無人駕駛車輛終端控制的研究

無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實(shí)現(xiàn)無人駕駛。無人駕駛汽車集自動(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人駕駛汽車。

　　2005年，首輛城市無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)控中心和無人駕駛車輛終端構(gòu)成，如圖1所示，而無人駕駛車輛終端又包含GPS，GIS，GPRS等部分：

　　（1）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?，是以封包（Packet）式來傳輸，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)。

　?。?）射頻識(shí)別讀卡器。射頻識(shí)別技術(shù)又稱電子標(biāo)簽、無線射頻識(shí)別，是一種通信技術(shù)，可通過無線電訊號(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。