很容易造成交通事故。

车辆智能化技术的研究和开发，可以提高车辆的控制与驾驶水平，保障车辆行驶的安全畅通、高效。

对智能化的车辆控制系统的不断研究完善，相当于延伸扩展了驾驶员的控制、视觉和感官功能，能极大地促进道路交通的安全性。

弥补人为因素的缺陷，使得即便在很复杂的道路情况下，也能自动地操纵和驾驶车辆绕开障碍物，沿着预定的道路轨迹行驶。

2.2智能汽车的智能技术

2.2.1汽车GPS技术

GPS（GlobLpilotsystem）全球导航系统也称全球卫星定位系统。

它是依靠地球周围的24颗定位卫星，不断的对地面发射三维位置、三维速度的电子信息，然后通过地球上安装的相应的接收设备接收到这些信息，并用中转帧继续设备进行分析，从而判定发射提供信息的物体所处方位的一种定位系统。

GPS的主要功能大致有以下几个方面:

（1）实时显示汽车在预先制定的电子地图中的位置、行驶速度，以及与目的地之间的距离。

输入目的地后自动生成一条去目的地的最佳行驶路线，并在转弯时用语言提醒用户，使用户去任何地方都不用问路，便可直接到达。

图2.2智能汽车主动巡航和低速保持

（2）随时可查询沿途的酒店、商店、加油站、修理厂、车站、码头等，为用户提供方便。

（3）可在汽车遭遇抢劫后，在指定范围内停止发动机的运行，并把汽车所处的位置报告警察。

（4）停车后可用其播放音乐或VCD。

（5）汽车GPS导航系统主要由两部分组成，一部分是由安装在原车上的GPS接收机和显示设备组成；

另一部分是由计算机控制中心组成。

两者之间通过定位卫星进行联系。

2.2.2汽车智能避撞系统

汽车避撞技术首先解决的问题是汽车之间的安全距离。

汽车与汽车之间超过了这个安全距离，就应该能自动报警，并采取制动措施。

目前测定汽车之间安全距离的方法有三种:

超声波测距、微波雷达测距和激光测距。

超声波汽车倒车避撞报警器是利用超声波回声测距的原理.超声波发生器发射出40KHz超声波遇到障碍物后产生反射波，超声波接收器接收到发射波信号，并将其转换成电信号,测量车后一定距离内的物体，这种新型避撞报警器可以及时显示车后障碍物的距离和方位，显示范围为0.5m-9.9m，当距离大于2m时显示车后障碍物的位；

当距离小于2m时，除了显示其方位外，还可按照三段距离分别给出三种报警信号，以警示司机三种不同程度的紧急状态，使司机据此作出相应措施，防止事故的发生。

微波雷达测距就是利用目标对电磁波反射来发现目标并测定其位置。

汽车避撞雷达是通过对电磁波发射后遇到障碍物反射的回波进行不断检测和计算，经过分析判断，对构成危险的目标按程度不同进行报警，控制车辆自动减速，直到自动刹车。

汽车避撞雷达的主要功能有:

测速测距；

对前方100m内危险目标提供声光报警；

兼备汽车黑匣子功能；

自动巡航系统；

紧急情况下自动刹车。

装有避撞雷达的汽车上了高速公路以后，驾驶员就可以启动车上的撞避雷达。

雷达选定好跟随的汽车以后，被跟随的汽车就成了后面汽车的“目标车”，无论是加速、减退，还是停车、启动，后面的汽车都能在瞬间之内予以模仿。

如果前面的汽车在行驶一段时间之后，不再适合于自己的“目标车”，驾驶员可以重新选择另一辆“目标车”。

激光测距的工作原理与微波雷达测距相似具体的测距方式有连继波和脉冲波两种。

激光雷达避撞装置是防追尾碰撞激光报警装置，该装置结构包括发光部、受光部、计算车间距离的激光雷达、信号处理电路、显示装置、车速传感器等组成。

激光镜头使脉冲的红外激光束向前方照射，并利用汽车后部分反光镜的反射光通过受光装置检测其距离，使用汽车反光镜，检测距离约为100m，最大检测宽度3.5m以上。

控制部分微机进行下列运算:

本车车速、前方行驶车辆车速和车间距离、根据车间距离和安全车间距离的比较发出警报声和报警灯闪烁，显示装置可在仪表盘上进行距离显示。

图2.3智能汽车避撞

2.2.3汽车智能“黑匣子”

汽车智能“黑匣子”能客观地记录机动车辆发生车祸前司机的操作过程，有效地提供驾驶员在事故发生前作出的种种反应。

据称，交通事故处理部门安装这种系统后，可随时对穿行在各条公路上的所有汽车进行实时监控，一旦发生车祸，离事故发生地点最近的交通事故处理中心可以在几秒钟之内获取撞车时的驾驶速度、车内乘客伤亡情况等信息。

这种黑匣子与普遍烟盒差不多大，构件包括可以储存、收集和传输数据的蜂窝电话装置和外部的保险装置。

车祸发生后，黑匣子会自动打开，利用传感器记录下汽车的行驶速度以及出车祸时汽车的撞击位置，然后将这些信息传输给中央通信系统。

黑匣子内部嵌有全球定位系统，该系统负责数据处理与传输功能。

2.2.4汽车智能驾驶系统

汽车智能驾驶系统相当于机器人，能代替人驾驶汽车。

它主要通过安装在前后保险杠及两侧的红外线摄像机，对汽车前后左右的一定区域进行不停的扫描和监视，车内计算机、电子地图、光化学传感器等对红外钱摄像机传来的信号进行分析计算，并根据道路交通信息管理系统传来的交通信息，代替人的大脑发出指令，指挥执行系统操作汽车。

2.2.5汽车智能钥匙

这种智能钥匙能发射出红外线信号，既可打开车门、行车箱和燃油加注孔盖，也可以操纵汽车的车窗和天窗。

更先进的智能钥匙则像一张信用卡，当司机触到车门把手时，中央锁控制系统便开始工作，并发射一种无线查询信号，智能钥匙作出正确反应后，车锁会自动打开。

同时，只有当中央处理器感到钥匙卡在汽车内时，发动机才会启动。

2.2.6汽车智能安全气囊

汽车智能安全气囊是在普遍安全气囊的基础上增设传感器和与之相配套的计算机软件而成。

其重量传感器能根据重量感知是大人还是小孩；

其红外线传感器能根据热量探测座椅上是人还是物体；

其超声波传感器能探明乘员的存在和位置等。

计算机的软件则能根据乘客的身体、体重、所处的位置和是否系安全带以及汽车碰撞速度及碰撞程度等及时调整气囊的膨胀时机、膨胀速度、膨胀程度，使安全气囊对乘客提供最合理和最有效的保护。

2.3智能汽车中的关键技术

2.3.1传感技术

要达到自主行驶的目的前提是能够掌握足够多的信息,这些信息的采集则需要通过各种传感器来获得,而数据的准确性与有效性直接关系到决策的成败。

（1）雷达系统。

雷达是一种主动型传感器,能够直接测量距离、速度、方位等,而不需要复杂的设计与繁复的计算。

此外,在阴雨等恶劣天气影响下,雷达系统仍然能够工作。

在各种雷达系统中,激光雷达较毫米波雷达能够提供更高的精度,但由于成本也很高,其推广受到一定的阻碍。

然而,光