当前位置： 编码机 >> 编码机市场 >> 未来的黑科技关于自行车自动驾驶的研究
自行车是日常生活中最常见的交通工具之一，也是一种较为古老的交通工具。十八世纪ＫarlDrais发明了历史上的第一辆“自行车”，唤起了一个激动人心的新世界，并于年第一届奥林匹克运动会上被列为正式比赛项目。
自行车从它的诞生、技术迭代到广泛普及的过程中，与人类生活的政治、经济、城市建设与管理以及气候、地理等因素有着密切的联系，同时自行车也时刻在影响着不同时期和地区的人类生活。
自行车凭借其独特的发展历史吸引了无数的爱好者加入到了自行车运动当中，从最初的“自行车”雏形出现至今，它作为交通工具、竞赛工具、康体工具、娱乐工具以及商业工具，在人类的生活中扮演了不同的角色。以自行车的历史变迁过程为研究对象，自行车与人类生活的关系经历了曲折的变化。
一、研究自行车自动驾驶的意义随着社会经济的发展和工业化进程的加快，汽车保有量逐年增加，由此带来的城市交通拥堵和环境污染问题越来越严重，为了应对城市交通拥堵和环境污染问题，世界各国从政治和经济层面提出了不同的应对策略。
其中，绿色出行成为了解决实际问题的有效方式之一。在当前的绿色低碳出行的大背景下，自行车出行相比于其他的绿色出行方式具有健康、灵活、成本低等优势，所以近代各国都兴起了自行车复兴运动。自然、地理气候、社会影响、城市形态、政治干预等都是影响自行车复兴的因素。目前许多国家都在自行车的骑行环境方面采取积极的措施，加快自行车的复兴。
但在出行效率方面自行车仍存在较大的问题，自行车出行与公交、地铁等公共交通出行的结合，被越来越多的人选择。但自行车与公共交通出行相结合的出行方式也存在弊端，即个人自行车的停放问题和安全性问题。
近几年兴起的公共自行车系统恰好解决了上述问题。公共自行车系统为人们提供了一种更为便捷和廉价的绿色出行方式，并借此在全球范围内得到了迅猛的发展，成为了解决城市交通“最后一公里”问题的关键方法。
共享单车为自行车公共系统的典型代表。共享单车行业的发展具有显著的节能减排效益，已经成为我国居民重要的出行方式之一。共享单车的出现解决了实际出行问题，激起了人们骑行的兴趣，引发了一场骑行风潮。自行车开始不断地被更多人纳入自己的出行计划中。
共享单车经过短短几年时间，显著的改善了人们的出行习惯。公交加地铁、小汽车出行比例明显下降，自行车出行比例增加显著。谷歌公司在年发布的自动驾驶自行车视频引起了人们对自行车自动驾驶的极度渴望和迫切需求。
视频中自行车可以自己保持直立、自动识别交通信号灯、自动躲避车辆、自动规划行驶线路，并且在载人的情况下依旧可以自动行驶，视频中的自动驾驶自行车充分体现了现代智能，可谓是令人心潮澎裤的黑科技，该话题曾掀起了一股对自动驾驶自行车的讨论热潮。
遗憾的是，该视频是谷歌公司在四月一日和大家开的一个玩笑，虽然视频的内容并非真实，但是它的出现充分体现了人们对自动驾驶自行车的渴求。在此事件之后，全球各地的科研人员以及电子爱好者便开始了一场对自动驾驶自行车的探索。
二、自行车自平衡理论的研究相比于其他的交通工具，自行车的结构简单，但却蕴含着丰富的科学知识。自行车的主要组成部分可以分为两个前后车轮，以及后车架和前车架，车轮通过旋转轴承连接到前后车架上，并通过垂直或者倾斜的铰链相互连接。
自行车与支撑路面之间通过两个点接触，从这个角度来看，自行车是一个本身不稳定的系统，与倒立摆的结构类似。但是当有人正确骑行进行人为控制或自行车在无人控制但是具备适当的速度条件时，自行车却能实现真正的自稳定行驶，呈现出了完美的动力学稳定性问题。从自行车普及以来，自行车的动力学和稳定性问题引起了各个领域学者的研究兴趣，他们以独立或者相互合作的方式，开展了大量的理论研究工作。
对于自行车动力学的研宄，最早的参考结论由Rankinew于年提出，他基于启发式倒立摆模型的论点来研宄自行车的平衡、转向和推进问题，并且把后轮转向也考虑在内，内容有趣，但结论并不具备太多的参考价值。
对自行车理论具有实质性贡献的作者是Whipplemi，其在１８９９年发布的具有开创性的论文中首次包含了一组描述自行车和骑手一般运动的非线性微分方程，并且考虑了驾驶者通过使用扭转转向弹簧施加转向扭矩输入的可能性。
但是由于当时计算设备的计算能力有限，Whipplemi的一般非线性方程无法求解，因此除了简单地推导和报告之外，很少有人继续进行深入研究。
一个有控制力的骑行者可以通过向倾斜方向转动前轮来平衡向前移动的自行车。骑行者移动车体下方的地面接触点，就像一把倒置的扫帚或棍子可以通过在倾斜的方向上移动支撑点使其在手上保持平衡。
前面提到，自行车是一个本身不稳定的系统，但是当进行人为控制或自行车在无人控制但是具备适当的速度条件时，自行车却能实现平衡，呈现出了完美的动力学稳定性问题。
自行车的稳定性分析引起了众多学者的研究兴趣，多数学者的研究思路都是在自行车的线性化动力学模型的基础上，从不同的角度对自行车分别在人为控制和无人控制的情况下实现自稳定的行为进行分析和研宄。
人们普遍认为，自旋角动量（陀螺效应），对自行车的自稳定性是必要的。Kooijman在近年的文章中指出：在没有陀螺效应或脚轮效应的情况下，自行车依旧可以自稳定。
并且在他的另一篇文章中对自行车的动力学和稳定性分析以及相关控制进行了详细的综述性研宄，总结了自行车操纵和控制领域未来工作的发展方向。
从实验和理论上研宄了粗糙斜坡上纯滚动棱镜的平面动力学，其中滚动运动被边缘碰撞间歇地中断，指出了车轮的滚动摩擦效应作为非理想因素对于自行车稳定性的影响。
由于结构单元假定为刚体，因此到目前为止，可以看到大量的学者对自行车的稳定性进行了详细的分析和研宄，他们不仅考虑到了自行车自身的几何和质量参数，还将车轮滑动、前车架柔度、轮胎的性能、摆动模式、约束特征、侧面滑动以及侧向风等因素考虑到自行车稳定性的分析中，较为全面的对自行车的稳定性的相关因素进行了分析和论证。
总结以上的自行车稳定性的分析，可以看到目前普遍认可的自行车稳定性的影响因素主要有以下三个方面离心力观点：前轮朝车体倾斜方向转动使车体转为曲线运动，所产生的离心力平衡了重力的倾覆作用。陀螺效应观点：车轮旋转产生的陀螺力矩对自行车的稳定性起到了重要作用，“脚轮效应”观点：自行车前叉转轴与地面的交点是影响自行车稳定性的关键因素
三、自行车自动驾驶系统设计我们以山地成人自行车为基础结构，其车体高约cm，长约cm，配有26寸车轮，车身重约25Kg，最大载重Kg。基于理论计算基础，自行车自动驾驶实验系统应具有较高的实时性、灵活性及扩展性，系统须有较高的实时性，能够运行复杂的控制算法。
系统的驱动电机必须具有较高的性能，如必须具备检测闭环系统以及电机参数自修正等功能，使得电机控制可以达到理想的效果；系统须具备人性化的人机交互界面，能够形象直观地观察自行车的相关参数以及对自行车进行更为灵活的控制；
系统功能可灵活扩展，在后期增加控制需求时，系统须满足接口以及运行要求。驱动系统部分需满足对自行车前车把转角的灵活控制以及自行车车速控制的要求。
在驱动系统设计时，主要包括前车把转向的驱动和自行车运动驱动两部分。对于前车把转向的驱动，驱动系统需满足高响应、高精度要求，根据需求本研究选择了直流伺服系统。
对于自行车车轮的驱动部分，考虑到对自行车后轮的改装难易程度以及车速的驱动要求，选择了普遍用于电动车驱动的无刷轮毂电机。检测系统需满足以下要求：获取高精度的自行车车身倾角数据、自行车车把转角数据、获取自行车的车速信息。
即检测系统主要包括车身倾角检测、车把转角检测以及车速测量三个主要部分。获得高精度、稳定且实时的车身倾角数据是实现自行车自动驾驶的关键环节。
在自行车自动驾驶实验系统中使用的倾角传感器为LPMS-IGIP高精度姿态传感器，关于该传感器的详细介绍如下：内嵌功能强大的处理器，通过整合处理陀螺仪、加速度计和磁力计等传感器数据，并根据独有的算法进行矫正和计算，最终提供下列高精度数据输出：原始数据（加速度、角速度、磁场等）、姿态角数据（欧拉角或四元数）、校准后的线性加速度和角速度、温度以及ＧＰＳ数据。
另一方面，为了实现对自行车速度的控制，需要实时检测自行车的车速信息，不断地调整输出电压，使得自行车按照设定的速度行驶。关于自行车测速问题，考虑到了编码器、光电开关、霍尔传感器等检测方案，并对每种方案的安装复杂度以及数据处理的难度进行了评估，最终采用了霍尔测速的方案。
即在自行车的后车轮边缘位置均匀设置一定数量的磁片，将霍尔传感器安装到车架的合适位置，使后车轮在转动的过程中，车轮边缘的磁片能经过霍尔传感器的检测范围。通过对霍尔传感器输出的脉冲信号进行计数，再经过一定的运算后便可以得到自行车的车速。
关于通信部分，主要涉及到控制系统与驱动系统、检测系统以及移动控制端的数据通信，我们选择具备蓝牙功能的智能手机为远程控制器，如此便可以极大程度地减少开发成本和开发时间，且使得移动控制更加灵活，只要在个人手机上安装相应的App即可实现对自行车的无线控制，而无需另外设计移动控制设备。
当移动控制端采用手机的机载蓝牙通信时，那么控制系统端必须同样采用与之匹配的蓝牙通信方式，为此本研宄使用USB－蓝牙无线通信模块实现控制系统与移动控制端的通信。
通过对驱动系统、检测系统以及通信系统的设计，可以得到控制系统需满足以下基本要求：具有千兆网口、多路USB接口、支持EtherCAT通信以及满足本节开始时提到的四条基本性能指标。根据上述要求最终采用工业PC作为自行车自动驾驶实验系统的控制系统。
四、总结
在我们对自行车的匀速直线及圆周运动自动驾驶进行了研宄与探索，理论上实现了自行车的自动驾驶，但是在理论分析和实际控制方面仍然存在一些不足有待完善和提升。
仍有以下几方面需要继续的研宄探索：在理论分析方面，要对自行车加减速状态下的运动学及动力学分析进行更为深入的研宄，以及研宄自行车在不同路况下的相关内容；增加零速平衡装置，并进行实验验证，实现自行车的零速平衡。
自行车的自动驾驶技术以目前来看我们还有很多困难需要突破，但是这项技术可以实实在在的为我们的节能减排，环境改善做出贡献。以前我们觉得汽车自动驾驶是天方夜谭，但是现在应经完完全全的实现并应用了，所以我们也有理由期待自行车自动驾驶技术的实现。
