智能車科普

摘要：智能車組成，陀螺儀、編碼器等介紹，智能汽車發(fā)展，小米SU7智能化體現(xiàn)

引言：在全國數(shù)百所高校的支持下，全國大學(xué)生智能汽車競賽從2006年第一屆舉辦至今已有18個年頭，該賽以“立足培養(yǎng)、重在參與、鼓勵探索、追求卓越”為指導(dǎo)思想，是一項面向全國大學(xué)生開展的具有探索性的工程實踐活動，本文重點科普的智能車就是這場隆重賽事的“運動員”。

智能汽車是指通過計算機、通訊等技術(shù)實現(xiàn)自動控制和智能化管理的新型汽車，賽事的智能車最長也不過一米，最寬也不到半米，雖不如道路上飛馳的汽車那般尺寸大，卻也五臟俱全，主要組成結(jié)構(gòu)是差不多的。

智能汽車組成主要包括：

傳感器（用于采集車輛和周圍環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)），智能車中的傳感器包括攝像頭、編碼器（將信號或數(shù)據(jù)進行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備，主要用于測量車速）、測距模塊，陀螺儀等；

執(zhí)行器(進行決策和行動的執(zhí)行），智能車中的執(zhí)行器包括電機驅(qū)動模塊（可通過信號控制電機正反轉(zhuǎn)、占空比大小變化，從而實現(xiàn)車前進后退，加速減速），舵機（一種伺服電機系統(tǒng)，主要控制智能車轉(zhuǎn)向）等；

處理器（處理傳感器的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智能車分析和規(guī)劃），智能車中的處理器主要是由NXP、Infineon、STC三家公司提供；

存儲設(shè)備（存儲對車輛控制和管理所必需的信息），智能車中的存儲器包括flash（一種電可擦除可編程只讀存儲器的形式）等；

通信網(wǎng)絡(luò)模塊（用于實現(xiàn)車輛之間、車輛和互聯(lián)網(wǎng)那個之間的即時數(shù)據(jù)交換和互聯(lián)互通），在智能車中主要有藍牙模塊（一種集成藍牙功能的PCBA板，用于短距離無線通訊）、無線串口模塊（UART接口半雙工無線傳輸模塊）等；

顯示屏和人機交互設(shè)備（提供車輛和環(huán)境相關(guān)信息，包括車速、導(dǎo)航、多媒體等），在智能車中體現(xiàn)有OLED模塊（OLED顯示屏+PCB+鐵框構(gòu)成）等；

動力系統(tǒng)（包括發(fā)動機、電池等傳統(tǒng)動力部件及電動機、電子控制器等電動驅(qū)動部件，用于驅(qū)動汽車的運行），智能車中包括直流電機、車輪等。

現(xiàn)在對智能車組成中某些部件進行一些詳細介紹，如陀螺儀、編碼器等。

陀螺儀：簡稱陀螺，又稱角速度傳感器，用于測量、控制物體在相對慣性空間中角運動的慣檢測性器件，用高速回轉(zhuǎn)體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個或二個軸的角速度檢測裝置，簡要說是角速度檢測裝置。

繞一個支點高速轉(zhuǎn)動的剛體稱為陀螺。通常所說的陀螺是特指對稱陀螺，它是一個質(zhì)量均勻分布的、具有軸對稱形狀的剛體，其幾何對稱軸就是它的自轉(zhuǎn)軸。

1850年法國物理學(xué)家萊昂·傅科（J.Foucault）為了研究地球自轉(zhuǎn)，首先發(fā)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動中地的轉(zhuǎn)子（rotor），由于具有慣性，它的旋轉(zhuǎn)軸永遠指向一固定方向，他用希臘字 gyro（旋轉(zhuǎn)）和skopein（看）兩字合為gyro scopei 一字來命名這種儀表。

陀螺儀是一種既古老而又很有生命力的儀器，從第一臺真正實用的陀螺儀器問世以來已有大半個世紀，但直到現(xiàn)在，陀螺儀仍在吸引著人們對它進行研究，這是由于它本身具有的特性所決定的。陀螺儀最主要的基本特性是它的穩(wěn)定性和進動性。人們從兒童玩的地陀螺中早就發(fā)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺可以豎直不倒且保持與地面垂直，這就反映了陀螺的穩(wěn)定性。研究陀螺儀運動特性的理論是繞定點運動剛體動力學(xué)的一個分支，它以物體的慣性為基礎(chǔ)，研究旋轉(zhuǎn)物體的動力學(xué)特性。

陀螺儀的工作原理：一個旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。陀螺儀在工作時要給它一個力，使它快速旋轉(zhuǎn)起來，一般能達到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)，可以工作很長時間。然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數(shù)據(jù)信號傳給控制系統(tǒng)。

陀螺儀看似高大上，其實就在我們身邊。例如手機中的微機電陀螺儀（MEMS），體現(xiàn)功能有左右傾斜手機，實現(xiàn)瀏覽頁面的左右移動或者頁面的放大或縮??；拍照時的圖像穩(wěn)定，防止手的抖動對拍照質(zhì)量的影響。在按下快門時，記錄手的抖動動作，將手的抖動反饋給圖像處理器，可以抓到更清晰穩(wěn)定的圖片。

編碼器：將信號（如比特流）或數(shù)據(jù)進行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號，前者稱為碼盤，后者稱為碼尺。

按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應(yīng)一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。

增量式編碼器：就是每轉(zhuǎn)過單位的角度就發(fā)出一個脈沖信號，通常為A相、B相、Z相輸出，A相、B相為相互延遲1/4周期的脈沖輸出，根據(jù)延遲關(guān)系可以區(qū)別正反轉(zhuǎn)（因為A,B相之間有錯位，順時針如果是B相先檢測到，那逆時針旋轉(zhuǎn)就是A相先檢測到，從而區(qū)分旋轉(zhuǎn)方向）；Z相為單圈脈沖，即每圈發(fā)出一個脈沖，可以起到復(fù)位作用。

絕對值式編碼器：就是對應(yīng)一圈，每個基準的角度發(fā)出一個唯一與該角度對應(yīng)二進制的數(shù)值，通過外部記圈器件可以進行多個位置的記錄和測量。絕對值編碼器的輸出可直接反映360°范圍內(nèi)的絕對角度。

智能車可以說是當(dāng)今越來越火熱的智能駕駛汽車的簡略版。

根據(jù)《2023中國智能汽車發(fā)展趨勢洞察》報告，至2025年，智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)模將突破5000億，具備L2輔助駕駛及以上自動駕駛能力的車型銷售將突破千萬級，滲透率將躍遷至42.9%，與2021相比實現(xiàn)翻倍。汽車實現(xiàn)完全自動駕駛，雖然全面落地還有一段距離，但輔助駕駛卻已經(jīng)開始快速滲透至市場當(dāng)中。

技術(shù)發(fā)展方面，在《中國制造2025》中曾明確提出，到2025年，掌握自動駕駛總體技術(shù)及各項關(guān)鍵技術(shù)，建立較完善的智能網(wǎng)聯(lián)汽車自主研發(fā)體系、生產(chǎn)配套體系及產(chǎn)業(yè)群，基本完成汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

無人駕駛的智能汽車將是新世紀汽車技術(shù)飛躍發(fā)展的重要標(biāo)志?？上驳氖牵悄芷囈褟脑O(shè)想走向?qū)嵺`。隨著科技的飛速發(fā)展，相信不久的將來，我們都可以領(lǐng)略到智能汽車的風(fēng)采。

所以，智能汽車實際上是智能汽車和智能公路組成的系統(tǒng)，主要是智能公路的條件還不具備，而在技術(shù)上已經(jīng)可以解決。在智能汽車的目標(biāo)實現(xiàn)之前，實際上已經(jīng)出現(xiàn)許多輔助駕駛系統(tǒng)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在汽車上，如智能雨刷，可以自動感應(yīng)雨水及雨量，自動開啟和停止；自動前照燈，在黃昏光線不足時可以自動打開；智能空調(diào)，通過檢測人皮膚的溫度來控制空調(diào)風(fēng)量和溫度；智能懸架，也稱主動懸架，自動根據(jù)路面情況來控制懸架行程，減少顛簸；防打瞌睡系統(tǒng)，用監(jiān)測駕駛員的眨眼情況，來確定是否很疲勞，必要時停車報警……計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為汽車的智能化提供了廣闊的前景。

最近新發(fā)布便受到大量關(guān)注的小米SU7，便是智能汽車的典型代表。SU7的智能化體現(xiàn)可包括智能互聯(lián)、智能駕駛，智能座艙等。

智能互聯(lián)例如：可以實現(xiàn)手機和汽車之間的互聯(lián)，還兼容蘋果，實現(xiàn)了跨品牌，跨平臺，提升了用戶體驗；另外，小米SU7還可實現(xiàn)車與智能家居的連接，通過語音遠程控制家居，為回家創(chuàng)造舒適環(huán)境；

智能駕駛例如：自適應(yīng)巡航、自動泊車、碰撞檢測等；

智能座艙例如：通過語音控制實現(xiàn)車內(nèi)功能選擇，智能空調(diào)等。

結(jié)論與展望：智能車功能不像智能汽車功能那么豐富強大，卻也使我們能夠了解到智能的方向，不同的組別實現(xiàn)不同的功能，湊在一起組成智能汽車龐大的功能群。從智能車到智能車，由淺入深，簡單到復(fù)雜，功能更豐富。隨著科技水平發(fā)展，智能車功能將會更加強大，未來智能化水平將更上一層！

參賽人員：張浩揚 20210407

李宏鵬 20210525