无人驾驶车辆智能避碰的设计与研究

卓婧

【摘 要】近些年，车辆的无人驾驶概念热持续发酵，该技术旨在让智能机器帮助人们驾驶汽车，让人们能从驾驶中得到解放。本文从解决无人驾驶中的车辆避碰方向入手，以Freescale 16位微控制器MC9S12XS128作为核心控制单元，用CCD摄像头传感器作为信息采集装置，设计开发一款电动无人驾驶自动避碰智能车，并对该技术方法进行一定的应用展望。

【关键词】无人驾驶；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）障碍物探测技术研究进展

无人驾驶汽车集自动控制、体系结构、人工智能、视觉计算等众多技术于一体，是计算机科学、模式识别和智能控制技术高度发展的产物。无人驾驶中的自动避碰技术是车辆行驶安全的重要保障。探测障碍物是实现车辆避碰的前提，方法多种多样，如超声波，红外线，视频采集等。

Dur等人设计了基于光流法的障碍检测算法以及避障算法，分析了光流法的应用优势，并通过光流法获取的环境数据训练人工神经网络，实现了障碍物检测及避障[1]。Seraji等人提出多推理系统决策与多传感器融合算法，该算法叠加了雷达、激光雷达和CCD相机所获得的地面信息，根据传感器信息做出决策，通过分层融合选择算法形成最终决策，实现对障碍物的检测[2]。

图1即为典型的CCD与各类传感器协助实现障碍物探测的原理框图。

2）本文总体实现方案

本文设计开发的自动避碰智能车采用1：10标准跑车底盘车模，以 Freescale 16 位单片机MC9S12xs128 为核心控制器，对智能车行驶中的道路信息采样、电动动力系统参数、转向控制装置和有关机械机构进行设计开发，完成智能车对障碍避让的快捷响应。

1 自动避碰硬件设计

1.1 设计理论

无人驾驶智能车避碰设计的核心是遇到障碍时如何避让和自动寻迹，实现车辆的稳定行驶。获取有效、可靠的路况信息以及实施合理的车辆控制策略，是车辆开发的关键，现有的道路信息获取方式有光电（激光）传感器、摄像头传感器（CCD）、电磁传感器等。

通过摄像头传感器对道路信息进行检测，可从外部环境中提取较多的有效信息，具有良好的前瞻性，并且通过图像处理与记录算法的协助，可为控制策略提供更多有利条件。

控制策略主要包括转向控制和速度控制，此处采用增量式PID算法并结合智能车控制的实际情况做了一些变动，将计算结果赋给控制舵机的PWMDTY，准确的控制舵机的转角。保证车辆对障碍的反应灵敏度及作出相应措施的操纵性。

1.2 总体设计

基于Freescale智能车制作思想，该智能车主要由车辆本体、单片机控制器、驱动电机、舵机、转速反馈装置、CCD视频采集装置、调试模块等组成。主要设计工作有动力装置参数确定、转向机构设计、前轮定位参数确定、整车电气系统参数确定。

要使智能车模型的综合性能提高，首先要对底盘各总成元件布置进行合理安排。转向器、电池、摄像头、电路板和电机是智能车模型上主要的部件，其重量占了智能车整备质量的一大半，因此，对转向器、电池、摄像头、电路板和电机位置的合理安排决定了智能车的重心位置的合理性。

1.3 部件设计

智能车选用飞思卡尔MC9S12XS128微控制器作为控制主件[4]。S12XS 16 位微控制器对一系列成本敏感型汽车车身电子应用进行了优化。S12X 产品满足了用户对设计灵活性和平台兼容性的需求，并在一系列汽车电子平台上实现了可升级性、硬件和软件可重用性、以及兼容性。

驱动电机采用直流伺服电机，在此选用的是RS-380SH型号的伺服电机，直流伺服电机具有优良的速度控制性能，它输出较大的转矩，直接拖动负载运行，同时它又受控制信号的直接控制进行转速调节。

转向舵机是一种位置伺服驱动器，转动范围不能超过180度，适用于需要角度不断变化并保持的控制系统。舵机内部有一个基准电路，产生周期为20MS，宽度1.5MS的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号进行比较，判断出方向和大小，从而生产电机的转动信号。舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。

视频采集装置采用模拟摄像头，分辨率为356*292。

2 自动避碰软件设计

软件设计开发基于Codewarrior平台，采用C++编程。

调试模块中采用了软件开发平台Codewarrior IDE自带的Hiwave.exe调试程序和自行开发的Labview调试程序作为主要调试手段，此外还用数据采集卡和数码管显示等辅助调试手段。

3 主要性能参数

3.1 动力性参数

动力性是汽车各种性能中最基本、最重要的性能。智能车模选用的驱动电机是型号为RS-380SH，其驱动特性如表1所示。主减速器传动比是电机齿轮与差速器齿轮的传动比，值为76/18=4.2。通过设计计算，本车的动力性指标如表2所示。

3.2 避碰性能参数

根据汽车理论中的汽车操纵性能评价方法[5]，汽车在紧急情况下的转向要求，本车的设计开发思路是当车辆遇到障碍时是先制动减速，然后再转弯避让。通过理论计算和试验，该车避障性能的主要指标如表3所示。

4 总结与展望

在避障智能车的设计开发过程中，鉴于障碍识别模块的性能对整个智能车系统运行的重要作用，本系统采用了可以兼用数字摄像头和模拟摄像头的设计思路。

在机械结构方面，分析了转向器转向系统的改进办法、前轮束角和主销倾角的调整以及在其他细节方面的优化。加高了转向器的位置，提高了转向器的相应时间，还设计制作了轻巧稳固的摄像头支架。

在电路方面，采用模块化的电路设计方法，在主板、电机驱动、电源管理、摄像头数据采集、速度传感器几个模块分别设计。使整个电路系统的防干扰能力得到提高，电路的稳定性也进一步加强。同时也使智能车模型重心位置的调节更加方便。

自动避碰技术的探索将为无人驾驶技术的大范围推广增加更有力的筹码。

【参考文献】

[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]李学志.CATIA 实用教程[M].2版.北京：清华大学出版社，2011，06.

[4]张阳.MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发[M].北京：电子工业出版社，2011，09.

[5]余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2009，03.

[责任编辑：杨玉洁]