基于GPS的智能車自動(dòng)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?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用;牛雷，出生于1984年1月，男，講師，研究方向?yàn)橛?jì)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?yàn)榍度胧健?/p>

摘要：本論文研制了一種使用STM32作為微處理器的具有自動(dòng)路線規(guī)劃、自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程遙控等功能的智能車自動(dòng)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(duì)智能車的目的地進(jìn)行設(shè)置，車載端采用A*算法自動(dòng)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(chǎng)信息為輔助，控制舵機(jī)和電機(jī)使智能車自動(dòng)駕駛至目的地。

0 引言

　　自動(dòng)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(lái)越多的消費(fèi)者喜愛。各國(guó)政府希望通過自動(dòng)駕駛技術(shù)的成熟來(lái)解決繁雜的交通問題。中國(guó)從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行自動(dòng)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(duì)基于GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的智能車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)進(jìn)行研究探索和設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)完成了基于GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可進(jìn)行自動(dòng)路線規(guī)劃、自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程遙控等功能的智能車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

　　智能車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)分為手持端和車載端兩部分。手持端是自動(dòng)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(wú)線通信進(jìn)行可達(dá)1 km以上的遠(yuǎn)程控制。

　　智能車自動(dòng)駕駛儀主要兩個(gè)以STM32F103為微處理器的開發(fā)板、GPS模塊、SD存儲(chǔ)卡模塊、外部FLASH模塊、JY-901模塊、NRF24L01+PA+LNA無(wú)線模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)時(shí)位置，之后在地圖進(jìn)行目的地的設(shè)置，同時(shí)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(dòng)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(yùn)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(chǎng)信息為輔助，控制舵機(jī)和電機(jī)自動(dòng)駕駛到目的地。在運(yùn)動(dòng)過程中手持端可以實(shí)時(shí)監(jiān)控智能車的位置和運(yùn)行狀態(tài)。在運(yùn)行過程中可以切換成遙控的方式對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)間來(lái)控制。

2 智能車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 手持端設(shè)計(jì)

　　自動(dòng)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(gè)NRF24L01+PA+LNA模塊組成，供電采用鋰電池供電。自動(dòng)駕駛儀手持端可以實(shí)現(xiàn)地圖的顯示、智能車實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)位置、狀態(tài)顯示，具體結(jié)構(gòu)詳見圖1。

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

　　2.2 智能車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)車載端設(shè)計(jì)

　　車載端硬件在小車平臺(tái)上使用正點(diǎn)原子STM32MINI開發(fā)板、GPS模塊、GPS天線、JY-901模塊、一個(gè)NRF24L01+PA+LNA模塊、舵機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)駕駛儀車載端主要實(shí)現(xiàn)GPS定位、最短路線的計(jì)算、智能車磁航向計(jì)算、自動(dòng)駕駛、獲取運(yùn)動(dòng)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(chǎng)數(shù)據(jù)。使用STM32對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。當(dāng)無(wú)線通信模塊處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)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(wú)線通信模塊處于接收狀態(tài)時(shí)接收手持端發(fā)出的目的地位置、模式選擇信號(hào)、遙控控制信號(hào)等信息。

3 自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 手持端軟件設(shè)計(jì)

　　自動(dòng)駕駛系統(tǒng)手持端部分的軟件實(shí)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(duì)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(duì)車載端進(jìn)行遙控。在運(yùn)行中實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)狀態(tài)函數(shù)的切換，改變顯示屏的顯示狀態(tài)和無(wú)線通信模塊的通信狀態(tài)，軟件流程見圖3。

　　智能車自動(dòng)駕駛儀手持端共設(shè)計(jì)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(diǎn)在內(nèi)的周圍四個(gè)坐標(biāo)。漢字顯示為黃色字符，背景色為黑色。發(fā)生觸碰時(shí)在主函數(shù)中產(chǎn)生中斷，記錄下觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)。當(dāng)觸點(diǎn)位于提示字顯示范圍內(nèi)時(shí)，根據(jù)提示字改變顯示狀態(tài)。為增加用戶體驗(yàn)，在觸摸到提示字時(shí)提示字由黃色變?yōu)榧t色。當(dāng)發(fā)生觸碰時(shí)，顯示狀態(tài)函數(shù)重新運(yùn)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(jì)

　　自動(dòng)駕駛儀車載端的軟件部分實(shí)現(xiàn)的功能有：使用A*算法計(jì)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(dòng)駕駛到目的地的功能。并發(fā)送實(shí)時(shí)位置和狀態(tài)、規(guī)劃的路線等信息。接收手持端對(duì)智能車的遙控操作信號(hào)，車載端軟件主函數(shù)流程圖如圖5所示。

　　為了實(shí)現(xiàn)在手持端地圖上顯示位置的功能，需要對(duì)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(jì)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(jì)和軟件設(shè)計(jì)，最終完成了智能車自動(dòng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，智能車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)運(yùn)行效果良好。

　　參考文獻(xiàn)：

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