全自主移動(dòng)車(chē)輛控制系統(tǒng)研究

千應(yīng)慶，王曉鋒，李鐵，聶文琪

(1.南京理工大學(xué)，江蘇南京210094;2.上海電控研究所，上海200092)

全自主移動(dòng)車(chē)輛面向各種工況，任務(wù)多樣，所采用的控制方法也不同。文中針對(duì)高速公路，采用了六輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)。全自主移動(dòng)車(chē)輛需要的傳感系統(tǒng)種類眾多，包括激光雷達(dá)、GPS接收器、主動(dòng)攝像頭、垂直陀螺儀等。上位機(jī)通過(guò)這些傳感系統(tǒng)對(duì)外界信息進(jìn)行采集，并對(duì)這些信息進(jìn)行高速處理，然后把需要的任務(wù)命令下達(dá)給下位機(jī)PowerPC控制器，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的無(wú)人駕駛、自主導(dǎo)航。最后，實(shí)驗(yàn)完成了車(chē)輛前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作，文中的研究工作對(duì)全自主移動(dòng)車(chē)輛控制系統(tǒng)有一定的借鑒意義。VxWorks軟件平臺(tái)。

圖1 全自主移動(dòng)車(chē)輛示意圖

圖2 控制卡實(shí)物圖

圖3為車(chē)輛下位機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

文中介紹的車(chē)輛控制系統(tǒng)，主要包括兩大部分:一是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) VxWorks，二是現(xiàn)場(chǎng)總線 CAN網(wǎng)絡(luò)。

圖1為全自主移動(dòng)車(chē)輛示意圖，車(chē)輛采用六輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)［1］。

圖2為車(chē)輛控制卡實(shí)物圖，搭載PowerPC硬件和

圖3 全自主移動(dòng)車(chē)輛CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks的開(kāi)發(fā)

VxWorks是美國(guó)Wind River公司專門(mén)為嵌入式微處理器設(shè)計(jì)的一種高模塊化、高性能的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，具有很高的安全性、可靠性和系統(tǒng)靈活性，它以良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通訊、軍事演習(xí)、彈道制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等。在美國(guó)的F-16、F/A-18戰(zhàn)斗機(jī)、B-2隱形轟炸機(jī)和愛(ài)國(guó)者導(dǎo)彈上，甚至連1997年7月在火星表面登陸的火星探測(cè)器，2008年5月在火星表面上登陸的鳳凰號(hào)火星探測(cè)器，2011年首飛的X-47B無(wú)人機(jī)，2012年8月在火星表面上登陸的好奇號(hào)火星探測(cè)器上也都使用到了VxWorks。

Tornado是一套強(qiáng)大的圖形化嵌入式集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，如圖4所示的開(kāi)發(fā)環(huán)境TornadoII，是最新一代嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用開(kāi)發(fā)和調(diào)試環(huán)境的代表［2］。

圖4 TornadoII界面

文中創(chuàng)建一個(gè)bootable型的工程，工程創(chuàng)建完畢后，產(chǎn)生、拷貝了一系列文件，其中usrAppInit.c中包含VxWorks映像應(yīng)用程序入口函數(shù)usrAppInit()，類似于C語(yǔ)言的main()函數(shù)，usrAppInit()函數(shù)是應(yīng)用程序入口函數(shù)。

如圖4所示，將初始化程序initCan()放在程序入口函數(shù)usrAppInit()中，在initCan()函數(shù)中建立了Task_1、Task_2和Task_3三個(gè)任務(wù):

工程任務(wù)框圖如圖5所示，3個(gè)任務(wù)之間的調(diào)度規(guī)則符合VxWorks系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度規(guī)則，現(xiàn)做如下分析:由于 task_1的優(yōu)先級(jí)是101，高于 task_2和task_3，task_1被優(yōu)先執(zhí)行，其次是task_2，最后是task_3，在執(zhí)行程序段1時(shí)，根據(jù)taskLock()的特點(diǎn)，處理器不會(huì)被task_2或task_3搶占;task_1執(zhí)行完成后，根據(jù)task_Unlock()的特點(diǎn)，處理器被釋放，而后執(zhí)行taskDelay(3)，taskDelay(3)會(huì)導(dǎo)致task_1在指定的延時(shí)期間 (3*tick，60tick為1 s)放棄CPU，使任務(wù)處于Delay狀態(tài);之后執(zhí)行task_2任務(wù)，最后執(zhí)行task_3任務(wù)［3］。

圖5 任務(wù)框圖

3 現(xiàn)場(chǎng)總線CAN網(wǎng)絡(luò)

CAN總線又稱為控制器局域網(wǎng)絡(luò)總線 (Controller Area Network Bus)，由德國(guó)Bosch公司發(fā)明，最初設(shè)計(jì)作為汽車(chē)環(huán)境中的微控制器通訊，目前已成為應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN總線是一種多主方式的串行通訊總線，具有低成本、高速率、高抗電磁干擾性、強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、容錯(cuò)性、易擴(kuò)展等特點(diǎn)，非常適合用于機(jī)器人系統(tǒng)的通訊總線。CAN網(wǎng)絡(luò)在車(chē)輛上已經(jīng)有較為廣泛的應(yīng)用，其分布式結(jié)構(gòu)相對(duì)之前的集中式結(jié)構(gòu)已經(jīng)凸顯出許多優(yōu)點(diǎn)。CAN網(wǎng)絡(luò)接線圖［4］見(jiàn)圖 6。

圖6 CAN網(wǎng)絡(luò)接線圖

采用CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通訊，不規(guī)范的布線方式會(huì)導(dǎo)致通訊的可靠性、穩(wěn)定性和傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性明顯下降。文中CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖3，實(shí)驗(yàn)表明這樣的通訊方式可靠穩(wěn)定。

4 電機(jī)速度插值分析

車(chē)輛上所訂做的電機(jī)性能是在10 s內(nèi)能夠加速到3 600 r/min(線性增加)，實(shí)驗(yàn)表明10 s內(nèi)電機(jī)速度到達(dá)3 600 r/min時(shí)，車(chē)輛會(huì)有明顯的沖擊。采用速度插值方法能夠使車(chē)輛很平穩(wěn)地到達(dá)期望的速度。如圖7所示，設(shè)電機(jī)當(dāng)前速度是 v1，目標(biāo)速度是v3，從時(shí)刻0到接受指令經(jīng)過(guò)的時(shí)間是t3。在時(shí)間t2時(shí)，插值計(jì)算得到:

圖7 速度插值示意圖

5 結(jié)論

開(kāi)發(fā)了適合該車(chē)輛的VxWorks控制系統(tǒng)，并列出了所創(chuàng)建的任務(wù)，當(dāng)上位機(jī)發(fā)送CAN幀給下位機(jī)時(shí)，下位機(jī)將對(duì)CAN幀進(jìn)行解析并作出應(yīng)答，從而控制車(chē)輛。同時(shí)提出了全自主移動(dòng)車(chē)輛的現(xiàn)場(chǎng)總線CAN網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行了通訊的可靠性和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。研究表明，文中提出的控制系統(tǒng)對(duì)全自主移動(dòng)車(chē)輛控制平臺(tái)有一定借鑒意義。

【1】曹藝輝．無(wú)人車(chē)獨(dú)立懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真［J］．機(jī)電一體化，2012，19(2):17 －21．

【2】周啟平，張楊，吳瓊．VxWorks開(kāi)發(fā)指南與Tornado實(shí)用手冊(cè)［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2004．

【3】許斌．基于VxWorks系統(tǒng)的無(wú)人車(chē)GPS/INS組合導(dǎo)航研究［D］．上海:上海交通大學(xué)，2012．

【4】饒運(yùn)濤，皺繼軍，鄭勇蕓．現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006．

【5】VANDAPEL Nicolas，DONAMUKKALA Raghavendra Rao，HEBERT Martial．Unmanned Ground Vehicle Navigation Using Aerial Ladar Data［J］．The International Journal of Robotics Research，January，2006，25(1):31 －51．

【6】吳紹斌，陳慧巖．軍用地面無(wú)人車(chē)輛的發(fā)展［J］．車(chē)輛與動(dòng)力技術(shù)，2002(4):50－55．