智能無(wú)人駕駛汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

一、智能無(wú)人駕駛汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1、智能無(wú)人駕駛簡(jiǎn)介

智能無(wú)人駕駛汽車是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級(jí)輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，對(duì)車輛的操作實(shí)質(zhì)上可視為對(duì)一個(gè)多輸入、多輸出、輸入輸出關(guān)系復(fù)雜多變、不確定多干擾源的復(fù)雜非線性系統(tǒng)的控制過(guò)程。駕駛員既要接受環(huán)境如通路、擁擠、方向、行人等的信息，還要感受汽車如車速、側(cè)性偏移、橫擺角速度等的信息，然后經(jīng)過(guò)判斷分析和決策，并與自己的駕駛經(jīng)驗(yàn)相比較，確定出應(yīng)該做的操縱動(dòng)作，最后由身體、手、腳等來(lái)完成操縱車輛的動(dòng)作。因此在整個(gè)駕駛過(guò)程中，駕駛員的人為因素占了很大的比重。一旦出現(xiàn)駕駛員長(zhǎng)時(shí)間駕車、疲勞駕車、判斷失誤的情況，很容易造成交通事故。

二、系統(tǒng)的控制要求

(1)系統(tǒng)中心控制部件(單片機(jī))可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，工作頻率最高可達(dá)到25MHz，能保障系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

(2)系統(tǒng)在軟硬件方面均應(yīng)采用抗干擾技術(shù)，包括光電隔離技術(shù)、電磁兼容性分析、數(shù)字濾波技術(shù)等。

(3)系統(tǒng)具有電源實(shí)時(shí)監(jiān)控、欠壓狀態(tài)自動(dòng)斷電功能。

(4)系統(tǒng)具有故障自診斷功能。

(5)系統(tǒng)具有良好的人性化顯示模塊，可以將系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的重要參數(shù)(如智能車速度、電源電壓)顯示在LCD上。

(6)系統(tǒng)中汽車驅(qū)動(dòng)力為500N時(shí)，汽車將在5秒內(nèi)達(dá)到10m/s的最大速度。

一、 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)主要由車模、模型車控制系統(tǒng)及輔助開(kāi)發(fā)系統(tǒng)構(gòu)成。

智能車系統(tǒng)的功能模塊主要包括：控制核心模塊、電源管理模塊、路徑識(shí)別模塊、后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制模塊、速度檢測(cè)模塊、電池監(jiān)控模塊、小車故障診斷模塊、LCD數(shù)據(jù)顯示模塊及調(diào)試輔助模塊。每個(gè)模塊都包括硬件和軟件兩部分。硬件為系統(tǒng)工作提供硬件實(shí)體，軟件為系統(tǒng)提供各種算法。

2、控制機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)

智能車主要通過(guò)自制小車來(lái)模擬執(zhí)行機(jī)構(gòu)，自制小車長(zhǎng)為34.6cm，寬為24.5cm，重為1.2kg，采樣周期為3ms，檢測(cè)精度為4mm。

控制機(jī)構(gòu)中，主控制核心采用freescale16位單片機(jī)MC9S12DG128B。系統(tǒng)在CodeWarrior軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)完成，采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程，提供強(qiáng)大的輔助模塊，包括電池檢測(cè)模塊、小車故障診斷模塊、LCD數(shù)據(jù)顯示模塊以及調(diào)試輔助模塊。在路徑識(shí)別模塊，系統(tǒng)利用了freescaleS12系列單片機(jī)提供的模糊推理機(jī)。

3、控制規(guī)律

因?yàn)橄到y(tǒng)電機(jī)控制模塊控制小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其在不同階段特性參數(shù)變化很大，故采用數(shù)字PID控制器，該控制器技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)容易調(diào)整，不一定需要系統(tǒng)的確切數(shù)字模型。

4、系統(tǒng)各模塊的主要功能

控制核心模塊：使用freescale16位單片機(jī)MC9S12DG128B，主要功能是完成采集信號(hào)的處理和控制信號(hào)的輸出。

電源管理模塊：對(duì)電池進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，為各模塊正常工作提供可靠的電壓。

路徑識(shí)別模塊：完成跑道信息的采集、預(yù)處理以及數(shù)據(jù)識(shí)別。

后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：為電機(jī)提供可靠的驅(qū)動(dòng)電路和控制算法。

轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制模塊：為舵機(jī)提供可靠的控制電路和控制算法。

速度檢測(cè)模塊：為電機(jī)控制提供準(zhǔn)確的速度反饋。

電池監(jiān)控模塊：對(duì)電池電量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以便科學(xué)的利用，保護(hù)電池。

小車故障診斷模塊：對(duì)小車故障進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的診斷。

LCD數(shù)據(jù)顯示模塊：顯示系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的重要參數(shù)。

調(diào)試輔助模塊：使得小車調(diào)試更加方便。

5、系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)

系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用CodeWarrior for S12

二、系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)

1、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件系統(tǒng)框圖如下：

以下按各模塊來(lái)分別設(shè)計(jì)本硬件電路：

(1)電源管理模塊：

電源管理模塊的功能對(duì)電池進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，為各個(gè)模塊正常工作提供可靠的工作電壓。電源管理模塊采用7.2V、2000mAh鎳鎘電池以及LM2576(5V)，LM317(6V)穩(wěn)壓芯片構(gòu)成。

(2)微處理器：采用微處理器MC9S12DG128

(3)路徑識(shí)別模塊：

紅外發(fā)射管和紅外接收管以及達(dá)林頓管ULN2803A作為路徑識(shí)別的傳感器。采用雙排傳感器的策略，第一排傳感器專門(mén)用于識(shí)別路徑以及記憶路徑的各種特征點(diǎn)，第二排傳感器專門(mén)用于識(shí)別起始位置與十字交叉路口，由于不同傳感器的功能不一樣，因此它們的布置與安裝位置也是不同。

(4)后輪驅(qū)動(dòng)和速度檢測(cè)模塊：

驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的型號(hào)為RS—380SH，輸出功率為0.9W—40W。電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分采用了兩塊MC33886組成的全橋式驅(qū)動(dòng)電路，可以控制電機(jī)的反轉(zhuǎn)以達(dá)到制動(dòng)的目的。

(5)轉(zhuǎn)向舵機(jī)模塊:

凡是需要操作性動(dòng)作時(shí)都可以用舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用的舵機(jī)型號(hào)為HS—925(SANWA)，尺寸為39.4*37.8*27.8，重量56kg，工作速度0.11sec/60(4.8V)，0.07sec/60(6.0V)，堵轉(zhuǎn)力矩6.1kg。

(6)電源電壓檢測(cè)模塊

智能車采用鎳鎘電池供電，本模塊用到的主要器件為光電耦合芯片TLP521—2以及運(yùn)算放大器LM324。

(7)液晶顯示模塊:LCD控制器HD44780。

(8)輔助調(diào)試模塊(紅外遙控):

本模塊主要用紅外接收器HS0038A和紅外遙控器來(lái)進(jìn)行遙控控制。

(9)故障診斷模塊:

利用單片機(jī)的SCIO口，通過(guò)RS—232接口與上位機(jī)連接起來(lái)，通過(guò)軟件編程，小車不斷的向上位機(jī)發(fā)送代碼，通過(guò)故障代碼就可以馬上診斷出故障源。

2、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

(1)后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制算法

采用數(shù)字控制器的連續(xù)化設(shè)計(jì)技術(shù)PID控制算法來(lái)控制本部分電路。

PID控制器的傳遞函數(shù)為：

設(shè)定Kp= 1500進(jìn)行測(cè)試，此時(shí)仿真靜態(tài)值與靜態(tài)誤差以及上升時(shí)間已基本滿足系統(tǒng)需求，從而完全可以通過(guò)繼續(xù)增加比例系數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)特性，進(jìn)而理論上可以省去積分環(huán)節(jié)。但是隨著比例系數(shù)的增加動(dòng)態(tài)過(guò)程將讓人不滿意，其動(dòng)態(tài)變化將過(guò)快，從而給駕駛?cè)藛T帶來(lái)身體上的不適，增加積分環(huán)節(jié)：

積分環(huán)節(jié)的加入可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。設(shè)定Kp=1000，Ki= 50系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求

所以綜上所述，我們?cè)O(shè)計(jì)的PID控制器的傳遞函數(shù)為：

，采樣周期為T(mén)=0.1s。

然后，利用數(shù)字控制器的離散化設(shè)計(jì)步驟來(lái)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)。通過(guò)前面的分析，知道被控對(duì)象的連續(xù)傳遞函數(shù)為：

。其中，m=1000，b=50。因?yàn)榱汶A保持器的傳遞函數(shù)為：

。所以得到廣義對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)為：

對(duì)單位脈沖輸入信號(hào)的十倍，

，選擇

。

在十倍的單位階躍信號(hào)，采樣周期為1s時(shí)，只需一拍輸出就能跟蹤輸入，誤差為零，非常好的達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

(2)路徑識(shí)別模塊的軟件設(shè)計(jì)

路徑識(shí)別主要運(yùn)用MC9S12DG128B內(nèi)部的模糊推理機(jī)運(yùn)用模糊邏輯的基本知識(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(3)數(shù)字濾波技術(shù)

在電動(dòng)機(jī)數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)中，測(cè)量值是通過(guò)系統(tǒng)的輸出量進(jìn)行采樣而得到的。它與給定值r(t)之差形成偏差信號(hào)，所以，測(cè)量值是決定偏差大小的重要數(shù)據(jù)。測(cè)量值如果不能真實(shí)地反映系統(tǒng)的輸出，那么這個(gè)控制系統(tǒng)就會(huì)失去它的作用。在實(shí)際中，對(duì)電動(dòng)機(jī)輸出的測(cè)量值?；煊懈蓴_噪聲，用混有干擾的測(cè)量值作為控制信號(hào)，將引起誤動(dòng)作，在有微分控制環(huán)節(jié)的系統(tǒng)中還會(huì)引起系統(tǒng)震蕩，危害極大。

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了移動(dòng)平均濾波法。移動(dòng)平均濾波法沒(méi)計(jì)算一次測(cè)量值，只需采樣一次，所以大大加快了數(shù)據(jù)處理速度，非常適合于實(shí)時(shí)控制。

移動(dòng)平均濾波法是將采樣后的數(shù)據(jù)按采樣時(shí)刻的先后順序存放在RAM中，在每次計(jì)算前先順序移動(dòng)數(shù)據(jù)，將隊(duì)列前的最先采樣的數(shù)據(jù)移出，然后將最新采樣的數(shù)據(jù)補(bǔ)充到隊(duì)列的尾部，以保證數(shù)據(jù)緩沖區(qū)里總有n個(gè)數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)仍按采樣的先后順序排列。這時(shí)計(jì)算隊(duì)列中各數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，這個(gè)算術(shù)平均值就是測(cè)量值，它實(shí)現(xiàn)了每采樣一次，就計(jì)算一個(gè)。

(4)轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制算法

舵機(jī)控制是智能車系統(tǒng)中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，舵機(jī)控制的好壞也直接影響了小車的控制效果，舵機(jī)的控制信號(hào)為20ms的脈寬調(diào)制信號(hào)，其中脈沖寬度從0.5ms—2.5ms，相對(duì)應(yīng)舵盤(pán)的位置為0—180度，呈線性變化。也就是說(shuō)，給它一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的角度上，無(wú)論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)的位置上。

(5)速度檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

速度傳感器采用紅外對(duì)射式傳感器，傳感器感應(yīng)出與速度相關(guān)的脈沖后，接下來(lái)就要識(shí)別這些脈沖。有兩種方法可以識(shí)別，一種是通過(guò)測(cè)量脈沖的寬度來(lái)識(shí)別小車的速度，另一種是通過(guò)計(jì)算一定時(shí)間內(nèi)的脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)識(shí)別小車的速度。本設(shè)計(jì)采用后一種方法。在本設(shè)計(jì)中利用了MC9S12DG128B內(nèi)部的兩個(gè)資源，分別是RTI中斷和輸入捕捉中斷：通過(guò)RTI中斷，可以控制一定的時(shí)間，這段時(shí)間是固定的;通過(guò)輸入捕捉中斷，來(lái)計(jì)算捕獲脈沖的個(gè)數(shù)，最后通過(guò)在這段時(shí)間內(nèi)捕獲的脈沖個(gè)數(shù)來(lái)反映小車速度的大小。

一、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)

該智能車控制系統(tǒng)智能化程度較高，使用操作簡(jiǎn)單，性能可靠;采用專用單片機(jī)控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)工作可靠性;智能化程度較高，在一定程度下，基本不用人工操作;采用LCD液晶顯示，人機(jī)交互化程度較高。