基于MSP430的无人驾驶导航车

无人驾驶导航车1绪论11无人驾驶技术概述无人驾驶汽车是一种智能汽车，也可以称之为轮式移动机器人，主要依靠车内以计算机系统为主的智能驾驶仪来实现无人驾驶。它一般是利用车载传感器来感知车辆周围环境，并根据感知所获得的道路、车辆位置和障碍物信息，控制车辆的转向和速度，从而使车辆能够安全、可靠地在道路上行驶。无人驾驶汽车从根本上改变了传统的“人一车一路“闭环控制方式，将不可控的驾驶员从该闭环系统中请出去，从而大大提高了交通系统的效率和安全性。现代无人驾驶汽车以汽车工业为基础，以高科技为依托，遵循由低到高、由少到多、由单方面到多方面、螺旋上升的规律发展。其横向发展离不开各种用途的实际需要，而其纵向发展的生命力在于持续不断的技术创新。12无人驾驶技术的发展发达国家从20世纪70年代开始进行无人驾驶汽车研究，目前在可行性和实用性方面，美国和德国走在前列。美国是世界上研究无人驾驶车辆最早、水平最高的国家之一。早在20世纪80年代，美国就提出自主地面车辆ALV计划，这是一辆8轮车，能在校园的环境中自主驾驶，但车速不高。1995年，一辆由美国卡耐基梅隆大学研制的无人驾驶汽车NAVLABV，完成了横穿美国东西部的无人驾驶试验。在全长5000KM的美国州际高速公路上，整个实验96以上的路程是车辆自主驾驶的，车速达5060KM/H。丰田汽车公司在2000年开发出无人驾驶公共汽车。这套公共汽车自动驾驶系统主要由道路诱导、车队行驶、追尾防止和运行管理等方面组成。安装在车辆底盘前部的磁气传感器将根据埋设在道路中间的永久性磁石进行导向，控制车辆行驶方向。无人驾驶汽车是未来汽车发展的方向，人类在不久的将来会用上智能型无人驾驶汽车。13设计任务设计并制作一辆与上述功能基本一致的无人驾驶导航车模型，能够自动寻迹，按照预定的任务识别不同的路径并到达指定的目的地并停车，在此过程中能避障，识别红绿灯，开启转向灯等。该无人驾驶导航车该有如下基本功能基本要求1）小车能够根据乘客的设定目的地，自动行驶到指定目标地点并停车。2）小车能够自动识别公路轨迹（黑白道）并沿着轨道精确前进。3）小车能够在行驶时识别障碍物，并且避开障碍物后重新回到轨道。发挥部分1）具有红绿灯识别功能，小车在检测到红灯后自动停下，绿灯亮后小车再次启动。2）小车转弯时自动开启相应转向灯。3）具有交叉道识别功能，可以辨别并多条交叉道并选择其中一条行驶。2方案选择及可行性分析21中央处理器的选型可行性方案方案一采用89C51单片机控制，处理速度低，内部资源较少，成本低廉。方案二采用MSP430单片机控制，处理速度较高，内部资源多，成本相对低廉。方案三采用DIP进行控制，处理速度较高，内部资源多，理论知识及实践应用起来相对复杂，成本高昂。决策方案采用MSP430单片机作为控制器，本设计本着降低成本的原则设计。22路况的检测及视频图像的采集可行性方案1）采用普通黑白摄像头。2）采用输出标准TV视频信号的彩色CCD摄像头，可以直接配合使用无线视频发送器，且这种摄像头价格低廉。3）采用近距离无线摄像头，可以用无线视频接收机接收视频。缺点是发射功率小，无法实现稍远距离的无线传输。决策方案采用方案一。通过普通黑白摄像头采集视频信号，获得图像数据。然后用合适的算法，分析图像数据，提取目标指引线。然后，系统根据目标指引线的位置信息，对舵机施以合适的控制。本智能车辆定位系统的结构图如图所示。图21视频信号处理的设计结构23红绿灯检测可行性方案1）采用摄像头直接检测路灯颜色的状况，处理器根据路灯的颜色做出停车/开车选择，外围电路极其简单，但涉及到图像处理相关的专业知识较多，程序过于复杂。2）采用红外对管ST188和一体化红外接收管。当红灯亮的同时红绿灯上的ST188发射红外信号，绿灯亮时不发射红外信号。与小车处理器相连的一体化红外接收管用于接收红绿灯发出的红外信号。处理器根据是否接受到红外信号做出停车/开车选择。决策方案采用方案2，使用用ST188和一体化红外接收管，成本低廉，可靠性高。24避障可行性方案1）采用红外信号反射管，反映灵敏，可靠性高，缺点是探测距离较近，一般在5CM以内。摄像头视频采样辅助电路MSP430处理器电机驱动电路舵机驱动电机2）采用反射型红外光电开关，探测距离可调，一般可以检测40CM以内的障碍物。其缺点是价格偏高，不利于市场推广。3）采用超声波传感器，超声波发出后，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收，然后将信号放大后送入单片机。但是超声波传感器需要40KHZ的方波信号来工作，因为超声波传感器对工作频率要求较高，偏差在1内，所以用模拟电路来做方波发生器比较难以实现。4）采用黑白摄像头检测，通过扫描到前方黑线（低电平）的时间判断前方是否有障碍物。决策方案采用方案4，外围硬件电路简单，遇到障碍物，可以根据检测到黑线的长度（时间）来判断障碍物的长度和宽度，根据经验公式计算出舵机偏转的角度和时间。这样一来，小车就可以顺利避开障碍物并回到原来的路径。由于寻迹模块和交叉道检测等模块也需要用到摄像头，这充分利用了资源25动力及转向系统无人驾驶导航车需要前进、转向以及停车的动作。驱动电机的可选方案1）使用带有减速器的直流电动机，采用控制器调速，成本低廉，控制程序简单。2）使用步进电机，能够精确控制位移量，可实现无人驾驶导航车精确定位行驶，但成本较高。3）采用伺服电动机，转速稳定可靠且调速方便但成本偏高。4）采用舵机控制，可以精确控制角度。决策方案从可行性分析，无人驾驶导航车没有必要非常精确定位行驶。从经济角度考虑，直流电机的成本较低，因此驱动电机采用带有减速器的直流电动机。前轮转向电机采用大扭力舵机控制，动作精度高，而且便于控制。26车载显示模块无人驾驶导航车车装载显示模块需要能显示丰富的数据内容，方便模式显示及参数的设定。可行性方案1）采用数码管显示，只能显示数字和个别字母，显示位数可以任意扩展。但用得越多，体积越大，成本越高，CPU负担越重。2）采用液晶显示器LCD1602显示，字符点阵2X16，可显示多种字符，成本较低。3）采用液晶显示器12864显示，点阵128X64，可显示任意汉字和字符，还可以显示图片。决策方案根据系统实际情况选用液晶显示器LCD1602显示，CPU的I/O占用较少，驱动方便灵活，且成本较低。27电源系统电机驱动系统要求大功率的电源供应，因此电源系统应具有低内阻、大电流输出的性能。电机驱动器在工作时会产生大量的电脉冲和干扰信号，会使电源的产生纹波，而处理器和一些传感器电源质量要求较高。因此，为保证无人驾驶导航车的可靠运行，采用动力系统与控制系统单独供电的方法，采用一块72V大容量镍镉充电电池提供电能。一块电池直接为动力及转向系统摄像头供电。同时通过5V稳压电路给单片机、传感器、显示器供电。电源系统的设计结构如图22。72V充电电池5V稳压器MSP430单片机传感器系统驱动电机舵机图22电源系统的设计结构数据采集系统3方案的实现31中央处理单元该系统的中央处理单元应该具备以下要求1）具备成熟的多路脉宽调制输出，可以直接利用相关硬件电路产生驱动电机所需的控制信号。2）具有多路的D/A、A/D转换能力，可以方便地对采集传感器输出的模拟信号，进行实时地量化处理。3）具备丰富的I/O扩展接口，以满足复杂控制电路的需求。MSP430单片机的特点TI公司的MSP430系列单片机是一个16位的单片机，具有丰富的寻址方式、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；有较高的处理速度，在8MHZ晶体驱动下指令周期为125NS。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套。超低功耗MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1836V电压。因而可使其在1MHZ的时钟条件下运行时，芯片的电流会在200400UA左右，时钟关断模式的最低功耗只有01UA。其次，独特的时钟系统设计。在MSP430系列中有两个不同的系统时钟系统基本时钟系统和锁频环（FLL和FLL）时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。有的使用一个晶体振荡器（32768HZ）,有的使用两个晶体振荡器）。由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0LPM4）。在等待方式下，耗电为07UA，在节电方式下，最低可达01UA。系统工作稳定。上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE20NOV2008SHEETOFFILECPROGRAMFILESPROTEL99SE业业业EXAMPLESPREVIO13DDBDRAWNBYDVSS63XT2OUT52AVSS62VREF/VEREF11XT2IN53XIN8XOUT9TDI/TCLK55TCK57TMS56TDO/TDI54RST/NMI58MSP430F247P47/TB743P46/TB642P43/TB339P45/TB541P44/TB440P42/TB338P41/TB137P40/TB036P10/TACLK/CAOUT12P11/TA013P14/SMCLK16P12/TA114P13/TA215P15/TA017P16/TA118P17/TA219P20/ACLK/CA220P27/TA0/CA727P21/TAINCLK/CA321P26/ADC12CLK/CA626P24/CA1/TA224P25/ROSC/CA525P22/CAOUT/TA0/CA422P23/CA0/TA123P30/UCB0STE/UCA0CLK28P37/UCA1RXD/UCA1SOMI35P31/UCB0SIMO/UCB0SDA29P36/UCA1TXD/UCA1SIMO34P34/UCA0TXD/UCA0SIMO32P35/UCA0RXD/UCA0SOMI33P32/UCB0SOMI/UCB0SCL30P33/UCB0CLK/UCA0STE31CMSP430图31MSP430单片机引脚图32视频图像的采集与处理视频采集模块由摄像头LM1881视频信号分离芯片以及393比较器构成。摄像头分黑白和彩色两种，根据赛道特点可知，为达到寻线目的，只需提取画面的灰度信息，而不必提取其色彩信息，所以本设计中采用的是黑白摄像头。摄像头的工作原理是按一定的分辨率，以隔行扫描的方式采集图像上的点，当扫描到某点时，就通过图像传感芯片将该点处图像的灰度转换成与灰度一一对应的电压值，然后将此电压值通过视频信号端输出。图32摄像头视频信号33避障避障主要利用了摄像头JK309B。当出现障碍物时，摄像头的行信号变为低电平（通过调节393比较器的参考电压，可以达到理想效果）。当行信号检测到低电平时间超过一定值（可自行设定，如7US）时，则认为出现障碍物（场信号扫描黑色跑道的时间一般为35US）并记录扫描到黑线的时间。然后根据黑线的时间来调节舵机转角，达到绕开障碍物的目的。34红绿灯的检测红绿灯上通过单片机89S52来控制红外发射管发射红外信号。车上的红外接收管用来接收红外信号。当红灯亮起时，单片机控制红外发射管发射红外信号，绿灯时停止发射（为了使接收管能够检测到更远的距离，红外发射管发射调制波，这样检测距离能大约为12CM）。当接收管接收到红外波时，其IR脚产生低电平，此时停车。（注但必须将红外发射管的发射距离控制在要求的范围内，使其能够作用在停车需要停车范围内的小车，但又不影响其它位置正在行驶的小车。）当红灯熄灭时，红外信号发射停止，小车再次启动。本次设计所采用的红外发射管采用ST188为发射管。红绿灯时间显示则是89S52控制译码器74LS248来驱动两片七段数码管来实现的。35目的地的选择与识别目的地的选择是通过车体上按键选择液晶屏上的参数从而到达指定的地点来实现的。当小车行驶到交叉道处时，会根据之前的设定来选择相应路径。目的地的识别是通过在小车的侧面安装霍尔传感器来检测目的地放置的磁钢来实现的。图34霍耳传感器36动力驱动设计根据电机学和电力拖动理论，电机驱动器要有足够的电流输出能力来保证驱动力的充足。而电机驱动器本身要能可靠工作还需要有一定的热载荷能力、具有过流、过压、过热和短路保护等，而且驱动器在工作的时候还应保证效率自身不会将大量电流消耗成为热量。直流电机驱动器采用PWM直流调速技术，即脉宽调制控制技术，是最常用的直流电机调速技术,它具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和耗损低等特点。本设计采用PWM信号控制的场效应管开关电路，实现驱动电机的控制。37转向前轮的驱动设计转向前轮运动是用舵机来驱动的。舵机是标准PWM信号来驱动的，一般PWM控制信号的周期为20MS,其调制波如图38所示。当给舵机输入脉宽为05MS，即占空比为05/2025的调制波时，舵机右转90度；当给舵机输入脉宽为15MS，即占空比为15/2075的调制波时，舵机静止不动；当给舵机输入脉宽为25MS，即占空比为25/20125的调制波时，舵机左转90度。表33PWM脉宽与舵机转角的对照关系无人驾驶导航车的方向就是靠调节舵机的转角来实现的，在软件上是通过算法对PWM波占空比进行实时设置，对应舵机转角发生变化，从而使无人驾驶导航车完成各种不同的转向。38显示模块由于电路板上应该具备一个显示屏来显示系统状态，综合开发的方便性和体积功耗等因素，在此次设计中使用了一枚字符型液晶显示屏。字符点阵系列模块是一类专门用于显示字母、数字、符号等的点阵型液晶显示模块。它使用户与处理器能够友好的交流，使得用户可以方便的选择目的地并且观察汽车的各种参数。4系统的电路设计41中央处理器最小系统电路最小系统板的供电是靠外部5V电源，通过供封装上的针脚提供的。MSP430单片机片内使用25V电压，片外I/O使用5V电压，较低的片内电压使CPU运算速度快、功耗低；较高的IO电平有利于抗外界干扰，故MSP430单片机特别适合于那些工作环境恶劣的控制系统。由于MSP430单片机内部集成了电压调整器模块，电压调整器模块产生单片机内部需要的其他电压，因此只要向MSP430单片机提供5V外部电源就可以了。时钟电路主要由石英晶体振荡器和一些电容、电阻组成，虽然简单的单片机可以由集成到单片机内部的RC振荡电路产生单片机工作所需要的时钟，但这种简单的时钟电路频率的稳定性得不到很好的保证，不如使用外部晶振来得稳定，为了简化系统设计，增加稳定性，本设计采用的了一枚微型的贴片有源晶体振荡器。单片机最小系统板的电路如图41所示123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE20NOV2008SHEETOFFILECPROGRAMFILESPROTEL99SE业业业EXAMPLESPREVIO13DDBDRAWNBYOSC216MC815PC715PDVSS63XT2OUT52AVSS62VREF/VEREF11XT2IN53XIN8XOUT9TDI/TCLK55TCK57TMS56TDO/TDI54RST/NMI58MSP430F247P47/TB743P46/TB642P43/TB339P45/TB541P44/TB440P42/TB338P41/TB137P40/TB036P10/TACLK/CAOUT12P11/TA013P14/SMCLK16P12/TA114P13/TA215P15/TA017P16/TA118P17/TA219P20/ACLK/CA220P27/TA0/CA727P21/TAINCLK/CA321P26/ADC12CLK/CA626P24/CA1/TA224P25/ROSC/CA525P22/CAOUT/TA0/CA422P23/CA0/TA123P30/UCB0STE/UCA0CLK28P37/UCA1RXD/UCA1SOMI35P31/UCB0SIMO/UCB0SDA29P36/UCA1TXD/UCA1SIMO34P34/UCA0TXD/UCA0SIMO32P35/UCA0RXD/UCA0SOMI33P32/UCB0SOMI/UCB0SCL30P33/UCB0CLK/UCA0STE31CMSP430R31K33V图41单片机最小系统电路42动力驱动直流电机控制电路123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE9JUN2008SHEETOFFILEE业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业业DDBDRAWNBY1122334455JP1002RELAY11122334455JP1003RELAY2A1K2R101014007A1K2R10121400712AMG1000MOTORA1K2R101114007VCC7VD1G2S3Q1005IRF640PWM6VCC6VC102901UF1122R10054K7PS5C1B2E3Q100080501122R10074K7PS4C1B2E3Q100180501122334455JP1004RELAY11122334455JP1005RELAY2A1K2R101314007A1K2R10141400712AMG1001MOTORA1K2R101514007VCC7VD1G2S3Q1006IRF640PWM7VCC6VC103001UF1122R10084K7PS7C1B2E3Q100380501122R10094K7PS6C1B2E3Q10048050123JCESU2VCCPTM_PTM0123JCESU1VCCPTM_PTM0图42动力驱动直流电机控制电路本设计驱动电路（见图42）采用PWM控制的场效应管开关电路。这种电路由于工作在管子的饱和截止状态下，效率非常的高。开关速度快，稳定性强。精确调整电动机转速。直流电机用一个继电器控制电机的转动与停止，实现无人驾驶导航车前进，和后退，转弯，刹车等动作。43摄像头信号采集电路123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE20NOV2008SHEETOFFILECPROGRAMFILESPROTEL99SE业业业EXAMPLESPREVIO13DDBDRAWNBY10K10KVCCVCC12348765LM393RLM39312345678LM1881DLM1881CCDDCCD01UF01UF75680K510PF5P20P22VCC12V图43图像采集电路5程序设计及功能实现51无人驾驶导航车主程序控制流程图开始等待设置参数，待命状态初始化子程序视频信号采集子程序舵机处理子程序红绿灯检测子程序障碍物检测子程序障碍物处理子程序交叉道选择子程序目的地检测子程序图51无人驾驶导航车主程序控制流程图52车载显示器的驱动程序显示驱动程序流程图（如图51和52）LCD初始化开始发送字符的ASC码到数据总线R/W置0，RS置1，E置1E置0（下降沿）结束束52LCD显示（写操作）流程图53LCD读操作程序流程图LCD初始化开始R/W置1，RS置1，E置1E置0（下降沿）结束束束读数据总线（DB0DB7）53黑线停车检测程序控制NY开始停车检测到红外线检测到红外线检测到黑色短线重新启动检测到红外线检测到红外线炮塔瞄准发射报警模块图54红绿灯检测程序流程图当红灯亮起的同时，控制红外发射管ST188连续发射出一系列特定波形的红外信号，但必须将红外发射管的发射距离控制在要求的范围内，使其能够作用在停车范围内的小车，但有不影响其它位置正在行驶的小车。当红灯熄灭时，红外信号发射停止，小车再次启动。54避障程序避障程序控制流程图（如图58）NY开始控制舵机转向TBLACK8结束图58避障程序控制流程图当摄像头检测到障碍物时（TBLACK8US，行信号时间超过8US）,则调用障碍物处理程序,根据TBLACK的值控制舵机的转角，从而达到绕开障碍物并回到轨道上的目的。55交叉道识别程序N开始一行内黑线次数测到的黑线次数内213小区学校超市当出现交叉道时，摄像头在每一行检测到黑线的次数会大于1。这时小车会根据之前在液晶屏上选择相应的路径行驶。56目的地检测程序NY开始停车H_R检测到低电平结束当小车经过目的地时（目的地放置有磁钢），H_R引脚出现低电平，小车停止；否则继续检测。6功能测试与性能调试61功能测试1）导航小车能够根据乘客的设定到指定目标地点。2）寻迹无人驾驶导航车能够沿着预定路径（黑白道）正常行驶。3）避障无人驾驶导航车能够准确识别障碍物并回复到原来行驶状态。4）识别红绿灯无人驾驶导航车在遇到红灯时自动停车，绿灯亮起时可以再次启动。5）转向灯无人驾驶导航车在转弯时相应的转向灯亮起。62性能调试通过对软件算法的优化以及参数的调整，无人驾驶导航车运动更加灵活可靠，基本上实现了小车的自动驾驶功能，消除了无人驾驶导航车的失控等现象。7结论无人驾驶汽车是未来汽车发展的方向。本设计彻底改变了传统汽车的工作模式，完全实现了无人驾驶，大大提高了汽车的灵活性和实用性及安全性。还采用先进的图像识别技术以及滤波等优化算法，能有效地去除公路上的干扰（点）达到精确驾驶的目的。开启小车的自动驾驶功能后，小车可以按照乘客在显示屏上的不同设定选择不同的路径到达指定的地点，途中遇到障碍物时能够自动识别并绕过障碍物，重新回到道路上来；当小车遇到红绿灯时能自动检测。如果公路上的光线较暗，小车采用的低照度、红外补偿的摄像头仍然可以适应。此外小车还具有适应性强，即投即用，简单、方便、经济、可靠等多个特点，具有很好的市场推广价值和应用价值。8参考文献1沈建华,杨艳琴MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践北京航空航天大学出版社20082王庆有CCD应用技术天津大学出版社20003高峰单片微型计算机原理与接口技术北京科学出版社，20034李建忠单片机原理及应用陕西西安电子科技大学出版社，20029附录附录1系统总图123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE20NOV20