無人駕駛汽車是一種智能汽車，也可以稱之為輪式移動機器人，主要依靠車內的以計算機系統(tǒng)為主的智能駕駛儀來實現(xiàn)無人駕駛。無人駕駛汽車集自動控制、體系結構、人工智能、視覺計算等眾多技術于一體，是計算機科學、模式識別和智能控制技術高度發(fā)展的產物，也是衡量一個國家科研實力和工業(yè)水平的一個重要標志，在國防和國民經濟領域具有廣闊的應用前景。
從20世紀70年代開始，美國、英國、德國等發(fā)達國家開始進行無人駕駛汽車的研究，目前在可行性和實用化方面都取得了突破性的進展。我國從20世紀80年代開始進行無人駕駛汽車的研究，國防科技大學在1992年成功研制出我國第一輛真正意義上的無人駕駛汽車。
2005年，首輛城市無人駕駛汽車在上海交通大學研制成功，該車有望于兩年之內率先在上海世紀公園進行示范運營，并在2010年世博會上一展身手。到時游客只需在公園的入口處按下一個按鈕，一輛沒有司機的四座敞篷汽車就會從遠處開過來緩緩停下，然后搭載著乘客前往他們想去的景點。
1 系統(tǒng)設計
本系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心和無人駕駛車輛終端構成，如圖1所示，而無人駕駛車輛終端又包含GPS，GIS，GPRS等部分：
?。?）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，可以向地球不斷發(fā)射定位及時間信號。地球上的任何一個GPS接收機，只要接收到4顆以上的衛(wèi)星信號，經過計算處理后就可報出GPS接收機的位置（經度、緯度、高度）、時間和運動狀態(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確顯示自己的位置。
GPS導航系統(tǒng)的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數據就可知道接收機的具體位置。要達到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過紀錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經歷的時間，再將其乘以光速得到（由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實距離，而是偽距（PR）：當GPS衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨機碼（簡稱偽碼）發(fā)射導航電文。GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的C/A碼和軍用的P（Y）碼。C/A碼頻率1.023MHz,重復周期一毫秒，碼間距1微秒，相當于300m；P碼頻率10.23MHz，重復周期266.4天，碼間距0.1微秒，相當于30m。而Y碼是在P碼的基礎上形成的，保密性能更佳。導航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。
（2）GIS（Geography Information System，地理信息系統(tǒng)）GIS是以測繪測量為基礎，以數據庫作為數據儲存和使用的數據源，以計算機編程為平臺的全球空間分析即時技術。這是GIS的本質，也是核心，是在計算機硬件、軟件系統(tǒng)支持下，對整個或部分地球表層空間的有關地理分布數據進行采集、存儲、管理、運算、分析和可視化表達的信息處理和管理系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，他與GPS模塊相結合，以地理空間數據為基礎，在計算機系統(tǒng)中提供動態(tài)的電子地圖，可以實時將交通信息通過GIS界面友好地顯示給用戶。
（3）GPRS，通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service）的簡稱，它是GSM移動電話用戶可用的一種移動數據業(yè)務。GPRS可說是GSM的延續(xù)。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸的方式不同，是以封包（Packet）式來傳輸，因此使用者所負擔的費用是以其傳輸資料單位計算，并非使用其整個頻道，理論上較為便宜。GPRS的傳輸速率可提升至56甚至114Kbps，是在GSM（（Global System）全球移動通信系統(tǒng)的網絡基礎上疊加的一個專業(yè)的高速數據通信網絡，共用GSM頻率（900／1 800 MHz）。共享GSM網絡絕大部分基礎設施?？梢越尤嘶赥CP／IP的外部網絡，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、接人時間短、網絡覆蓋面廣等幾個優(yōu)勢。
?。?）射頻識別讀卡器。射頻識別技術又稱電子標簽、無線射頻識別，是一種通信技術，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或光學接觸，在交通系統(tǒng)一般用于高速公路站上不停車收費，車牌自動識別或者停車場定時收費等。這些系統(tǒng)是將標簽放置在車載終端上，在地面上安裝天線、射頻模塊和計算機，利用射頻模塊中讀寫器來進行一定范圍內的射頻識別。射頻識別模塊通過裝有標的車輛接近傳感器來判別是否有車輛通過。識別模塊在一定區(qū)域內產生微波信號，當車輛進入該識別區(qū)域時，就能激活標簽。標簽將數據反射給識別模塊，射頻讀寫器完成數據讀取。
2 車輛終端硬件構成
車輛終端由GPS接收模塊、GPRS接收設備、主控制模強、讀卡器模塊、顯示模塊和輸入操作模塊構成，系統(tǒng)框架如圖2所示。
?。?）自主懸掛式獨軌車體上裝有嵌入式控制系統(tǒng)，主要用于對整個車輛的控制以及各個模塊之間的調度。主控制模塊芯片采用了飛利浦公司生產的LPC2000 系列處理器，該系列產品是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，并帶有0／128／256kB嵌入的高速片內FLASH存儲器。片內128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使得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上擴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，并且根據設計需要再進行裁減，就能為本車載系統(tǒng)提供一個低功耗、低成本、高性能的方案。
?。?）該系統(tǒng)以GPRS無線傳輸方式與因特網保持連接，與軌道交通信息網站交換數據。本系統(tǒng)采用了BenQ公司生產的M22模塊，他符合ETSIGSM phase 2+標準和 AT指令集，支持GSM語音數據傳真短消息和GPRS數據傳輸。
?。?）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，內帶白光LED背光燈。由于液晶模塊內部包含了HD66781和HD66783液晶控制驅動，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。
?。?）GPS模塊用來對車輛進行定位。本系統(tǒng)采用M12定位模塊，Motorola公司生產的導航設備，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 汽車定位和調度系統(tǒng)中應用廣泛。3 終端軟件部分程序設計
本系統(tǒng)由于使用ARM7，ARM7是小型、快速、低能耗、集成式RISC內核，用于移動通信ARM7系列處理器是英國ARM公司設計的主流嵌入式處理器 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是一個完整的、可移植、可固化、可剪裁的占先式實時多任務內核。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的微處理器使用。μC／OS-Ⅱ可以管理64個任務，具有信號量、互斥信號量、事件標志組、消息郵箱、消息隊列、任務管理、時間管理和內存塊管理等功能。
μC／OS-Ⅱ軟件體系結構有3部分：
（1）μC／OS-Ⅱ核心代碼：包括10個C程序文件和1個頭文件，主要實現(xiàn)系統(tǒng)調度、任務管理、內存管理、信號量、消息郵箱和消息隊列等系統(tǒng)功能。此部分與處理器性能無關。
（2）μC／OS-Ⅱ配置代碼：包括兩個頭文件，用于裁減和配置μC／OS-Ⅱ。該部分與用戶實際應用相關。
?。?）μC／OS-Ⅱ移植代碼：包括1個匯編文件、1個C程序文件和1個頭文件，這是移植μC／OS-Ⅱ所需要的代碼，與處理器無關。
在本系統(tǒng)中首先要進行系統(tǒng)移植，才能進行程序的調用。移植滿足了以下要求：
（1）處理器的C編譯器能產生可重入型代碼；
（2）處理器支持中斷，并且能產生定時中斷（10～100 Hz）；
?。?）用C語言可以開／關中斷；
?。?）處理器能支持一定數量的數據存儲硬件堆棧（可能是幾kB）；
?。?）處理器有將堆棧指針以及其他CPU寄存器的內容讀出并保存到堆棧或者內存中去的指令。
本系統(tǒng)軟件程序主要分為3個部分：輸入部分、控制部分和輸出部分。下面分別進行介紹。
輸入設備主要包括鍵盤、射頻識別讀卡器，以及構成輸入設備的接收系統(tǒng)：GPS／GIS接收器和GPRS模塊等。在車輛的行駛過程中，射頻識別模塊負責正確接收路況信息，鍵盤負責等待用戶接收車上用戶指令，GPRS模塊負責接收遠程工作站的數據信息，該模塊在啟動后主要是負責與工作站取得聯(lián)系，進行信息交流，并且不斷更新系統(tǒng)內部分路徑信息，方便車輛能夠及時轉向。GPS和GIS模塊則主要負責使系統(tǒng)能夠接收到車輛目前的準確位置。
輸出設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要求輸出相應的高低電平來提供轉向所需要的電壓。實現(xiàn)原理是通過從標簽獲得數據信息使得系統(tǒng)產生高低電平，同時，系統(tǒng)必須將GPS模塊和GPRS模塊提供的數據通過人機界面顯示在屏幕上使得用戶能夠實時地看到車輛的信息，包括前方路況、車輛位置等。
控制部分是本系統(tǒng)的關鍵，流程圖見圖3。
控制部分的流程是這樣的：首先將操作系統(tǒng)下載到目標板，目標板初始化，并且設置各個模塊的中斷向量來保證各個模塊啟動后能夠正確運行。中斷優(yōu)先級的排序是讀卡器優(yōu)先級最高，其次是GPRS，最后是GPS。同時，顯示屏顯示操作界面，用戶可以輸入指令使得汽車啟動。當車輛啟動后，各模塊也隨之運行，系統(tǒng)程序將轉入查詢狀態(tài)，通過不斷掃描UART端口判斷是否有標簽進入識別區(qū)域。若進入標簽識別區(qū)域，讀卡器就會接收到射頻模塊識別到的條碼信號，判斷信號正確后，系統(tǒng)轉人中斷子程序。在中斷子程序中，系統(tǒng)會向GPIO端口提供相應的高低電平作為輸出信號來實現(xiàn)轉向。GPRS是隨著車輛啟動后就立即啟動的，這是因為他必須不斷更新監(jiān)控中心提供的路徑信息來保證車輛的正常行駛。當車輛停止時會發(fā)出電平信號，此時，系統(tǒng)轉入等待狀態(tài)，屏幕顯示操作界面，等待用戶進行下一步操作。
4 結束語
本方案經過測試仿真表明，自主轉向懸掛式獨軌車載在距離標簽10 m內能夠以915 MHz的頻率通過射頻模塊識別到前方軌道信息，而且能以115.2 kB／s的波特率與GPRS連接，然后接入GPRS網絡與遠端網絡監(jiān)控站實時通信，進行數據交換。同時，系統(tǒng)能夠作出判斷，發(fā)出控制信號。根據測試，該系統(tǒng)穩(wěn)定性高，實時性強，如果能應用到實際中，使用戶和工作站能夠了解車輛的工作狀態(tài)，對減少交通事故有很大的意義。
近年來，不少國家在開發(fā)無人駕駛汽車技術。這樣的汽車并非科幻電影中的道具，英國已經準備2010年就在部分機場投放這種無人罵駛汽車。在不久的將來，英國政府將修建專門的無人駕駛汽車公路：或者在一般公路上開辟無人駕駛汽車快速通道。有關專家表示，在解決城市交通問題上，無人駕駛汽車因不用司機而成本更低，而且這些汽車采用電力驅動，更加環(huán)保。無人駕駛汽車可和城市交通指揮中心聯(lián)網，選擇最好的路線，有效避免塞車。
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