智能无人驾驶汽车计算机控制系统

智能无人驾驶讫车计算机控制余统

一、智能无人驾驶汽车计算机控制系统简介

1、智能无人驾驶简介

智能无人驾驶汽车是一种集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合

系统，对车辆口勺操作实质上可视为对一种多输入、多输出、输入输出关系复杂多变、不确定

多干扰源的复杂非线性系统的控制过程。驾驶员既要接受环境如通路、拥挤、方向、行人等

的信息，还要感受汽车如车速、侧性偏移、横摆角速度等日勺信息，然后通过判断分析和决策,

并与自己口勺驾驶经验相比较，确定出应当做的操纵动作，最终由身体、手、脚等来完毕操纵

车辆的动作。因此在整个驾驶过程中，驾驶员的人为原因占了很大的比重。一旦出现驾驶员

长时间驾车、疲劳驾车、判断失误口勺状况，很轻易导致交通事故。

二、系统的控制规定

（1）系统中心控制部件（单片机）可靠性高，抗干扰能力强，工作频率最高可到达25MHz,

能保障系统的实时性。

（2）系统在软硬件方面均应采用抗干扰技术，包括光电隔离技术、电磁兼容性分析、

数字滤波技术等。

（3）系统具有电源实时监控、欠压状态自动断电功能。

（4）系统具有故障自诊断功能。

（5）系统具有良好的人性化显示模块，可以将系统目前状态的重要参数（如智能车速

度、电源电压）显示在LCD上。

（6）系统中汽车驱动力为500N时，汽车将在5秒内到达lOm/sH勺最大速度。

一、系统总体方案设计

1、系统总体构造

整个系统重要由车模、模型车控制系统及辅助开发系统构成。

智能车系统口勺功能模块重要包括：控制关键模块、电源管理模块、途径识别模块、后轮

电机驱动模块、转向舵机控制模块、速度检测模块、电池监控模块、小车故障诊断模块、LCD

数据显示模块及调试辅助模块。每个模块都包括硬件和软件两部分。硬件为系统工作提供硬

件实体，软件为系统提供多种算法。

2、控制机构与执行机构

智能车重要通过自制小车来模拟执行机构，自制小车长为34.6cm,宽为24.5cm,重为

1.2kg,采样周期为3ms,检测精度为4mm。

控制机构中，主控制关键采用freescalel6位单片机MC9s12DG128B。系统在CodeWairior

软件平台基础上设计完毕，采用C语言和汇编语言混合编程，提供强大的辅助模块，包括电

池检测模块、小车故障诊断模块、LCD数据显示模块以及调试辅助模块。在途径识别模块，

系统运用了freescaleS12系列单片机提供的模糊推理机。

3、控制规律

由于系统电机控制模块控制小车的运动状态，其在K一样阶段特性参数变化很大，故采

用数字PID控制器，该控制器技术成熟，构造简朴，参数轻易调整，不一定需要系统确实切

数字模型。

4、系统各模块的重要功能

控制关键模块：使用freescalel6位单片机MC9s12DG128B,重要功能是完毕采集信号

的处理和控制信号的输出，

电源管理模块：对电池进行电压调整，为各模块正常工作提供可靠的电压。

途径识别模块：完毕跑道信息口勺采集、预处理以及数据识别。

后轮电机驱动模块：为电机提供可靠的驱动电路和控制算法。

转向舵机控制模块：为舵机提供可靠的控制电路和控制算法。

速度检测模块：为电机控制提供精确的速度反馈。

电池监控模块：对电池电量进行实时监控，以便科学的运用，保护电池。

小车故障诊断模块：对小车故障进行迅速、精确日勺诊断。

LCD数据显示模块：显示系统目前状态口勺重要参数。

调试辅助模块：使得小车调试愈加以便。

5、系统的开发平台

系统软件开发平台采用CodeWarriorforS12

二、系统硬件和软件设计

1、系统的硬件设计

系统硬件系统框图如下：

如下按各模块来分别设计本硬件电路:

(1)电源管理模块:

电源管理模块的I功能对电池进行电压调整，为各个模块正常工作提供可靠的工作电压。

电源管理模块采用7.2V、2023mAh银镉电池以及LM2576(5V),LM317(6V)稳压芯片构成。

(2)微处理器：采用微处理器MC9s12DG128

(3)途径识别模块：

红外发射管和红外接受管以及达林顿管ULN2803A作为途径识别口勺传感器。采用双排传

感器的方略，第一排传感器专门用于识别途径以及记忆途径的多种特性点，第二排传感器专

门用于识别起始位置与十字交叉路口，由于不一样传感器的功能不一样样，因此它们的布置

与安装位置也是不一样。

(4)后轮驱动和速度检测模块：

驱动直流电机H勺型号为RS—380SH,输出功率为0.9W—40W。电机驱动部分采用了两块

MC33886构成的全桥式驱动电路，可以控制电机的反转以到达制动的目的。

(5)转向舵机模块：

但凡需要操作性动作时都可以用舵机来实现。本设计采用的舵机型号为HS-925

(SANWA),尺寸为39.4*37.8*27.8,重量56kg,工作速度0.1lsec/60(4.8V),0.07sec/60

(6.0V),堵转力矩6.1kg。

(6)电源电压检测模块

智能车采用银镉电池供电，本模块用到的重要器件为光电耦合芯片TLP521-2以及运

算放大器LM324。

(7)液晶显示模块:LCD控制器HD44780o

(8)辅助调试模块(纥外遥控)：

本模块重要用红外接受器HS0038A和红外遥控器来进行遥控控制。

(9)故障诊断模块：

运用单片机内JSCIO“，通过RS-232接口与上位机连接起来，通过软件编程，小车不

停时向上位机发送代码，通过故障代码就可以立即诊断出故障源。

2、系统的软件设计

(1)后轮驱动电机控制算法

采用数字控制器的持续化设计技术PID控制算法来控制本部分电路。

PID控制器的传递函数为：

U(s)1K.+K,s+K,

。⑸=£=S(1+L9)=K—+KDS=」——乙~~-

E(s)Ttsss

设定Kp=1500进行测试，此时仿真静态值与静态误差以及上升时间已基本满足系统需

求，从而完全可以通过继续增长比例系数来调整系统特性，进而理论上可以省去积分环节。

不过伴随比例系数的增长动态过程将让人不满意，其动态变化将过快，从而给驾驶人员带来

身体上口勺不适，增长积分环节：

积分环节口勺加入可以调整系统的静态误差。设定Kp=1000,Ki=50系统基本实现设计规

定

因此综上所述，我们设计H勺PID控制器的I传递函数为：

~、U(s)1000s+50

D(s)=------=--------------

EG)s,采样周期为T=0.Is。

然后，运用数字控制器的离散化设计环节来设计本系统。通过前面的分析，懂得被控对

r(5)_1

象的持续传递函数为：U(s)ms+b。其中，m=1000,b=50。由于零阶保持器的传递函数

1-Ts

IP

H(5)=——

为：SO因此得到广义对象的脉冲传递函数为:

\-eTs1,1

G(z)=Z[---------*----------------]=(1-z-')Z[

s10005+50s(1000s+50)

=(i-z_|)zi—*——j=—*(i-z-i)*20*z[-——!—

..s得

20]1

1(\-e)z~1:1:0.0488Z-

-501-0.9512Z-1

1()

R(z)=

1

对单位脉冲输入信号的十倍，1-Z-,选择蚁z)=z-'

在十倍日勺单位阶跃信号，采样周期为1s时，只需•拍输出就能跟踪输入，误差为零,

非常好的到达了系统的设计规定。

(2)途径识别模块U勺软件设计

途径识别重要运用MC9S12DG128B内部的模糊推理机运用模糊逻辑的基本知识来实现。

(3)数字滤波技术

在电动机数字闭环控制系统中，测量值是通过系统的输出量进行采样而得到的。它与给

定值r(t)之差形成偏差信号，因此，测量值是决定偏差大小的重要数据。测量值假如不

能真实地反应系统的输出，那么这个控制系统就会失去它的作用。在实际中，对电动机输出

的测量值常混有干扰噪声，用混有干扰的测量值作为控制信号，将引起误动作，在有微分控

制环节的系统中还会引起系统震荡，危害极大。

在本系统设计中，采用了移动平均滤波法。移动平均滤波法没计算一次测量值，只需采

样一次，因此大大加紧了数据处理速度，非常适合于实时控制。

移动平均滤波法是将采样后的数据按采样时刻的先后次序寄存在RAM中，在每次II算前

先次序移动数据，将队列前的最先采样的数据移出，然后将最新采样的数据补充到队列的尾

部，以保证数据缓冲区里总有n个数据，并且数据仍按采样的先后次序排列。这时计算队列

中各数据的）算术平均值，这个算术平均值就是测量值，它实现了每采样一次，就计算一种。

（4）转向舵机控制算法

舵机控制是智能车系统中很重要的一种环节，舵机控制H勺好坏也直接影响了小车的控制

效果，舵机B勺控制信号为20ms的脉宽调制信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms,相对应舵

盘的位置为0—180度，呈线性变化。也就是说，给它一定的）脉宽，它的输出轴就会保持在

一种相对应日勺角度上，无论外界转矩怎样变化，直到给它提供一种此外宽度日勺脉冲信号，它

才会变化输出角度到新的对应口勺位置上。

（5）速度检测软件设计

速度传感器采用红外对射式传感器，传感器感应出与速度有关H勺脉冲后，接下来就要识

别这些脉冲。有两种措施可以识别，一种是通过测量脉冲的宽度来识别小车的速度，另一种

是通过计算一定期间内的脉冲的个数来识别小车II勺速度。本设计采用后一种措施。在本设计

中运用了MC9s12DG128B内部的两个资源，