基于GPS的智能車(chē)自動(dòng)駕駛系統的研制

作者 李延斌 牛雷 佟賀 陸軍航空兵學(xué)院基礎部(北京 101123)

　　李延斌，出生于1977年5月，男，碩士研究生，副教授，研究方向為計算機應用;牛雷，出生于1984年1月，男，講師，研究方向為計算機應用;佟賀，生于1980年10月，女，碩士研究生，講師，研究方向為嵌入式。

摘要：本論文研制了一種使用STM32作為微處理器的具有自動(dòng)路線(xiàn)規劃、自動(dòng)駕駛、遠程遙控等功能的智能車(chē)自動(dòng)駕駛系統。該系統分為手持端和車(chē)載端兩部分，用戶(hù)可以通過(guò)手持端在地圖上對智能車(chē)的目的地進(jìn)行設置，車(chē)載端采用A*算法自動(dòng)規劃出路線(xiàn)，由GPS的地理位置信息和九軸傳感器JY-901模塊的磁場(chǎng)信息為輔助，控制舵機和電機使智能車(chē)自動(dòng)駕駛至目的地。

0 引言

　　自動(dòng)駕駛技術(shù)是當今世界最熱門(mén)的研究方向之一，因其智能便捷和安全穩定受到越來(lái)越多的消費者喜愛(ài)。各國政府希望通過(guò)自動(dòng)駕駛技術(shù)的成熟來(lái)解決繁雜的交通問(wèn)題。中國從20世紀80年代開(kāi)始進(jìn)行自動(dòng)駕駛汽車(chē)的研究，現在已經(jīng)躋身世界先進(jìn)水平。

　　本論文主要對基于GPS導航系統的智能車(chē)自動(dòng)駕駛系統進(jìn)行研究探索和設計，最終設計完成了基于GPS衛星導航系統的可進(jìn)行自動(dòng)路線(xiàn)規劃、自動(dòng)駕駛、遠程遙控等功能的智能車(chē)自動(dòng)駕駛系統。

1 總體設計方案

　　智能車(chē)自動(dòng)駕駛系統分為手持端和車(chē)載端兩部分。手持端是自動(dòng)駕駛儀的人機交互部分，車(chē)載端是智能車(chē)部分。手持端和車(chē)載端之間采用NRF24L01+PA+LNA模塊進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信進(jìn)行可達1 km以上的遠程控制。

　　智能車(chē)自動(dòng)駕駛儀主要兩個(gè)以STM32F103為微處理器的開(kāi)發(fā)板、GPS模塊、SD存儲卡模塊、外部FLASH模塊、JY-901模塊、NRF24L01+PA+LNA無(wú)線(xiàn)模塊、電機驅動(dòng)模塊、電源模塊、舵機、電機等硬件組成。

　　手持端通過(guò)觸屏選擇智能車(chē)的工作模式，工作模式共分為兩種，一是自動(dòng)駕駛模式，二是遙控車(chē)模式。當選擇智能車(chē)模式后接收智能車(chē)的GPS坐標信息，在地圖上顯示出實(shí)時(shí)位置，之后在地圖進(jìn)行目的地的設置，同時(shí)將目的地坐標發(fā)送給智能車(chē)。智能車(chē)得到目的地坐標后采用A*算法自動(dòng)規劃出最短路線(xiàn)，并在手持端顯示出規劃的路線(xiàn)。手持端選擇運行后車(chē)載端后按照規劃的路線(xiàn)以GPS的位置信息和九軸傳感器JY-901模塊的磁場(chǎng)信息為輔助，控制舵機和電機自動(dòng)駕駛到目的地。在運動(dòng)過(guò)程中手持端可以實(shí)時(shí)監控智能車(chē)的位置和運行狀態(tài)。在運行過(guò)程中可以切換成遙控的方式對智能車(chē)進(jìn)行遠程。如果選擇了遙控模式，則切換到遙控界面。通過(guò)觸碰界面上的提示漢字，來(lái)實(shí)現對智能車(chē)的方向操控。操控方向分為前進(jìn)、后退、左前、右前、左后、右后。轉向的角度可以通過(guò)觸碰的時(shí)間來(lái)控制。

2 智能車(chē)自動(dòng)駕駛系統硬件設計

　　2.1 手持端設計

　　自動(dòng)駕駛系統手持端硬件使用秉火STM32F103開(kāi)發(fā)板、3.2寸觸摸式LCD和一個(gè)NRF24L01+PA+LNA模塊組成，供電采用鋰電池供電。自動(dòng)駕駛儀手持端可以實(shí)現地圖的顯示、智能車(chē)實(shí)時(shí)位置和狀態(tài)顯示、目的地的設定和路徑規劃和遙控等功能。

　　手持端通過(guò)觸摸式LCD進(jìn)行觸控，并通過(guò)LCD進(jìn)行地圖、可選路線(xiàn)、最短路線(xiàn)、操作提示漢字的顯示和車(chē)載端實(shí)時(shí)位置、狀態(tài)顯示，具體結構詳見(jiàn)圖1。

　　通過(guò)外部FLASH存儲觸摸式LCD的觸摸校準系數，使用SD卡存儲地圖和漢字字庫。使用STM32內部FLASH存儲地理信息數組。當無(wú)線(xiàn)通信模塊處于接收狀態(tài)時(shí)根據顯示狀態(tài)接收車(chē)載端發(fā)送的實(shí)時(shí)位置、狀態(tài)、規劃的最短路線(xiàn)等信息。當無(wú)線(xiàn)通信模塊處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)根據顯示狀態(tài)發(fā)送目的地位置，模式選擇信號、遙控控制信號等信息。

　　2.2 智能車(chē)自動(dòng)駕駛系統車(chē)載端設計

　　車(chē)載端硬件在小車(chē)平臺上使用正點(diǎn)原子STM32MINI開(kāi)發(fā)板、GPS模塊、GPS天線(xiàn)、JY-901模塊、一個(gè)NRF24L01+PA+LNA模塊、舵機、電機驅動(dòng)模塊、電源模塊組成，供電采用7.2V聚合物電池供電，具體硬件結構見(jiàn)圖2。自動(dòng)駕駛儀車(chē)載端主要實(shí)現GPS定位、最短路線(xiàn)的計算、智能車(chē)磁航向計算、自動(dòng)駕駛、獲取運動(dòng)狀態(tài)信息等功能。

　　車(chē)載端通過(guò)GPS模塊和GPS天線(xiàn)提供GPS數據，JY-901模塊提供磁場(chǎng)數據。使用STM32對傳感器數據進(jìn)行融合。當無(wú)線(xiàn)通信模塊處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)將位置和狀態(tài)信息和規劃的路線(xiàn)發(fā)送給手持端。當無(wú)線(xiàn)通信模塊處于接收狀態(tài)時(shí)接收手持端發(fā)出的目的地位置、模式選擇信號、遙控控制信號等信息。

3 自動(dòng)駕駛儀系統軟件設計

　　3.1 手持端軟件設計

　　自動(dòng)駕駛系統手持端部分的軟件實(shí)現的功能有：顯示地圖、漢字和智能車(chē)在地圖上的位置。通過(guò)觸屏及漢字提示對手持端進(jìn)行操作。根據地理信息數組，顯示可行進(jìn)道路和最短路線(xiàn)，為車(chē)載端提供路網(wǎng)坐標，通過(guò)手持端對車(chē)載端進(jìn)行遙控。在運行中實(shí)時(shí)顯示智能車(chē)的狀態(tài)和位置。通過(guò)觸碰觸摸屏產(chǎn)生一次中斷，實(shí)現對狀態(tài)函數的切換，改變顯示屏的顯示狀態(tài)和無(wú)線(xiàn)通信模塊的通信狀態(tài)，軟件流程見(jiàn)圖3。

　　智能車(chē)自動(dòng)駕駛儀手持端共設計九種顯示狀態(tài)。顯示背景始終為地圖。顯示狀態(tài)圖片見(jiàn)附錄。為增加顯示效果，顯示包括像素坐標點(diǎn)在內的周?chē)膫€(gè)坐標。漢字顯示為黃色字符，背景色為黑色。發(fā)生觸碰時(shí)在主函數中產(chǎn)生中斷，記錄下觸摸點(diǎn)的坐標。當觸點(diǎn)位于提示字顯示范圍內時(shí)，根據提示字改變顯示狀態(tài)。為增加用戶(hù)體驗，在觸摸到提示字時(shí)提示字由黃色變?yōu)榧t色。當發(fā)生觸碰時(shí)，顯示狀態(tài)函數重新運行，進(jìn)行顯示狀態(tài)的轉換。操作流程如圖4所示。

　　3.2 車(chē)載端軟件設計

　　自動(dòng)駕駛儀車(chē)載端的軟件部分實(shí)現的功能有：使用A*算法計算出最短路線(xiàn)，并發(fā)送給手持端?；贕PS和磁傳感器信息，控制舵機和電機按規劃路線(xiàn)自動(dòng)駕駛到目的地的功能。并發(fā)送實(shí)時(shí)位置和狀態(tài)、規劃的路線(xiàn)等信息。接收手持端對智能車(chē)的遙控操作信號，車(chē)載端軟件主函數流程圖如圖5所示。

　　為了實(shí)現在手持端地圖上顯示位置的功能，需要對地理坐標系和像素坐標系進(jìn)行轉換。根據像素坐標、瓦片坐標和地理坐標的幾何關(guān)系，設計地理坐標系和像素坐標系的轉換程序， 轉換流程圖6所示。

　　綜上所述，經(jīng)硬件設計和軟件設計，最終完成了智能車(chē)自動(dòng)駕駛系統的研制，圖7、8分別為手持端和車(chē)載端，圖9為手持端地圖，經(jīng)多次實(shí)驗驗證，智能車(chē)自動(dòng)駕駛系統運行效果良好。

　　參考文獻：

　　[1]李燕.GPS測量中坐標系統及坐標系的轉換[J].華北國土資源，2008,3：62~63.

　　[2]佚名. 我國研發(fā)的無(wú)人駕駛汽車(chē)順利通過(guò)試驗[J]. 創(chuàng )新時(shí)代, 2011(9):15-15.

　　[3]張淑清，等.嵌入式單片機STM32設計及應用技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2016.

　　[4]張學(xué)昕. 具有自主巡航功能的四旋翼飛行器設計[D]. 哈爾濱理工大學(xué), 2016.

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第11期第61頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。