(整理)自动控制综合设计_无人驾驶汽车计算机控制系统方案

自动控制综合设计

——无人驾驶汽车计算机控制系统

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目录

一设计的目的及意义

二智能无人驾驶汽车计算机控制系统背景知识三系统的控制对象

四系统总体方案及思路

1系统总体结构

2控制机构与执行机构

3控制规律

4系统各模块的主要功能

5系统的开发平台

6系统的主要特色

五具体设计

1系统的硬件设计

2系统的软件设计

六系统设计总结及心得体会

一设计目的及意义

随着社会的快速发展，汽车已经进入千家万户。汽车的普及造成了交通供需矛盾的日益严重，道路交通安全形势日趋恶化，造成交通事故频发，但专家往往在分析交通事故的时候，会更加侧重于人与道路的因素，而对车辆性能的提高并不十分关注。如果存在一种高性能的汽车，它可以自动发现前方障碍物，自动导航引路，甚至自动驾驶，那将会使道路安全性能得到极大提高与改善。本系统即为实现这样一种高性能汽车而设计。

二智能无人驾驶汽车计算机控制系统背景知识

智能无人驾驶汽车是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，它集中运用了计算机、现代传感、信息融合、通讯、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。目前对智能汽车的研究主要致力于提高汽车的安全性、舒适性，以及提供优良的人车交互界面。近年来，智能车辆已经成为世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力，很多发达国家都将其纳入到各自重点发展的智能交通系统当中。

通过对车辆智能化技术的研究与开发，可以提高车辆的控制与驾驶水平，保障车辆行驶的安全通畅、高效。对智能化的车辆控制系统的不断研究完善，相当于延伸扩展了驾驶员的控制、视觉和感官功能，能极促进道路交通的安全性。智能车辆的主要特点是以技术弥补人为因素的缺陷，使得即便在很复杂的道路情况下，也能自动地操纵和驾驶车辆绕开障碍物，沿着预定的道路轨迹行驶。

三系统的控制对象

（1）系统中心控制部件（单片机）可靠性高，抗干扰能力强，工作频率最高可达到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，可以将系统当前状态的重要参数（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秒达到10m/s的最大速度。四系统总体方案及思路

1系统总体结构

整个系统主要由车模、模型车控制系统及辅助开发系统构成。

智能车系统的功能模块主要包括：控制核心模块、电源管理模块、路径识别模块、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，软件为系统提供各种算法。

2控制机构与执行机构

智能车主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，主控制核心采用freescale16位单片机MC9S12DG128B。系统在CodeWarrior软件平台基础上设计完成，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。在路径识别模块，系统利用了freescaleS12系列单片机提供的模糊推理机。

3控制规律

因为系统电机控制模块控制小车的运动状态，其在不同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，结构简单，参数容易调整，不一定需要系统的确切数字模型。

4系统各模块的主要功能

控制核心模块：使用freescale16位单片机MC9S12DG128B，主要功能是完成采集信号的处理和控制信号的输出。

电源管理模块：对电池进行电压调节，为各模块正常工作提供可靠的电压。

路径识别模块：完成跑道信息的采集、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：为电机控制提供准确的速度反馈。

电池监控模块：对电池电量进行实时监控，以便科学的利用，保护电池。

小车故障诊断模块：对小车故障进行快速、准确的诊断。

LCD数据显示模块：显示系统当前状态的重要参数。

调试辅助模块：使得小车调试更加方便。

5系统的开发平台

系统软件开发平台采用CodeWarrior for S12，CodeWarrior是Metrowerks 公司的，专门面向Freescale所有的MCU与DSP嵌入式应用开发的软件工具，CodeWarrior for S12是面向以HC12或S12为CPU的单片机嵌入式应用开发的软件包。包括集成开发环境IDE、处理器专家库、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理器、C交叉编译器、汇编器、器以及调试器。

6系统的主要特色

（1）系统中引用了模糊推理机

模糊推理机是freescaleS12单片机一个重要的部资源，利用模糊推理的三个步骤——模糊化、模糊逻辑推理、反模糊化，可以从路径传感信号，推理出精确的控制量。

（2）系统中采用了数字滤波技术

数字滤波技术可靠性高、稳定性好、具有很强的灵活性、可以根据不同的干扰情况，随时修改滤波程序和滤波方法。

五具体设计

1系统的硬件设计

系统硬件系统框图如下：