智能無人駕駛汽車計算機控制系統(tǒng)

一、智能無人駕駛汽車計算機控制系統(tǒng)簡介

1、智能無人駕駛簡介

智能無人駕駛汽車是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，對車輛的操作實質上可視為對一個多輸入、多輸出、輸入輸出關系復雜多變、不確定多干擾源的復雜非線性系統(tǒng)的控制過程。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、側性偏移、橫擺角速度等的信息，然后經(jīng)過判斷分析和決策，并與自己的駕駛經(jīng)驗相比較，確定出應該做的操縱動作，最后由身體、手、腳等來完成操縱車輛的動作。因此在整個駕駛過程中，駕駛員的人為因素占了很大的比重。一旦出現(xiàn)駕駛員長時間駕車、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)可靠性高，抗干擾能力強，工作頻率最高可達到25MHz，能保障系統(tǒng)的實時性。

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

(3)系統(tǒng)具有電源實時監(jiān)控、欠壓狀態(tài)自動斷電功能。

(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)中汽車驅動力為500N時，汽車將在5秒內(nèi)達到10m/s的最大速度。

一、 系統(tǒng)總體方案設計

1、系統(tǒng)總體結構

整個系統(tǒng)主要由車模、模型車控制系統(tǒng)及輔助開發(fā)系統(tǒng)構成。

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、路徑識別模塊、后輪電機驅動模塊、轉向舵機控制模塊、速度檢測模塊、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)工作提供硬件實體，軟件為系統(tǒng)提供各種算法。

2、控制機構與執(zhí)行機構

智能車主要通過自制小車來模擬執(zhí)行機構，自制小車長為34.6cm，寬為24.5cm，重為1.2kg，采樣周期為3ms，檢測精度為4mm。

控制機構中，主控制核心采用freescale16位單片機MC9S12DG128B。系統(tǒng)在CodeWarrior軟件平臺基礎上設計完成，采用C語言和匯編語言混合編程，提供強大的輔助模塊，包括電池檢測模塊、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。在路徑識別模塊，系統(tǒng)利用了freescaleS12系列單片機提供的模糊推理機。

3、控制規(guī)律

因為系統(tǒng)電機控制模塊控制小車的運動狀態(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，該控制器技術成熟，結構簡單，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MC9S12DG128B，主要功能是完成采集信號的處理和控制信號的輸出。

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

路徑識別模塊：完成跑道信息的采集、預處理以及數(shù)據(jù)識別。

后輪電機驅動模塊：為電機提供可靠的驅動電路和控制算法。

轉向舵機控制模塊：為舵機提供可靠的控制電路和控制算法。

速度檢測模塊：為電機控制提供準確的速度反饋。

電池監(jiān)控模塊：對電池電量進行實時監(jiān)控，以便科學的利用，保護電池。

小車故障診斷模塊：對小車故障進行快速、準確的診斷。

LCD數(shù)據(jù)顯示模塊：顯示系統(tǒng)當前狀態(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)的開發(fā)平臺

系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺采用CodeWarrior for S12

二、系統(tǒng)硬件和軟件設計

1、系統(tǒng)的硬件設計

系統(tǒng)硬件系統(tǒng)框圖如下：

設定Kp= 1500進行測試，此時仿真靜態(tài)值與靜態(tài)誤差以及上升時間已基本滿足系統(tǒng)需求，從而完全可以通過繼續(xù)增加比例系數(shù)來調(diào)節(jié)系統(tǒng)特性，進而理論上可以省去積分環(huán)節(jié)。但是隨著比例系數(shù)的增加動態(tài)過程將讓人不滿意，其動態(tài)變化將過快，從而給駕駛人員帶來身體上的不適，增加積分環(huán)節(jié)：