無人駕駛車輛智能避碰的設計與研究

卓婧

【摘 要】近些年，車輛的無人駕駛概念熱持續發酵，該技術旨在讓智能機器幫助人們駕駛汽車，讓人們能從駕駛中得到解放。本文從解決無人駕駛中的車輛避碰方向入手，以Freescale 16位微控制器MC9S12XS128作為核心控制單元，用CCD攝像頭傳感器作為信息采集裝置，設計開發一款電動無人駕駛自動避碰智能車，并對該技術方法進行一定的應用展望。

【關鍵詞】無人駕駛；智能避碰；MC9S12XS128；CCD

【Abstract】In recent years， the concept of unmanned vehicles is blooming. The technology is designed to help people make intelligent machines to drive a car， let the people have been liberated from driving. This article is intended to solve the unmanned vehicle collision avoidance， using MC9S12XS128 of Freescale 16-bit microcontroller as the core control unit， with a CCD camera sensor as the information acquisition device， to research and develop an electric intelligent unmanned automatic collision avoidance car. Lastly， looking forward to the approach for application.

【Key words】Unmanned； Intelligent collision avoidance； MC9S12XS128； CCD

0 引言

1）障礙物探測技術研究進展

無人駕駛汽車集自動控制、體系結構、人工智能、視覺計算等眾多技術于一體，是計算機科學、模式識別和智能控制技術高度發展的產物。無人駕駛中的自動避碰技術是車輛行駛安全的重要保障。探測障礙物是實現車輛避碰的前提，方法多種多樣，如超聲波，紅外線，視頻采集等。

Dur等人設計了基于光流法的障礙檢測算法以及避障算法，分析了光流法的應用優勢，并通過光流法獲取的環境數據訓練人工神經網絡，實現了障礙物檢測及避障[1]。Seraji等人提出多推理系統決策與多傳感器融合算法，該算法疊加了雷達、激光雷達和CCD相機所獲得的地面信息，根據傳感器信息做出決策，通過分層融合選擇算法形成最終決策，實現對障礙物的檢測[2]。

圖1即為典型的CCD與各類傳感器協助實現障礙物探測的原理框圖。

2）本文總體實現方案

本文設計開發的自動避碰智能車采用1：10標準跑車底盤車模，以 Freescale 16 位單片機MC9S12xs128 為核心控制器，對智能車行駛中的道路信息采樣、電動動力系統參數、轉向控制裝置和有關機械機構進行設計開發，完成智能車對障礙避讓的快捷響應。

1 自動避碰硬件設計

1.1 設計理論

無人駕駛智能車避碰設計的核心是遇到障礙時如何避讓和自動尋跡，實現車輛的穩定行駛。獲取有效、可靠的路況信息以及實施合理的車輛控制策略，是車輛開發的關鍵，現有的道路信息獲取方式有光電（激光）傳感器、攝像頭傳感器（CCD）、電磁傳感器等。

通過攝像頭傳感器對道路信息進行檢測，可從外部環境中提取較多的有效信息，具有良好的前瞻性，并且通過圖像處理與記錄算法的協助，可為控制策略提供更多有利條件。

控制策略主要包括轉向控制和速度控制，此處采用增量式PID算法并結合智能車控制的實際情況做了一些變動，將計算結果賦給控制舵機的PWMDTY，準確的控制舵機的轉角。保證車輛對障礙的反應靈敏度及作出相應措施的操縱性。

1.2 總體設計

基于Freescale智能車制作思想，該智能車主要由車輛本體、單片機控制器、驅動電機、舵機、轉速反饋裝置、CCD視頻采集裝置、調試模塊等組成。主要設計工作有動力裝置參數確定、轉向機構設計、前輪定位參數確定、整車電氣系統參數確定。

要使智能車模型的綜合性能提高，首先要對底盤各總成元件布置進行合理安排。轉向器、電池、攝像頭、電路板和電機是智能車模型上主要的部件，其重量占了智能車整備質量的一大半，因此，對轉向器、電池、攝像頭、電路板和電機位置的合理安排決定了智能車的重心位置的合理性。

1.3 部件設計

智能車選用飛思卡爾MC9S12XS128微控制器作為控制主件[4]。S12XS 16 位微控制器對一系列成本敏感型汽車車身電子應用進行了優化。S12X 產品滿足了用戶對設計靈活性和平臺兼容性的需求，并在一系列汽車電子平臺上實現了可升級性、硬件和軟件可重用性、以及兼容性。

驅動電機采用直流伺服電機，在此選用的是RS-380SH型號的伺服電機，直流伺服電機具有優良的速度控制性能，它輸出較大的轉矩，直接拖動負載運行，同時它又受控制信號的直接控制進行轉速調節。

轉向舵機是一種位置伺服驅動器，轉動范圍不能超過180度，適用于需要角度不斷變化并保持的控制系統。舵機內部有一個基準電路，產生周期為20MS，寬度1.5MS的基準信號，有一個比較器，將外加信號與基準信號進行比較，判斷出方向和大小，從而生產電機的轉動信號。舵機的控制信號是PWM信號，利用占空比的變化改變舵機的位置。

視頻采集裝置采用模擬攝像頭，分辨率為356*292。

2 自動避碰軟件設計

軟件設計開發基于Codewarrior平臺，采用C++編程。

調試模塊中采用了軟件開發平臺Codewarrior IDE自帶的Hiwave.exe調試程序和自行開發的Labview調試程序作為主要調試手段，此外還用數據采集卡和數碼管顯示等輔助調試手段。

3 主要性能參數

3.1 動力性參數

動力性是汽車各種性能中最基本、最重要的性能。智能車模選用的驅動電機是型號為RS-380SH，其驅動特性如表1所示。主減速器傳動比是電機齒輪與差速器齒輪的傳動比，值為76/18=4.2。通過設計計算，本車的動力性指標如表2所示。

3.2 避碰性能參數

根據汽車理論中的汽車操縱性能評價方法[5]，汽車在緊急情況下的轉向要求，本車的設計開發思路是當車輛遇到障礙時是先制動減速，然后再轉彎避讓。通過理論計算和試驗，該車避障性能的主要指標如表3所示。

4 總結與展望

在避障智能車的設計開發過程中，鑒于障礙識別模塊的性能對整個智能車系統運行的重要作用，本系統采用了可以兼用數字攝像頭和模擬攝像頭的設計思路。

在機械結構方面，分析了轉向器轉向系統的改進辦法、前輪束角和主銷傾角的調整以及在其他細節方面的優化。加高了轉向器的位置，提高了轉向器的相應時間，還設計制作了輕巧穩固的攝像頭支架。

在電路方面，采用模塊化的電路設計方法，在主板、電機驅動、電源管理、攝像頭數據采集、速度傳感器幾個模塊分別設計。使整個電路系統的防干擾能力得到提高，電路的穩定性也進一步加強。同時也使智能車模型重心位置的調節更加方便。

自動避碰技術的探索將為無人駕駛技術的大范圍推廣增加更有力的籌碼。

【參考文獻】

[1]Dure. Optical Flow-Based Obstacle Detection and Avoidance Behaviors for Mobile Robots Used inUnmaned Planetary Exploration[C]. Proceedings of the 4th International Conference on RecentAdvances in Space Technologies， 2009： 638-647.

[2]Seraji，H. A Multisensor Decision Fusion System for Terrain Safety Assessment[J]. IEEETransactions on Robotics[J]. 2009， 25（1）： 99-108.

[3]李學志.CATIA 實用教程[M].2版.北京：清華大學出版社，2011，06.

[4]張陽.MC9S12XS單片機原理及嵌入式系統開發[M].北京：電子工業出版社，2011，09.

[5]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社，2009，03.

[責任編輯：楊玉潔]