基于_C_OS_II的无人驾驶车辆分布式车体控制系统开发

1、Microcomputer Applications Vol. 26, No.9, 2010 开发应用 微型电脑应用 2010年第26卷第9期 ·31·文章编号：1007-757X(20109-0031-03基于C/OS-II的无人驾驶车辆分布式车体控制系统开发张宇腾，王冰，邬昌茂摘 要：设计了一款无人驾驶智能车的分布式底层控制系统，系统中的模块均以飞思卡尔S12DG128 16位单片机为核心，并在单片机中移植了C/OS-II实时操作系统，优化了模块的任务分配及调度，同时极大地增强了系统的可靠性和稳定性，也使系统硬件变得模块化，功能升级和拓展更为灵活。 关键词：分布式控制；

2、智能车；C/OS-II；s12单片机 中图分类号：TP311 文献标志码：A0 引言高度智能化的、安全可靠的无人驾驶智能车一直是人类追寻的的梦想。自1979年世界第一辆无人驾驶智能车诞生以来，世界各国的科研机构对智能车进行了广泛而深入的研究，其中不乏优秀而经典的成果，如卡内基梅隆大学、斯坦福大学，以及很多欧洲科研机构，都在智能车领域取得了极大的进步。随着科技的进步，智能车也已经逐渐出现在人类的日常生活中，如Frog 公司于1997年底在荷兰阿姆斯特丹国际机场，实现了世界上首套无人载客系统ParkShuttle系统。在2002年荷兰园艺博览会上， Yamaha公司使用了25辆无人驾驶的Cyber

3、Cab 接送游客，累计运送游客达30万人次。智能车辆能够安全可靠的工作，无疑需要稳定的上层软件，优化的导航算法以及可靠，稳定，实时性强的的底层控制系统。本文即着重探讨基于实时操作系统的底层控制系统。1 无人驾驶车辆的模块功能划分作为一种多功能的实验和应用平台，本文所述的智能车的底层控制系统设计，既要考虑满足现有的实验需求，又要方便后续的功能拓展升级和功能变更。因此，模块化的设计显得尤为重要。本设计中采用CAN 总线作为各模块的通讯总线，CAN 的应用层协议采用在欧洲较为主流的CANopen 协议。 由于CAN 采用非主从模式的广播发送方式，每个结点点只接收复合自身ID 的数据，因此可以在不改变

4、原有硬件电路及总线的情况下，方便地添加新的模块和更改现有模块。1.1 模块功能划分按功能划分，本设计中包含模块如图1所示： 1 前轮转向模块前轮转向模块通过对方向盘的控制，实现对前轮转角的控制，其基本框图如图2所示。图1 控制系统体系结构在一个控制周期内，模块从CAN 总线上接收从上位机发来的控制信号，根据CANopen 协议中的对象字典解析指令含义，同时通过累加与方向盘相连接的光电编码器的脉冲信号，得出此时方向盘的角度，进而计算出相应的电机控制输出，实现高精度的闭环控制。电机驱动器接收-10V+10V的模拟电压信号作为电机控制信号，控制信号的电压正、负对应电机的转动方向，电压大小对应电机转速

5、。同时本模块实时地向上位机传递当前实际转角，以供上层导航算法使用。Freescale S12 单片机DA 芯片光电隔离电机驱动器前轮光电编码器图2 前轮转角控制模块的体系结构因为本设计中采用的是增量式光电编码器，无法在启动时刻知晓方向盘的绝对角度，因此在上电时刻会有一个对中过程：方向盘向右转致右极限，触发限位开关，此时刻起累加光电编码器脉冲信号并判断转动方向即可判断方向盘位置。2 后轮速度的控制 作者简介：张宇腾（1984-），男，黑龙江齐齐哈尔人，上海交通大学自动化系，硕士研究生，主要研究方向为智能车导航及控制研究，上海200240；王冰（1970- ），男，上海交通大学自动化系，副教授，硕

6、士生导师. 主要研究方向为智能车控制及导航研究，上海 200240；邬昌茂（1983-），男，河南信阳人，上海交通大学机器人研究所，硕士研究生，研究方向为基于单片机的机电控制技术，上海 200240Microcomputer Applications Vol. 26, No.9, 2010 开发应用 微型电脑应用 2010年第26卷第9期 ·32·后轮速度控制模块与前轮转向模块类似，只是后轮电机驱动器的输入信号与前轮电机驱动器的信号有所不同，为0-5V 的模拟信号，同时有三路IO 信号控制电机的使能，向前及向后。本模块实时上传车速给上位机。3 云台控制模块本模块为主动视觉算

7、法设计，通过接收上位机信号控制传动机构的转动，实现对摄像机观测角度的改变。4 GPS模块GPS 模块用于为全局导航算法提供车辆的位置，用于路口转向决策，车辆定位等。5 激光雷达模块主要用于前方障碍物的检测，如果在车辆通行区域的安全距离内有行人或其他障碍物，激光雷达便可以检测出，这一信息被传递给上位机，车辆紧急停车，避免碰撞事故的发生。2 C/OS-II 简介C/OS-II (Micro Control Operation System Two是可以基于ROM 运行的、可裁减的、抢占式实时多任务内核，具有高度可移植性，特别适合于微处理器和控制器，是一种与很多商业操作系统性能相当的实时操作系统(R

8、TOS。C/OS-II已经移植到近40多种处理器体系上，涵盖了从8位到64位各种CPU 。C/OS-II可以被视作一个多任务调度器，在这个任务调度器之上，完善并添加了和多任务操作系统相关的系统服务，如信号量、邮箱等。其主要特点是源代码公开，代码结构清晰，可移植性好，可裁剪，可固化。从1992年开始，由于高度可靠性、鲁棒性和安全性，C/OS-II已经广泛使用在从照相机到航空电子产品的各种应用中。图3 C/OS-II硬件和软件体系结构3 C/OS-II在飞思卡尔s12 单片机中的移植。C/OS-II的正常运行需要处理器平台满足以下要求： a 处理器的C 编译器能产生可重入代码。 b 用C 语言就可

9、以打开和关闭中断。c 处理器支持中断，并且能产生定时中断(通常在10至100Hz 之间 。d处理器支持能够容纳一定量数据(可能是几千字节 的硬件堆栈。e处理器有将堆栈指针和其它CPU 寄存器读出和存储到堆栈或内存中的指令。本文选用的Freescale s12单片机符合上述所有条件，可以很好的移植C/OS-II操作系统。 3.1 主体移植过程C/OS-II的移植主要涉及与平台相关的数据类型定义和部分函数的编写以及堆栈增长方式的设定等。不同的编译器会使用不同的字节长度来表示同一数据类型，所以要定义一系列数据类型以确保移植的正确性。下面是C/OS-II-II定义的一部分数据类型。typedef un

10、signed char BOOLEAN； typedef unsigned char INT8U； typedef signed char INT16S； typedef unsigned int INT16U； typedef signed int INT16S； typedef unsigned long INT32U； typedef signed long INT32S； typedef float FP32； typedef double FP64；typedef unsigned int OS_STK； typedef unsigned int OS_CPU_SR；C/OS-II需

11、要先关中断再访问临界区的代码，在访问完成后重新允许中断。因此C/OS-II定义了两个宏来禁止和允许中断：OS_ENTER_CRITICAL( OS_EXIT_CRITICAL(。 同时在整个C/OS-II的移植实现中，需要提供几个必须由汇编才能实现的函数，如：aOSStartHighRdy(,负责控制堆栈指针sp ，通过sp 依次将CPU 现场恢复。bOSCtxSw(，该函数是任务级的上下文切换函数。 COSIntExit(该函数是中断级的任务切换函数。dOSTickISR(该函数是时钟中断处理函数，主要任务是负责处理时钟中断，调用系统实现的OSTimeTick(函数，4 模块内部的任务划分及

12、调度。在C/OS-II中, 每个任务都有一个优先级且各不相同，调度器根据任务的优先级来调度任务，即总是使处在就绪状态的优先级最高的任务得到执行。本设计中前轮模块和后轮模块中分别采用了5个任务，如表1、表2。表1 后轮模块中C/OS-II的任务定义 优先级内容 周期 1 测速、驱动电机的控制2 接收上位机指令信息3 看门狗定时器重置4 发送车速，里程数据5 发送CANopen 的心跳报文Microcomputer Applications Vol. 26, No.9, 2010 开发应用 微型电脑应用 2010年第26卷第9期·33·表2 前轮模块中C/OS-II的任务定义

13、优先级 内容 周期 1 测量转角、方向盘控制2 接收上位机指令信息3 看门狗定时器重置4 发送前轮转角数据5 发送CANopen 的心跳报文本设计中，每个任务都会自己挂起并等待一段时间（周期时间），以让出CPU 使用权。每个模块都从优先级最高的任务开始执行，待其挂起之后，执行下一个优先级的任务，如此往复，直到有优先级高的任务结束挂起并处在就绪态，此时高优先级的任务便可以打断低优先级的任务，开始执行。在宏观上看，5个任务都以各自的周期同步运行着，这样便实现了不同周期任务的协调和同步运行。5 结论本设计采用模块化设计，应用内含C/OS-II操作系统的16位单片机作为模块的控制核心。此方法保证了系统

14、的实时性，提高了系统的灵活性，使系统各硬件模块之间，软件任务之间的耦合性达到最小，增强了系统的稳定性同时，也使系统可以方便的升级及添加新的模块。参考文献1 王奇, 刘志刚, 彭权威, 符伟杰. 基于CANopen 的列车通信网络实现研究J.电气应用,2009,28(7:74-77.2 李澄, 赵辉. CANopen协议及在电动机控制系统中的应用J.微电机,2009,42(4:24-26.3 杨明, 陆建业, 王宏, 张钹. 基于视觉的道路跟踪J.模式识别与人工智能. 2001.14(2:186-193. 4 Jean J.Labrosse. 嵌入式实时操作系统C/OS-II (第2版.北京航空

15、航天大学出版社.(收稿日期：2010-05-11 （上接第30页）4 系统的特点直观性，采用图形化操作界面，适用于含有多层嵌套循环的复杂的化工过程拓扑结构的物耗和能耗的处理。解析性，深入到工艺过程的每一个环节，将影响成本变化因素都纳入图形之中。实时性，可以实时检测每个生产环节的成本和能耗的涨落，区别于以往只能算总账可以比以往更加及时、深切地感受到微操作上的调整所带来的物耗、能耗和成本的变化。参考性，工艺人员可以根据预算结果，更加迅速、有效地对这些数据提炼和分析，探索如何通过改变工艺运行的策略和修正工艺指标来降低消耗成本，并立竿见影地观察调整引起的消耗和成本的变化趋势4。也可以利用此先进的数据采

16、集及处理方式, 加强数据管理和数据平衡计算, 为生产和计划经营管理提供依据5。灵活性和可扩展性，自适应随时变化的工艺流程，根据最新的要求进行灵活的配置，采用的图形建模方式极大简化了企业工艺流程变化所带来的数学模型修改过程，方便了业务种类扩展。易维护性，采用多层逻辑结构，各个层次相对独立，对某层修改不会影响系统其余部分。每当有了新的功能需求，需要将后台运行处理逻辑和前端显示进行修改时，系统分层设计思想能够使得修改代价最小化。5 总结流程工业是指在国民经济中，占有重要经济地位的石化、炼油、化工、冶金、制药、建材、轻工、造纸、采矿、环保、电力等工业行业。这些行业普遍存在能耗大、自动化水平低、信息集成

17、度低、综合竞争力弱等现状6。然而随着信息技术飞速发展，全球经济市场一体化趋势不可逆转。流程工业企业想要在如此竞争激烈的环境下生存与发展，必须进行信息化改革，提高对车间生产底层的实时控制的功能，对成本进行及时核算。对于流程工业工厂来说，本软件可以对所有的物耗和能耗进行实时的计算和跟踪，不时调整生产计划，实现调度优化。用户还可以方便而及时地进行班与班、日与日、实际物耗与目标物耗、实际成本与目标成本的比较，分析差异的成因，寻找产生差异的环节，把握不断出现的、稍纵即逝的机会利润，这对企业控制生产成本、节能降耗的意义重大。本软件已开始在某化工厂投入运行，并为工厂的成本控制提供了一个不可或缺的工具。参考文

18、献1 刘威, 初延刚, 柴天佑. 基于MES 的动态成本控制系统设计及其应用J.东北大学学报(自然科学版, 2003,08: 719-722.2 Denis R. Industrial dynamics modeling of supply chainJ.Logistics Information Management,1996,9(4: 43-56.3 Abudayyeh O, Temel B. An intranet-based cost controlsystemJ. Advances in Engineering Software, 2001,32(2: 87-94.4 Li X N,

19、 Chai T Y, Yu Z X. Dynamic cost control methodin production process and its applicationJ. Barcelona, Spain:Elsevier Science Ltd, 2002: 238-243.5 于建国. 数据管理企业效益的关键J.科协论坛,2007,10 (下: 152.6 祝雪妹, 王树青, 岳东,LI Pu, WOZNY GuenterJ.华东理工大学学报(自然科学版2006-07,32(7: 852-855.(收稿日期：2009-12-22Microcomputer Applications

20、Vol. 26, No. 9, 2010 ABSTRACTS & KEY WORDS 微型电脑应用 2010年第26卷第9期IIIdetailed descriptions about the developing concept and technology implementation of the system.Key words: J2EE Technology; Engineering Geological Investigation; Information Management System DesignDesign of Intelligence Combined Me

21、ter in Automobile Based on Embedded Program （20） Yang Xingshan, Wang Ji, Liu Yin (School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, ChinaAbstract: A method of designing of intelligence combined meter in automobile is introduced, its developing process is discussed, and

22、 the system software and hardware is analyzed. The meter is based on uPD78F0433, an 8-bit microprocessor from NEC Company. In the method, the mileage is displayed on LCD, the rotation speed, vehicle speed, water temperature and fuel level are displayed on needle meters. The meters can protect import

23、ant data when power off, alarm for over speed and low fuel.Key words: Combined Meter; UPD48F0433; Hardware Frame; SoftwareDesign and Research on Self-service System for Ticket Selling（23） Wu Xiumin, An Desheng, Chen Shibin, Fang Wei (College of Computer Science and Technology, Huazhong University of

24、 Science and Technology, Wuhan430034, ChinaAbstract: This paper mainly researches into the hardware construct and the software design of the self-service system for student train ticket selling. With the uses of the student information database(s and the ticket database(s of Ministry of Railways, su

25、ch a system can implement excellent management without need of people. It not only helps the out-of-towner students to buy train tickets, but also reduces the workload of the ticket sellers dramatically. In summit is a system of great practical value. By adding other information databases, this syst

26、em can be easily extended to support other kinds of people to buy tickets with their certificate number freely.Key words: Self-service for Ticket Selling; Database Design; State Machine; Communication ProtocolApproach for Solving Nonlinear Equations Based on Adaptive Simulated Annealing Genetic Algo

27、rithm（25） Hu Fei,Zhao Zhiguo(College of Automotive Engineering, Tongji University, Shanghai 201804,ChinaAbstract:The problem on solving9 nonlinear equations is converted into that of function optimization. Considering the defect of the traditional genetic algorithm (GA which is prone to be premature

28、 convergence, it is improved by the following two ways: firstly, the adaptive crossover fraction is adopted to create crossover children and mutation children; secondly, the ideology of the simulated annealing algorithm (SA is integrated. Then the Adaptive Simulated Annealing Genetic Algorithm (ASAG

29、A is proposed. Numerical experiments show that the global searching ability is enhanced and the ASAGA is a reliable approach in solving nonlinear equations.Key words: Genetic Algorithm; Annealing Algorithm; Adaptive; Nonlinear Equations（28） Jiang Limin, Zhao Xia (School of Electronic, Information an

30、d Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, ChinaAbstract: In process industries, traditional energy consumption control only allowed to be settled by a certain period of time (usually by month, which is not able to get real time information of product cost. In this pape

31、r, based on input-output theory, an energy control accounting system with graphical interface is developed, which analyzes real-time energy consumption and implements the online dynamic cost control. The system has been put into use and obtained much benefit.Key words: Manufacturing Execution System

32、 (MES; Process Industries; Energy Consumption; Input-output Theory; Graphical InterfaceA C/OS-II Based Distributed Control System for Intelligent Vehicles（31）Zhang Yuteng1,Wang Bing1,Wu Changmao2(1.Automation Department,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China;2.Research Institute of Robot

33、ics, Shanghai Jiaotong University,Shanghai200240,ChinaAbstract: A distributed vehicle bodywork control system which take free scale S12DG128 16 bit Singlechip as the central controller is designed. C/OS-II real time operation system is also used, and the task allocation and scheduling is optimized.

34、The stability and reliability of the system is enhanced. The modularization of the system also make the intelligent vehicle more flexible and the system upgrade would be easier. Key words: Distributed Control; Intelligent Vehicles; C/OS-II; S12 SinglechipApplication of Real-time Data Pre-processing

35、Technology in Data Mining（34） Chen Xin, Zhao Xia (Department of Automation, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, ChinaAbstract: Process Industry Data mining results based on the accurate measurement of the required parameters, this paper presents a SVM-based hybrid algorithm of real-time d

36、ata pre-processing. Through this algorithm, the accuracy of data is greatly improved which will access to data mining system. Design thinking and implementation details of this algorithm are also presented here, and the real-time data pre-processing system based on this algorithm is successfully app

37、lied to a large-scale chemical industry with satisfactory results. Key words: Process Industry; SVM; Real-time Data Pre-processingRelationship and Integration Analysis of Collaborative Software and ERP（36） Du Dong,Guo Dongmei(Department of Information Management, Hohai University, Changzhou213022,Ch

38、inaAbstract: The collaborative software is communication and cooperation software that can realize team work, ERP is the system that can achieve optimal distribution about enterprise resources with the continuous development of enterprise informationization, separate implementation of collaborative

39、software or ERP system has been unable to meet the needs of enterprise, integration is an inevitable trend. This paper analysis the relationship between collaborative software and ERP, points out that the integration of collaborative software and ERP is needed. At the same time, the paper researches on h