基于GPS的智能車自動駕駛系統(tǒng)的研制

作者 李延斌 牛雷 佟賀 陸軍航空兵學(xué)院基礎(chǔ)部(北京 101123)

　　李延斌，出生于1977年5月，男，碩士研究生，副教授，研究方向為計算機(jī)應(yīng)用;牛雷，出生于1984年1月，男，講師，研究方向為計算機(jī)應(yīng)用;佟賀，生于1980年10月，女，碩士研究生，講師，研究方向為嵌入式。

摘要：本論文研制了一種使用STM32作為微處理器的具有自動路線規(guī)劃、自動駕駛、遠(yuǎn)程遙控等功能的智能車自動駕駛系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為手持端和車載端兩部分，用戶可以通過手持端在地圖上對智能車的目的地進(jìn)行設(shè)置，車載端采用A*算法自動規(guī)劃出路線，由GPS的地理位置信息和九軸傳感器JY-901模塊的磁場信息為輔助，控制舵機(jī)和電機(jī)使智能車自動駕駛至目的地。

0 引言

　　自動駕駛技術(shù)是當(dāng)今世界最熱門的研究方向之一，因其智能便捷和安全穩(wěn)定受到越來越多的消費者喜愛。各國政府希望通過自動駕駛技術(shù)的成熟來解決繁雜的交通問題。中國從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行自動駕駛汽車的研究，現(xiàn)在已經(jīng)躋身世界先進(jìn)水平。

　　本論文主要對基于GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的智能車自動駕駛系統(tǒng)進(jìn)行研究探索和設(shè)計，最終設(shè)計完成了基于GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可進(jìn)行自動路線規(guī)劃、自動駕駛、遠(yuǎn)程遙控等功能的智能車自動駕駛系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計方案

　　智能車自動駕駛系統(tǒng)分為手持端和車載端兩部分。手持端是自動駕駛儀的人機(jī)交互部分，車載端是智能車部分。手持端和車載端之間采用NRF24L01+PA+LNA模塊進(jìn)行無線通信進(jìn)行可達(dá)1 km以上的遠(yuǎn)程控制。

　　智能車自動駕駛儀主要兩個以STM32F103為微處理器的開發(fā)板、GPS模塊、SD存儲卡模塊、外部FLASH模塊、JY-901模塊、NRF24L01+PA+LNA無線模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、電源模塊、舵機(jī)、電機(jī)等硬件組成。

　　手持端通過觸屏選擇智能車的工作模式，工作模式共分為兩種，一是自動駕駛模式，二是遙控車模式。當(dāng)選擇智能車模式后接收智能車的GPS坐標(biāo)信息，在地圖上顯示出實時位置，之后在地圖進(jìn)行目的地的設(shè)置，同時將目的地坐標(biāo)發(fā)送給智能車。智能車得到目的地坐標(biāo)后采用A*算法自動規(guī)劃出最短路線，并在手持端顯示出規(guī)劃的路線。手持端選擇運行后車載端后按照規(guī)劃的路線以GPS的位置信息和九軸傳感器JY-901模塊的磁場信息為輔助，控制舵機(jī)和電機(jī)自動駕駛到目的地。在運動過程中手持端可以實時監(jiān)控智能車的位置和運行狀態(tài)。在運行過程中可以切換成遙控的方式對智能車進(jìn)行遠(yuǎn)程。如果選擇了遙控模式，則切換到遙控界面。通過觸碰界面上的提示漢字，來實現(xiàn)對智能車的方向操控。操控方向分為前進(jìn)、后退、左前、右前、左后、右后。轉(zhuǎn)向的角度可以通過觸碰的時間來控制。

2 智能車自動駕駛系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1 手持端設(shè)計

　　自動駕駛系統(tǒng)手持端硬件使用秉火STM32F103開發(fā)板、3.2寸觸摸式LCD和一個NRF24L01+PA+LNA模塊組成，供電采用鋰電池供電。自動駕駛儀手持端可以實現(xiàn)地圖的顯示、智能車實時位置和狀態(tài)顯示、目的地的設(shè)定和路徑規(guī)劃和遙控等功能。

　　手持端通過觸摸式LCD進(jìn)行觸控，并通過LCD進(jìn)行地圖、可選路線、最短路線、操作提示漢字的顯示和車載端實時位置、狀態(tài)顯示，具體結(jié)構(gòu)詳見圖1。

　　通過外部FLASH存儲觸摸式LCD的觸摸校準(zhǔn)系數(shù)，使用SD卡存儲地圖和漢字字庫。使用STM32內(nèi)部FLASH存儲地理信息數(shù)組。當(dāng)無線通信模塊處于接收狀態(tài)時根據(jù)顯示狀態(tài)接收車載端發(fā)送的實時位置、狀態(tài)、規(guī)劃的最短路線等信息。當(dāng)無線通信模塊處于發(fā)送狀態(tài)時根據(jù)顯示狀態(tài)發(fā)送目的地位置，模式選擇信號、遙控控制信號等信息。

　　2.2 智能車自動駕駛系統(tǒng)車載端設(shè)計

　　車載端硬件在小車平臺上使用正點原子STM32MINI開發(fā)板、GPS模塊、GPS天線、JY-901模塊、一個NRF24L01+PA+LNA模塊、舵機(jī)、電機(jī)驅(qū)動模塊、電源模塊組成，供電采用7.2V聚合物電池供電，具體硬件結(jié)構(gòu)見圖2。自動駕駛儀車載端主要實現(xiàn)GPS定位、最短路線的計算、智能車磁航向計算、自動駕駛、獲取運動狀態(tài)信息等功能。

　　車載端通過GPS模塊和GPS天線提供GPS數(shù)據(jù)，JY-901模塊提供磁場數(shù)據(jù)。使用STM32對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。當(dāng)無線通信模塊處于發(fā)送狀態(tài)時將位置和狀態(tài)信息和規(guī)劃的路線發(fā)送給手持端。當(dāng)無線通信模塊處于接收狀態(tài)時接收手持端發(fā)出的目的地位置、模式選擇信號、遙控控制信號等信息。

3 自動駕駛儀系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1 手持端軟件設(shè)計

　　自動駕駛系統(tǒng)手持端部分的軟件實現(xiàn)的功能有：顯示地圖、漢字和智能車在地圖上的位置。通過觸屏及漢字提示對手持端進(jìn)行操作。根據(jù)地理信息數(shù)組，顯示可行進(jìn)道路和最短路線，為車載端提供路網(wǎng)坐標(biāo)，通過手持端對車載端進(jìn)行遙控。在運行中實時顯示智能車的狀態(tài)和位置。通過觸碰觸摸屏產(chǎn)生一次中斷，實現(xiàn)對狀態(tài)函數(shù)的切換，改變顯示屏的顯示狀態(tài)和無線通信模塊的通信狀態(tài)，軟件流程見圖3。

　　智能車自動駕駛儀手持端共設(shè)計九種顯示狀態(tài)。顯示背景始終為地圖。顯示狀態(tài)圖片見附錄。為增加顯示效果，顯示包括像素坐標(biāo)點在內(nèi)的周圍四個坐標(biāo)。漢字顯示為黃色字符，背景色為黑色。發(fā)生觸碰時在主函數(shù)中產(chǎn)生中斷，記錄下觸摸點的坐標(biāo)。當(dāng)觸點位于提示字顯示范圍內(nèi)時，根據(jù)提示字改變顯示狀態(tài)。為增加用戶體驗，在觸摸到提示字時提示字由黃色變?yōu)榧t色。當(dāng)發(fā)生觸碰時，顯示狀態(tài)函數(shù)重新運行，進(jìn)行顯示狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。操作流程如圖4所示。

　　3.2 車載端軟件設(shè)計

　　自動駕駛儀車載端的軟件部分實現(xiàn)的功能有：使用A*算法計算出最短路線，并發(fā)送給手持端。基于GPS和磁傳感器信息，控制舵機(jī)和電機(jī)按規(guī)劃路線自動駕駛到目的地的功能。并發(fā)送實時位置和狀態(tài)、規(guī)劃的路線等信息。接收手持端對智能車的遙控操作信號，車載端軟件主函數(shù)流程圖如圖5所示。

　　為了實現(xiàn)在手持端地圖上顯示位置的功能，需要對地理坐標(biāo)系和像素坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根據(jù)像素坐標(biāo)、瓦片坐標(biāo)和地理坐標(biāo)的幾何關(guān)系，設(shè)計地理坐標(biāo)系和像素坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換程序， 轉(zhuǎn)換流程圖6所示。

　　綜上所述，經(jīng)硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，最終完成了智能車自動駕駛系統(tǒng)的研制，圖7、8分別為手持端和車載端，圖9為手持端地圖，經(jīng)多次實驗驗證，智能車自動駕駛系統(tǒng)運行效果良好。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第11期第61頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。