無(wú)人駕駛車輛終端控制的研究

無(wú)人駕駛汽車是一種智能汽車，也可以稱之為輪式移動(dòng)機(jī)器人，主要依靠車內(nèi)的以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為主的智能駕駛儀來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛。無(wú)人駕駛汽車集自動(dòng)控制、體系結(jié)構(gòu)、人工智能、視覺計(jì)算等眾多技術(shù)于一體，是計(jì)算機(jī)科學(xué)、模式識(shí)別和智能控制技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物，也是衡量一個(gè)國(guó)家科研實(shí)力和工業(yè)水平的一個(gè)重要標(biāo)志，在國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　從20世紀(jì)70年代開始，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家開始進(jìn)行無(wú)人駕駛汽車的研究，目前在可行性和實(shí)用化方面都取得了突破性的進(jìn)展。我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行無(wú)人駕駛汽車的研究，國(guó)防科技大學(xué)在1992年成功研制出我國(guó)第一輛真正意義上的無(wú)人駕駛汽車。

　　2005年，首輛城市無(wú)人駕駛汽車在上海交通大學(xué)研制成功，該車有望于兩年之內(nèi)率先在上海世紀(jì)公園進(jìn)行示范運(yùn)營(yíng)，并在2010年世博會(huì)上一展身手。到時(shí)游客只需在公園的入口處按下一個(gè)按鈕，一輛沒有司機(jī)的四座敞篷汽車就會(huì)從遠(yuǎn)處開過來(lái)緩緩?fù)Ｏ?，然后搭載著乘客前往他們想去的景點(diǎn)。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心和無(wú)人駕駛車輛終端構(gòu)成，如圖1所示，而無(wú)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(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。

　　GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。要達(dá)到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過紀(jì)錄衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶所經(jīng)歷的時(shí)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(shí)距離，而是偽距（PR）：當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，會(huì)不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼（簡(jiǎn)稱偽碼）發(fā)射導(dǎo)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(fù)周期一毫秒，碼間距1微秒，相當(dāng)于300m；P碼頻率10.23MHz，重復(fù)周期266.4天，碼間距0.1微秒，相當(dāng)于30m。而Y碼是在P碼的基礎(chǔ)上形成的，保密性能更佳。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延修正、大氣折射修正等信息。

　?。?）GIS（Geography Information System，地理信息系統(tǒng)）GIS是以測(cè)繪測(cè)量為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和使用的數(shù)據(jù)源，以計(jì)算機(jī)編程為平臺(tái)的全球空間分析即時(shí)技術(shù)。這是GIS的本質(zhì)，也是核心，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。

　?。?）GPRS，通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service）的簡(jiǎn)稱，它是GSM移動(dòng)電話用戶可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS可說是GSM的延續(xù)。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌且苑獍≒acket）式來(lái)傳輸，因此使用者所負(fù)擔(dān)的費(fèi)用是以其傳輸資料單位計(jì)算，并非使用其整個(gè)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(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?？梢越尤嘶赥CP／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(wú)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)又稱電子標(biāo)簽、無(wú)線射頻識(shí)別，是一種通信技術(shù)，可通過無(wú)線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無(wú)需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸，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(lái)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(lái)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。

　?。?）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。

　?。?）該系統(tǒng)以GPRS無(wú)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(yǔ)音數(shù)據(jù)傳真短消息和GPRS數(shù)據(jù)傳輸。

　?。?）顯示模塊主要是用來(lái)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。

　?。?）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(lái)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。[!--empirenews.page--]3 終端軟件部分程序設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)由于使用ARM7，ARM7是小型、快速、低能耗、集成式RISC內(nèi)核，用于移動(dòng)通信ARM7系列處理器是英國(guó)ARM公司設(shè)計(jì)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(lái)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(yǔ)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：

　?。?）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(wú)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)。

　?。?）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(wú)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：

　?。?）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）；

　?。?）用C語(yǔ)言可以開／關(guān)中斷；

　?。?）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(lái)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。

　　控制部分的流程是這樣的：首先將操作系統(tǒng)下載到目標(biāo)板，目標(biāo)板初始化，并且設(shè)置各個(gè)模塊的中斷向量來(lái)保證各個(gè)模塊啟動(dòng)后能夠正確運(yùn)行。中斷優(yōu)先級(jí)的排序是讀卡器優(yōu)先級(jí)最高，其次是GPRS，最后是GPS。同時(shí)，顯示屏顯示操作界面，用戶可以輸入指令使得汽車啟動(dòng)。當(dāng)車輛啟動(dòng)后，各模塊也隨之運(yùn)行，系統(tǒng)程序?qū)⑥D(zhuǎn)入查詢狀態(tài)，通過不斷掃描UART端口判斷是否有標(biāo)簽進(jìn)入識(shí)別區(qū)域。若進(jìn)入標(biāo)簽識(shí)別區(qū)域，讀卡器就會(huì)接收到射頻模塊識(shí)別到的條碼信號(hào)，判斷信號(hào)正確后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)人中斷子程序。在中斷子程序中，系統(tǒng)會(huì)向GPIO端口提供相應(yīng)的高低電平作為輸出信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。GPRS是隨著車輛啟動(dòng)后就立即啟動(dòng)的，這是因?yàn)樗仨毑粩喔卤O(jiān)控中心提供的路徑信息來(lái)保證車輛的正常行駛。當(dāng)車輛停止時(shí)會(huì)發(fā)出電平信號(hào)，此時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入等待狀態(tài)，屏幕顯示操作界面，等待用戶進(jìn)行下一步操作。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本方案經(jīng)過測(cè)試仿真表明，自主轉(zhuǎn)向懸掛式獨(dú)軌車載在距離標(biāo)簽10 m內(nèi)能夠以915 MHz的頻率通過射頻模塊識(shí)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(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)端網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控站實(shí)時(shí)通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。同時(shí)，系統(tǒng)能夠作出判斷，發(fā)出控制信號(hào)。根據(jù)測(cè)試，該系統(tǒng)穩(wěn)定性高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，如果能應(yīng)用到實(shí)際中，使用戶和工作站能夠了解車輛的工作狀態(tài)，對(duì)減少交通事故有很大的意義。

　　近年來(lái)，不少國(guó)家在開發(fā)無(wú)人駕駛汽車技術(shù)。這樣的汽車并非科幻電影中的道具，英國(guó)已經(jīng)準(zhǔn)備2010年就在部分機(jī)場(chǎng)投放這種無(wú)人罵駛汽車。在不久的將來(lái)，英國(guó)政府將修建專門的無(wú)人駕駛汽車公路：或者在一般公路上開辟無(wú)人駕駛汽車快速通道。有關(guān)專家表示，在解決城市交通問題上，無(wú)人駕駛汽車因不用司機(jī)而成本更低，而且這些汽車采用電力驅(qū)動(dòng)，更加環(huán)保。無(wú)人駕駛汽車可和城市交通指揮中心聯(lián)網(wǎng)，選擇最好的路線，有效避免塞車。