本发明公开了一种组合式缩微智能车及其构成方法，所述组合式缩微智能车包括车体、连接部件、控制母板、即插即用设备以及组合式缩微智能车操作系统，即插即用设备插入控制母板的相应接口中，车体通过连接部件与控制母板相连，操作系统安装、运行在主运算设备上。所述方法包括以下步骤：将即插即用设备安装至控制母板相应的接口中；将控制母板通过连接部件与车体相连；配置安装组合式缩微智能车操作系统。本发明使设备安装模块化，组装简单；通过建立功能驱动库使设备具有即插即用功能；通过建立功能知识库完成缩微智能车所需功能的自动组合；操作人员只需组装便可完成组合式缩微智能车的搭建工作。本发明可以实现缩微智能车的定制安装，做到即插即用。
1.一种组合式缩微智能车，其特征在于，该组合式缩微智能车包括车体、连接部件、控制母板和即插即用设备，其中：所述车体通过连接部件与控制母板相连，用于接收控制命令并实现运动、支撑控制母板及安装在控制母板上面的设备，所述车体包含提供动力的电机、控制速度的电子调速器、控制转向的舵机和车灯；
所述控制母板用于连接各个即插即用设备，为即插即用设备提供载体，所述控制母板分为顶层控制母板和底层控制母板，顶层控制母板负责运算，底层控制母板负责数据收集，顶层控制母板和底层控制母板通过其上分别设置的连接槽孔和数据接口相连；
所述即插即用设备包括：主运算设备、车辆控制设备和外围输入设备；所述主运算设备用于进行设备功能的检查、设备功能的组合、环境感知、决策和控制；所述车辆控制设备包括电机控制模块、舵机控制模块和灯光控制模块；所述外围输入设备包括图像设备、音频设备、波形设备、GPS设备和通信设备；
所述即插即用设备直接插入所述控制母板的相应接口中，即插即用设备之间通过接口协议与主运算设备进行通信。
2.根据权利要求1所述的组合式缩微智能车，其特征在于，所述顶层控制母板包括主运算设备安装区、云台设备安装区以及数据接口，其中，主运算设备通过连接部件经槽孔连接到所述主运算设备安装区，所述云台设备安装区内安装图像采集设备，所述数据接口用于进行数据通信。
3.根据权利要求1所述的组合式缩微智能车，其特征在于，所述底层控制母板包括车辆控制设备安装区、电源设备安装区、外围输入设备安装区以及数据接口，其中，车辆控制设备、电源设备和外围输入设备分别安装到相应的安装区域，所述数据接口用于进行数据通信。
4.根据权利要求1所述的组合式缩微智能车，其特征在于，所述组合式缩微智能车进一步还包括组合式缩微智能车操作系统，该操作系统安装、运行在所述主运算设备上。
5.根据权利要求4所述的组合式缩微智能车，其特征在于，所述组合式缩微智能车操作系统包含功能驱动库、功能知识库和主程序，其中，所述功能驱动库是安装在组合式缩微智能车操作系统中的库函数，由原始设备的基本驱动和相应的功能描述共同构成，其将设备的基本驱动与相应的缩微智能车所需功能相结合生成功能驱动；所述功能知识库是安装在组合式缩微智能车操作系统中的库函数，其包含基本功能和组合功能函数的实现函数以及功能组合扩展逻辑；所述主程序包括设备的初始化程序和组合式缩微智能车运行所需的环境感知、决策和控制程序。
6.根据权利要求5所述的组合式缩微智能车，其特征在于，所述基本功能包括障碍物检测功能、道路检测功能和交通标志检测功能；所述组合功能由基本功能通过组合扩展逻辑来得到，所述组合功能包括避障功能、道路跟随功能、换道功能和泊车功能；所述功能组合扩展逻辑用于将多个外围设备的基本功能，经过组合扩展生成组合功能。
7.一种组合式缩微智能车的构成方法，所述缩微智能车包括车体、
连接部件、控制母板和即插即用设备，所述控制母板分为顶层控制母板和底层控制母板两层，所述即插即用设备包括主运算设备、车辆控制设备和外围输入设备，其特征在于，所述构成方法包括以下步骤：步骤1，将所述即插即用设备安装至所述顶层控制母板和底层控制母板上相应位置的接口上；
步骤2，通过所述连接部件将所述顶层控制母板和底层控制母板的连接槽孔相连；
步骤3，通过数据线将所述顶层控制母板和底层控制母板的数据接口相连，完成控制母板的组装；
步骤4，将所述控制母板通过连接部件与所述车体相连；
步骤5，在安装在所述顶层控制母板上的主运算设备中配置安装组合式缩微智能车操作系统。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述即插即用设备包括：主运算设备、车辆控制设备和外围输入设备；所述主运算设备用于进行设备功能的检查、设备功能的组合、环境感知、决策和控制；所述车辆控制设备包括电机控制模块、舵机控制模块和灯光控制模块；所述外围输入设备包括图像设备、音频设备、波形设备、GPS设备和通信设备。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤1进一步包括：将主运算设备通过连接部件经槽孔连接到所述顶层控制母板上的主运算设备安装区；将图像采集设备安装到所述顶层控制母板上的云台设备安装区；将车辆控制设备安装到所述底层控制母板上的车辆控制设备安装区；将电源设备安装到所述底层控制母板上的电源设备安装区；将外围输入设备安装到所述底层控制母板上的外围输入设备安装区。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述组合式缩微智能车操作系统包含功能驱动库、功能知识库和主程序，其中，所述功能驱动库是安装在组合式缩微智能车操作系统中的库函数，由原始设备的基本驱动和相应的功能描述共同构成，其将设备的基本驱动与相应的缩微智能车所需功能相结合生成功能驱动；所述功能知识库是安装在组合式缩微智能车操作系统中的库函数，其包含基本功能和组合功能函数的实现函数以及功能组合扩展逻辑；所述主程序包括设备的初始化程序和组合式缩微智能车运行所需的环境感知、决策和控制程序。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述基本功能包括障碍物检测功能、道路检测功能和交通标志检测功能；所述组合功能由基本功能通过组合扩展逻辑来得到，所述组合功能包括避障功能、道路跟随功能、换道功能和泊车功能；所述功能组合扩展逻辑用于将多个外围设备的基本功能，经过组合扩展生成组合功能。
一种组合式缩微智能车及其构成方法
技术领域
[0001] 本发明涉及光机电一体化技术领域，特别是一种模块化的、易于安装、易于功能组合的组合式缩微智能车及其构成方法。
背景技术
[0002] 无人驾驶车辆又称轮式移动机器人，是一个集环境感知、规划决策、辅助驾驶等功能于一体的综合系统。无人驾驶车辆集中地运用了计算机、传感器、信息融合、通讯、人工智能以及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。作为智能交通系统的重要研究内容之一，无人驾驶车辆的主要研究目的是代替人类完成车辆驾驶任务，这些任务包括保持车辆行驶在正确的道路上，维持车辆之间的安全距离，根据当前的交通状况和道路特征调节车辆的速度，横跨车道以达到超车和避障的目的以及找到达目的地的最短路径，在市区内方便的行驶和停靠等。无人驾驶车辆将有效减轻驾驶员的负担，减少驾驶员疲劳驾驶的现象，有利于提高交通安全；同时，配合城市交通控制系统，可以合理分配交通流，实现交通顺畅。随着计算机和机器人技术的高速发展，无人驾驶车辆研究已经取得了长足进展，例如谷歌公司的无人驾驶车辆以经完成30万公里的测试，并于2012年获得美国内华达州机动车辆管理局的“自动驾驶”汽车车牌。国防科技大学自主研制的无人驾驶车辆完成从长沙到达武汉的286公里无人驾驶实验。但目前的无人驾驶车辆研究多侧重于单车研究，对于未来多台无人驾驶车辆共同行驶在同一环境的状况还少有研究。
[0003] 缩微智能车的研究目的是通过模拟局部城市交通流状况，进而研究多智能车交互行为认知模型及相应的调控方法，研究和验证基于视听觉信息的自主驾驶模拟方法，使智能驾驶和多车交互成为可能，并为大型无人驾驶车辆多车交互及城市智能交通提供基本理论依据或技术支撑。同时，缩微智能车还将为机械传动、自动化仿真与控制、计算机视觉技术、人工智能技术、通讯技术、传感技术、信息融合技术等专业提供多学科交叉研究的载体和实验平台，特别适合在科研及教学领域中应用。
[0004] 第一届全国缩微智能车竞赛于2011年12月在重庆举办。此次竞赛有10余支队伍参加，包括总参61研究所、重庆市科学技术研究院、中科院自动化所、航天科工集团8357所、清华大学、湖南大学、重庆邮电大学、上海交通大学、南京解放军理工大学、军事交通学院等院校以及科研院所。分三大竞赛科目，六项比赛内容。参赛队伍基本代表了国内缩微智能车研究的最高水平，向观众展现了缩微智能车的先进技术，但是也暴露了一系列研究中的问题。
[0005] 现有的缩微智能车多采用自主式开发，各研究机构独立开发满足其要求的硬件平台与软件平台。研究机构间没有统一的标准，功能部件接口各异，无法通用。这要求开发人员不单需要负责功能开发，也要兼顾设备开发。由于这种复杂的软硬件组合方法，使得缩微智能车难以向一般科研、教育机构推广普及，不利于广大爱好者的加入。
发明内容
[0006] 为了克服上述缺点，本发明提出了一种组合式缩微智能车及其构成方法。其通过结构的优化设计使硬件模块化，使安装变得简单，可实现设备的定制安装，做到即插即用，使非专业人员也可以搭建自己的缩微智能车。
[0007] 根据本发明的一方面，提出一种组合式缩微智能车，其特征在于，该组合式缩微智能车包括车体、连接部件、控制母板和即插即用设备，其中：
[0008] 所述车体通过连接部件与控制母板相连，用于接收控制命令并实现运动、支撑控制母板及安装在控制母板上面的设备，所述车体包含提供动力的电机、控制速度的电子调速器、控制转向的舵机和车灯；
[0009] 所述控制母板用于连接各个即插即用设备，为即插即用设备提供载体，所述控制母板分为顶层控制母板和底层控制母板，顶层控制母板负责运算，底层控制母板负责数据收集，顶层控制母板和底层控制母板通过其上分别设置的连接槽孔和数据接口相连；
[0010] 所述连接部件用于相连含有槽孔的部件；
[0011] 所述即插即用设备包括：主运算设备、车辆控制设备和外围输入设备；所述主运算设备用于进行设备功能的检查、设备功能的组合、环境感知、决策和控制；所述车辆控制设备包括电机控制模块、舵机控制模块和灯光控制模块；所述外围输入设备包括图像设备、音频设备、波形设备、GPS设备和通信设备；
[0012] 所述即插即用设备直接插入所述控制母板的相应接口中，即插即用设备之间通过接口协议与主运算设备进行通信。
[0013] 根据本发明的另一方面，提出一种组合式缩微智能车的构成方法，所述缩微智能车包括车体、连接部件、控制母板和即插即用设备，所述控制母板分为顶层控制母板和底层控制母板两层，所述即插即用设备包括主运算设备、车辆控制设备和外围输入设备，其特征在于，所述构成方法包括以下步骤：
[0014] 步骤1，将所述即插即用设备安装至所述顶层控制母板和底层控制母板上相应位置的接口上；
[0015] 步骤2，通过所述连接部件将所述顶层控制母板和底层控制母板的连接槽孔相连；
[0016] 步骤3，通过数据线将所述顶层控制母板和底层控制母板的数据接口相连，完成控制母板的组装；
[0017] 步骤4，将所述控制母板通过连接部件与所述车体相连；
[0018] 步骤5，在安装在所述顶层控制母板上的主运算设备中配置安装组合式缩微智能车操作系统。
[0019] 本发明的效果是：
[0020] 1)通过设备的模块化设计，可实现定制安装，使缩微智能车的组装变得简单。
[0021] 2)将缩微智能车行驶所需的基本功能与设备基本驱动相结合扩展出功能驱动，使设备具有缩微智能车的基本功能，实现即插即用。
[0022] 3)通过建立功能知识库和功能组合扩展逻辑，将缩微智能车基本功能组合生成组合功能，完成功能的自动组合，同时简化了功能函数的编写和升级难度。
[0023] 4)通过在组合式缩微智能车操作系统中预先设置功能驱动库和功能知识库函数，操作人员只需组装设备和安装系统，就可以实现具有预设功能的组合式缩微智能车。降低了缩微智能车的实现难度，使非专业人士也可以搭建缩微智能车。
附图说明
[0024] 图1为本发明组合式缩微智能车顶层控制母板布局结构图；
[0025] 图2为本发明组合式缩微智能车底层控制母板布局结构图；
[0026] 图3为本发明组合式缩微智能车两层控制母板的连接示意图；
[0027] 图4为本发明组合式缩微智能车的侧视图；
[0028] 图5为本发明组合式缩微智能车的俯视图；
[0029] 图6为本发明各设备功能结构图；
[0030] 图7为本发明组合式缩微智能车操作系统结构图；
[0031] 图8为本发明功能驱动库结构图；
[0032] 图9为本发明功能知识库结构图。
具体实施方式
[0033] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0034] 根据本发明的一个方面，本发明提出一种组合式缩微智能车，所述组合式缩微智能车主要包括车体、连接部件、控制母板和即插即用设备。
[0035] 其中，所述车体通过连接部件与控制母板相连，用于接收控制命令并实现运动、支撑控制母板及安装在控制母板上面的设备。所述车体包含提供动力的电机、控制速度的电子调速器、控制转向的舵机和车灯。
[0036] 所述连接部件用于将含有槽孔的部件相连。
[0037] 所述控制母板用于连接各个即插即用设备，为即插即用设备提供载体，所述控制母板分为顶层控制母板和底层控制母板两层，顶层控制母板主要负责运算，底层控制母板主要负责数据收集。所述顶层控制母板的结构如图1所示，所述顶层控制母板包括主运算设备安装区、云台设备安装区以及数据接口，其中，主运算设备——NANO-ITX工业主板通过连接部件经槽孔连接到主运算设备安装区，所述云台设备安装区内安装图像采集设备——摄像头，所述数据接口用于进行数据通信，也可设为扩展通信接口。底层控制母板的结构如图2所示，所述底层控制母板包括车辆控制设备安装区、电源设备安装区、外围输入设备安装区以及数据接口，其中，车辆控制设备——单片机、电源设备——锂电池和外围输入设备分别安装到相应的安装区域，其中外围输入设备可以是陀螺仪、加速度计、红外探测器、微波雷达等信息采集设备，所述数据接口用于进行数据通信，也可设为扩展通信接口。为了方便安装，上述两层母板分别设有连接槽孔，首先将两层控制母板通过连接部件、连接槽孔相连，连接示意图如图3所示，再将两层控制母板的数据接口相连，控制母板的组装就完成了。
[0038] 所述即插即用设备也称模块化设备，由多个模块化的部件组成，其包括：主运算设备、车辆控制设备和外围输入设备，其中，所述主运算设备用于进行设备功能的检查、设备功能的组合、环境感知、决策和控制；所述车辆控制设备包括电机控制模块，舵机控制模块和灯光控制模块；所述外围输入设备包括：图像设备，比如摄像头设备、音频设备、波形设备，比如雷达设备和超声波设备、GPS设备、通信设备，比如无线设备、惯性导航设备以及其他采集设备。所述即插即用设备可以直接插入控制母板的相应接口中，即插即用设备之间通过接口协议和主运算设备进行通信。所述接口协议用于定义外围输入设备与主运算设备的传输方式和传输内容，所述接口协议嵌入在功能驱动库中。主运算设备通过枚举，获得外围设备的描述项，这些描述项告知主运算设备所连接的外围设备是何种设备，如何进行通信，然后调用相应的功能驱动来加载设备。
[0039] 将组装完成的控制母板通过连接部件与车体相连，连接后的效果图如图4、图5所示。图4为组合式缩微智能车的侧视图，图5为组合式缩微智能车俯视图，其中1为车体，2为控制母板，3为车辆控制设备，4为主运算设备，5为主运算设备的数据存储设备，6为摄像设备，7为云台设备，8为采集设备1，9为电源设备，10为采集设备2，11为连接部件，3～8，10为即插即用设备。其中，车体1通过连接部件11与控制母板2相连。车辆控制设备3、采集设备8、电源设备9、采集设备10安装在底层控制母板上，各设备接入底层控制母板数据接口中的相应位置；主运算设备4、数据存储设备5、摄像设备6、云台设备7安装在顶层控制母板上，各设备接入顶层控制母板数据接口中的相应位置，摄像设备6安装在云台设备7上；底层控制母板与顶层控制母板之间的数据接口通过数据线连接。至此，组合式缩微智能车的硬件安装部分完成，其各设别部件的功能如图6所示。
[0040] 所述组合式缩微智能车进一步还包括组合式缩微智能车操作系统，该操作系统安装、运行在所述主运算设备上。图7为组合式缩微智能车操作系统的结构图，其中包含功能驱动库、功能知识库和主程序，主程序包括设备的初始化程序和组合式缩微智能车运行所需的环境感知、决策和控制程序。图8为功能驱动库的结构图，所述功能驱动库是安装在组合式缩微智能车操作系统中的库函数，其将设备的基本驱动与相应的缩微智能车所需功能相结合生成功能驱动。所述功能驱动库由原始设备的基本驱动和相应的功能描述共同构成，系统首先加载设备的基本驱动，然后通过获取该设备的功能描述来加载功能驱动。图9为功能知识库结构图，所述功能知识库是安装在组合式缩微智能车操作系统中的库函数。知识库中包含基本功能和组合功能函数的实现函数以及功能组合扩展逻辑。基本功能在外围设备的功能驱动中指出。根据缩微智能车的驾驶需要，基本功能有障碍物检测功能、道路检测功能、交通标志检测功能等。组合功能是由基本功能通过组合扩展逻辑来构成，所述功能组合扩展逻辑用于将多个外围设备的基本功能，经过组合扩展生成组合功能，所述组合功能是根据外围设备所拥有的基本功能经过组合扩展而获取的功能，所述组合功能包括避障功能、道路跟随功能、换道功能、泊车功能等。例如，超车是一种组合功能，它将基本功能中的障碍物检测功能、道路检测功能与扩展的控制方法相结合共同构成该组合功能。组合式缩微智能车操作系统的主程序包括设备的初始化程序和组合式缩微智能车运行所需的环境感知、决策和控制程序。
[0041] 根据本发明的另一方面，本发明还提出一种组合式缩微智能车的构成方法，所述缩微智能车包括车体、连接部件、控制母板和即插即用设备，所述控制母板分为顶层控制母板和底层控制母板两层，所述即插即用设备包括主运算设备、车辆控制设备和外围输入设备，所述构成方法包括以下步骤：
[0042] 步骤1，将所述即插即用设备安装至所述顶层控制母板和底层控制母板上相应位置的接口上；
[0043] 步骤2，通过所述连接部件将所述顶层控制母板和底层控制母板的连接槽孔相连；
[0044] 步骤3，通过数据线将所述顶层控制母板和底层控制母板的数据接口相连，完成控制母板的组装；
[0045] 步骤4，将所述控制母板通过连接部件与所述车体相连；
[0046] 步骤5，在安装在所述顶层控制母板上的主运算设备中配置安装组合式缩微智能车操作系统。
[0047] 所述即插即用设备包括：主运算设备、车辆控制设备和外围输入设备；所述主运算设备用于进行设备功能的检查、设备功能的组合、环境感知、决策和控制；所述车辆控制设备包括电机控制模块、舵机控制模块和灯光控制模块；所述外围输入设备包括图像设备、音频设备、波形设备、GPS设备和通信设备。
[0048] 所述步骤1进一步包括：将主运算设备通过连接部件经槽孔连接到所述顶层控制母板上的主运算设备安装区；将图像采集设备安装到所述顶层控制母板上的云台设备安装区；将车辆控制设备安装到所述底层控制母板上的车辆控制设备安装区；将电源设备安装到所述底层控制母板上的电源设备安装区；将外围输入设备安装到所述底层控制母板上的外围输入设备安装区。
[0049] 所述组合式缩微智能车操作系统包含功能驱动库、功能知识库和主程序，其中，所述功能驱动库是安装在组合式缩微智能车操作系统中的库函数，由原始设备的基本驱动和相应的功能描述共同构成，其将设备的基本驱动与相应的缩微智能车所需功能相结合生成功能驱动；所述功能知识库是安装在组合式缩微智能车操作系统中的库函数，其包含基本功能和组合功能函数的实现函数以及功能组合扩展逻辑；所述主程序包括设备的初始化程序和组合式缩微智能车运行所需的环境感知、决策和控制程序。
[0050] 所述基本功能包括障碍物检测功能、道路检测功能和交通标志检测功能；所述组合功能由基本功能通过组合扩展逻辑来得到，所述组合功能包括避障功能、道路跟随功能、换道功能和泊车功能；所述功能组合扩展逻辑用于将多个外围设备的基本功能，经过组合扩展生成组合功能。
[0051] 完成以上硬件和操作系统的安装后，组合式缩微智能车即组装完毕。根据用户所选用的设备，组合式缩微智能车将自动拥有相应的基本功能和组合功能。
[0052] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
