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1、智能无人驾驶汽车计算机控制系统 一、智能无人驾驶汽车计算机控制系统简介 1、智能无人驾驶简介 智能无人驾驶汽车是一个集环境感知、规划决策、 多等级辅助驾驶等功能于一体的综合 系统， 对车辆的操作实质上可视为对一个多输入、多输出、输入输出关系复杂多变、不确定 多干扰源的复杂非线性系统的控制过程。驾驶员既要接受环境如通路、拥挤、方向、行人等 的信息， 还要感受汽车如车速、侧性偏移、 横摆角速度等的信息，然后经过判断分析和决策， 并与自己的驾驶经验相比较，确定出应该做的操纵动作，最后由身体、 手、脚等来完成操纵 车辆的动作。 因此在整个驾驶过程中，驾驶员的人为因素占了很大的比重。一旦出现驾驶员 长时
2、间驾车、疲劳驾车、判断失误的情况，很容易造成交通事故。 二、系统的控制要求 （1） 系统中心控制部件 （单片机）可靠性高，抗干扰能力强， 工作频率最高可达到25MHz ， 能保障系统的实时性。 （2）系统在软硬件方面均应采用抗干扰技术，包括光电隔离技术、电磁兼容性分析、 数字滤波技术等。 （3）系统具有电源实时监控、欠压状态自动断电功能。 （4）系统具有故障自诊断功能。 （5）系统具有良好的人性化显示模块，可以将系统当前状态的重要参数（如智能车速 度、电源电压）显示在LCD上。 （6）系统中汽车驱动力为500N 时，汽车将在5 秒内达到10m/s 的最大速度。 一、 系统总体方案设计 1、系统
3、总体结构 整个系统主要由车模、模型车控制系统及辅助开发系统构成。 智能车系统的功能模块主要包括：控制核心模块、电源管理模块、 路径识别模块、 后轮 电机驱动模块、 转向舵机控制模块、速度检测模块、 电池监控模块、 小车故障诊断模块、LCD 数据显示模块及调试辅助模块。每个模块都包括硬件和软件两部分。硬件为系统工作提供硬 件实体，软件为系统提供各种算法。 2、控制机构与执行机构 智能车主要通过自制小车来模拟执行机构，自制小车长为34.6cm，宽为 24.5cm，重为 1.2kg ，采样周期为3ms，检测精度为4mm 。 控制机构中， 主控制核心采用freescale16位单片机 MC9S12DG
4、128B。 系统在 CodeWarrior 软件平台基础上设计完成，采用 C语言和汇编语言混合编程，提供强大的辅助模块，包括电 池检测模块、小车故障诊断模块、LCD数据显示模块以及调试辅助模块。在路径识别模块， 系统利用了freescaleS12系列单片机提供的模糊推理机。 3、控制规律 因为系统电机控制模块控制小车的运动状态，其在不同阶段特性参数变化很大，故采用 数字 PID 控制器，该控制器技术成熟，结构简单，参数容易调整， 不一定需要系统的确切数 字模型。 4、系统各模块的主要功能 控制核心模块：使用freescale16位单片机MC9S12DG128B，主要功能是完成采集信号 的处理和
5、控制信号的输出。 电源管理模块：对电池进行电压调节，为各模块正常工作提供可靠的电压。 路径识别模块：完成跑道信息的采集、预处理以及数据识别。 后轮电机驱动模块：为电机提供可靠的驱动电路和控制算法。 转向舵机控制模块：为舵机提供可靠的控制电路和控制算法。 速度检测模块：为电机控制提供准确的速度反馈。 电池监控模块：对电池电量进行实时监控，以便科学的利用，保护电池。 小车故障诊断模块：对小车故障进行快速、准确的诊断。 LCD数据显示模块：显示系统当前状态的重要参数。 调试辅助模块：使得小车调试更加方便。 5、系统的开发平台 系统软件开发平台采用CodeWarrior for S12 二、系统硬件和
6、软件设计 1、系统的硬件设计 系统硬件系统框图如下： 以下按各模块来分别设计本硬件电路： （1）电源管理模块： 电源管理模块的功能对电池进行电压调节，为各个模块正常工作提供可靠的工作电压。 电源管理模块采用7.2V、2000mAh镍镉电池以及LM2576 （5V） ，LM317 （6V）稳压芯片构成。 （2）微处理器：采用微处理器MC9S12DG128 （3）路径识别模块： 红外发射管和红外接收管以及达林顿管ULN2803A作为路径识别的传感器。采用双排传 感器的策略， 第一排传感器专门用于识别路径以及记忆路径的各种特征点，第二排传感器专 门用于识别起始位置与十字交叉路口，由于不同传感器的功能
7、不一样，因此它们的布置与安 装位置也是不同。 （4）后轮驱动和速度检测模块： 驱动直流电机的型号为RS 380SH ，输出功率为0.9W40W 。电机驱动部分采用了两块 MC33886组成的全桥式驱动电路，可以控制电机的反转以达到制动的目的。 (5）转向舵机模块: 凡是需要操作性动作时都可以用舵机来实现。本设计采用的舵机型号为HS 925 （SANWA） ，尺寸为 39.4*37.8*27.8，重量 56kg，工作速度0.11sec/60 （4.8V ） ，0.07sec/60 （6.0V ） ，堵转力矩6.1kg 。 (6) 电源电压检测模块 智能车采用镍镉电池供电，本模块用到的主要器件为光
8、电耦合芯片TLP5212 以及运 算放大器LM324 。 (7) 液晶显示模块 :LCD 控制器 HD44780 。 (8) 辅助调试模块（红外遥控）: 本模块主要用红外接收器HS0038A和红外遥控器来进行遥控控制。 (9) 故障诊断模块 : 利用单片机的SCIO口，通过 RS232 接口与上位机连接起来，通过软件编程，小车不 断的向上位机发送代码，通过故障代码就可以马上诊断出故障源。 2、系统的软件设计 （1）后轮驱动电机控制算法 采用数字控制器的连续化设计技术PID 控制算法来控制本部分电路。 PID 控制器的传递函数为： 2 ( )1 ( )(1) ( ) DpI I pDpD I K
9、 sK sK KU s D sKT sKK s E sT sss 设定 Kp= 1500 进行测试，此时仿真静态值与静态误差以及上升时间已基本满足系统需 求，从而完全可以通过继续增加比例系数来调节系统特性，进而理论上可以省去积分环节。 但是随着比例系数的增加动态过程将让人不满意，其动态变化将过快，从而给驾驶人员带来 身体上的不适，增加积分环节： 积分环节的加入可以调节系统的静态误差。设定Kp=1000，Ki= 50 系统基本实现设计要 求 所以综上所述，我们设计的PID 控制器的传递函数为： ( )100050 ( ) ( ) U ss D s E ss ，采样周期为T=0.1s 。 然后，
10、利用数字控制器的离散化设计步骤来设计本系统。通过前面的分析，知道被控对 象的连续传递函数为： ( )1 ( ) Y s U smsb 。其中， m=1000 ，b=50。因为零阶保持器的传递函数 为： 1 ( ) Ts e H s S 。所以得到广义对象的脉冲传递函数为： 1 111 ( )*(1) 100050(100050) Ts e G zZzZ ssss 1111111 (1) *(1)*20* 11 10001000 () 2020 zZzZ s s ss 1 11 20 11 1 20 1(1)10.0488 * 505010.9512 1 ezz z ez 对单位脉冲输入信号的十
11、倍， 1 10 ( ) 1 R z z ，选择 1 ( )zz 。 在十倍的单位阶跃信号，采样周期为1s 时，只需一拍输出就能跟踪输入，误差为零， 非常好的达到了系统的设计要求。 （2）路径识别模块的软件设计 路径识别主要运用MC9S12DG128B 内部的模糊推理机运用模糊逻辑的基本知识来实现。 （3）数字滤波技术 在电动机数字闭环控制系统中，测量值是通过系统的输出量进行采样而得到的。它与给 定值 r （ t）之差形成偏差信号，所以，测量值是决定偏差大小的重要数据。测量值如果不 能真实地反映系统的输出，那么这个控制系统就会失去它的作用。在实际中， 对电动机输出 的测量值常混有干扰噪声，用混有
12、干扰的测量值作为控制信号，将引起误动作， 在有微分控 制环节的系统中还会引起系统震荡，危害极大。 在本系统设计中，采用了移动平均滤波法。移动平均滤波法没计算一次测量值，只需采 样一次，所以大大加快了数据处理速度，非常适合于实时控制。 移动平均滤波法是将采样后的数据按采样时刻的先后顺序存放在RAM 中， 在每次计算前 先顺序移动数据， 将队列前的最先采样的数据移出，然后将最新采样的数据补充到队列的尾 部，以保证数据缓冲区里总有n 个数据， 并且数据仍按采样的先后顺序排列。这时计算队列 中各数据的算术平均值，这个算术平均值就是测量值，它实现了每采样一次，就计算一个。 （4）转向舵机控制算法 舵机控
13、制是智能车系统中很重要的一个环节，舵机控制的好坏也直接影响了小车的控制 效果，舵机的控制信号为20ms的脉宽调制信号，其中脉冲宽度从0.5ms2.5ms，相对应舵 盘的位置为0180 度，呈线性变化。也就是说，给它一定的脉宽，它的输出轴就会保持在 一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它 才会改变输出角度到新的对应的位置上。 （5）速度检测软件设计 速度传感器采用红外对射式传感器，传感器感应出与速度相关的脉冲后，接下来就要识 别这些脉冲。 有两种方法可以识别，一种是通过测量脉冲的宽度来识别小车的速度，另一种 是通过计算一定时间内的脉冲的个数来识别小车的速度。本设计采用后一种方法。在本设计 中利用了MC9S12DG128B 内部的两个资源， 分别是 RTI 中断和输入捕捉中断：通过 RTI 中断， 可以控制一定的时间，这段时间是固定的；通过输入捕捉中断，来计算捕获脉冲的个数，最 后通过在这段时间内捕获的脉冲个数来反映小车速度的大小。 二、 系统设计总结 该智能车控制系统智能化程度较高，使用操作简单， 性能可靠； 采用专用单片机控制系 统，提高系统工作可靠性；智能化程度较高，在一定程度下，基本不用人工操作；采用LCD 液晶显示，人机交互化程度较高。