無人駕駛車輛的自動(dòng)行駛控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文主要研究無人駕駛車輛的自動(dòng)行駛控制方法。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心和構(gòu)成，如圖1所示，而無人駕駛車輛終端又包含GPS，GIS，GPRS等部分：

(1)GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))是利用24顆人造衛(wèi)星組成的衛(wèi)星網(wǎng)，可以向地球不斷發(fā)射定位及時(shí)間信號(hào)。地球上的任何一個(gè)GPS接收機(jī)，只要接收到4顆以上的衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算處理后就可報(bào)出GPS接收機(jī)的位置(經(jīng)度、緯度、高度)、時(shí)間和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(速度、航向)。本系統(tǒng)采用GPS是為了使車輛在行駛過程中能夠準(zhǔn)確顯示自己的位置。

(2)GIS(Geography Information System，地理信息系統(tǒng))是在計(jì)算機(jī)硬件、軟件系統(tǒng)支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層空間的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、管理、運(yùn)算、分析和可視化表達(dá)的信息處理和管理系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，他與GPS模塊相結(jié)合，以地理空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中提供動(dòng)態(tài)的電子地圖，可以實(shí)時(shí)將交通信息通過GIS界面友好地顯示給用戶。

(3)GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無限業(yè)務(wù))是在GSM((Global System)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上疊加的一個(gè)專業(yè)的高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，共用GSM頻率(900/1 800 MHz)。共享GSM網(wǎng)絡(luò)絕大部分基礎(chǔ)設(shè)施。可以接人基于TCP/IP的外部網(wǎng)絡(luò)，具備了Internet所能提供的一切功能。本系統(tǒng)采用GPRS作為車載終端與監(jiān)控端無線通信橋梁，主要是考慮到他有資源利用率高、傳輸速率高、接人時(shí)間短、網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣等幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。

(4)射頻識(shí)別讀卡器。射頻識(shí)別技術(shù)在交通系統(tǒng)一般用于高速公路站上不停車收費(fèi)，車牌自動(dòng)識(shí)別或者停車場(chǎng)定時(shí)收費(fèi)等。這些系統(tǒng)是將標(biāo)簽放置在車載終端上，在地面上安裝天線、射頻模塊和計(jì)算機(jī)，利用射頻模塊中讀寫器來進(jìn)行一定范圍內(nèi)的射頻識(shí)別。射頻識(shí)別模塊通過裝有標(biāo)的車輛接近傳感器來判別是否有車輛通過。識(shí)別模塊在一定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生微波信號(hào)，當(dāng)車輛進(jìn)入該識(shí)別區(qū)域時(shí)，就能激活標(biāo)簽。標(biāo)簽將數(shù)據(jù)反射給識(shí)別模塊，射頻讀寫器完成數(shù)據(jù)讀取。

2 車輛終端硬件構(gòu)成

車輛終端由GPS接收模塊、GPRS接收設(shè)備、主控制模強(qiáng)、讀卡器模塊、顯示模塊和輸入操作模塊構(gòu)成，系統(tǒng)框架如圖2所示。

(1)自主懸掛式獨(dú)軌車體上裝有嵌入式控制系統(tǒng)，主要用于對(duì)整個(gè)車輛的控制以及各個(gè)模塊之間的調(diào)度。主控制模塊芯片采用了飛利浦公司生產(chǎn)的LPC2000 系列處理器，該系列產(chǎn)品是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，并帶有0/128/256kB嵌入的高速片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器。片內(nèi)128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使得32位代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失卻很小。

通過在該系列處理器芯片的基礎(chǔ)上擴(kuò)展一系列完整的通用外圍器件，使系統(tǒng)硬件成本降到最低，并且根據(jù)設(shè)計(jì)需要再進(jìn)行裁減，就能為本車載系統(tǒng)提供一個(gè)低功耗、低成本、高性能的方案。

(2)該系統(tǒng)以GPRS無線傳輸方式與因特網(wǎng)保持連接，與軌道交通信息網(wǎng)站交換數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用了BenQ公司生產(chǎn)的M22模塊，他符合ETSIGSM phase 2+標(biāo)準(zhǔn)和 AT指令集，支持GSM語音數(shù)據(jù)傳真短消息和GPRS數(shù)據(jù)傳輸。

(3)顯示模塊主要是用來顯示車輛行駛狀態(tài)，包括地理信息位置，路徑采集情況等。本系統(tǒng)采用TFT6758液晶顯示模塊，工作電壓為3.3 V，內(nèi)帶白光LED背光燈。由于液晶模塊內(nèi)部包含了HD66781和HD66783液晶控制驅(qū)動(dòng)，因此他可以直接使用8位、16位或者18位總線方式與控制器相連接。

(4)輸入模塊功能是通過按鈕查閱通過讀卡器接收到終端的路徑信息。

(5)GPS模塊用來對(duì)車輛進(jìn)行定位。本系統(tǒng)采用M12定位模塊，Motorola公司生產(chǎn)的導(dǎo)航設(shè)備，具有很低的功耗，支持RTCM (Radio Technical Commission forMaritime)格式的差分功能，采用NAEA0183格式輸出。該接收器在 汽車定位和調(diào)度系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。

3 終端軟件部分程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由于使用ARM7做主要控制器，考慮到資源的利用，采用μC/OS-Ⅱ來作為操作系統(tǒng)。μC/OS-Ⅱ是一個(gè)完整的、可移植、可固化、可剪裁的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。他用ANSI C語言編寫，包含一小部分匯編代碼，使之可以供不同架構(gòu)的微處理器使用。μC/OS-Ⅱ可以管理64個(gè)任務(wù)，具有信號(hào)量、互斥信號(hào)量、事件標(biāo)志組、消息郵箱、消息隊(duì)列、任務(wù)管理、時(shí)間管理和內(nèi)存塊管理等功能。

μC/OS-Ⅱ軟件體系結(jié)構(gòu)有3部分：

(1)μC/OS-Ⅱ核心代碼：包括10個(gè)C程序文件和1個(gè)頭文件，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)度、任務(wù)管理、內(nèi)存管理、信號(hào)量、消息郵箱和消息隊(duì)列等系統(tǒng)功能。此部分與處理器性能無關(guān)。

(2)μC/OS-Ⅱ配置代碼：包括兩個(gè)頭文件，用于裁減和配置μC/OS-Ⅱ。該部分與用戶實(shí)際應(yīng)用相關(guān)。

(3)μC/OS-Ⅱ移植代碼：包括1個(gè)匯編文件、1個(gè)C程序文件和1個(gè)頭文件，這是移植μC/OS-Ⅱ所需要的代碼，與處理器無關(guān)。

在本系統(tǒng)中首先要進(jìn)行系統(tǒng)移植，才能進(jìn)行程序的調(diào)用。移植滿足了以下要求：

(1)處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入型代碼;

(2)處理器支持中斷，并且能產(chǎn)生定時(shí)中斷(10～100 Hz);

(3)用C語言可以開/關(guān)中斷;

(4)處理器能支持一定數(shù)量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)硬件堆棧(可能是幾kB);

(5)處理器有將堆棧指針以及其他CPU寄存器的內(nèi)容讀出并保存到堆?；蛘邇?nèi)存中去的指令。

本系統(tǒng)軟件程序主要分為3個(gè)部分：輸入部分、控制部分和輸出部分。下面分別進(jìn)行介紹。

輸入設(shè)備主要包括鍵盤、射頻識(shí)別讀卡器，以及構(gòu)成輸入設(shè)備的接收系統(tǒng)：GPS/GIS接收器和GPRS模塊等。在車輛的行駛過程中，射頻識(shí)別模塊負(fù)責(zé)正確接收路況信息，鍵盤負(fù)責(zé)等待用戶接收車上用戶指令，GPRS模塊負(fù)責(zé)接收遠(yuǎn)程工作站的數(shù)據(jù)信息，該模塊在啟動(dòng)后主要是負(fù)責(zé)與工作站取得聯(lián)系，進(jìn)行信息交流，并且不斷更新系統(tǒng)內(nèi)部分路徑信息，方便車輛能夠及時(shí)轉(zhuǎn)向。GPS和GIS模塊則主要負(fù)責(zé)使系統(tǒng)能夠接收到車輛目前的準(zhǔn)確位置。

輸出設(shè)備主要包括顯示屏等，通過顯示屏獲取車輛所在位置和路況信息等。他的主要作用在于根據(jù)要求輸出相應(yīng)的高低電平來提供轉(zhuǎn)向所需要的電壓。實(shí)現(xiàn)原理是通過從標(biāo)簽獲得數(shù)據(jù)信息使得系統(tǒng)產(chǎn)生高低電平，同時(shí)，系統(tǒng)必須將GPS模塊和GPRS模塊提供的數(shù)據(jù)通過人機(jī)界面顯示在屏幕上使得用戶能夠?qū)崟r(shí)地看到車輛的信息，包括前方路況、車輛位置等。

控制部分是本系統(tǒng)的關(guān)鍵，流程圖見圖3。