全自主移动车辆控制系统研究

千应庆，王晓锋，李铁，聂文琪

(1.南京理工大学，江苏南京210094;2.上海电控研究所，上海200092)

全自主移动车辆面向各种工况，任务多样，所采用的控制方法也不同。文中针对高速公路，采用了六轮独立驱动移动平台。全自主移动车辆需要的传感系统种类众多，包括激光雷达、GPS接收器、主动摄像头、垂直陀螺仪等。上位机通过这些传感系统对外界信息进行采集，并对这些信息进行高速处理，然后把需要的任务命令下达给下位机PowerPC控制器，从而实现车辆的无人驾驶、自主导航。最后，实验完成了车辆前进、后退、转弯等动作，文中的研究工作对全自主移动车辆控制系统有一定的借鉴意义。VxWorks软件平台。

图1 全自主移动车辆示意图

图2 控制卡实物图

图3为车辆下位机控制系统现场总线CAN网络拓扑结构示意图。

1 控制系统结构

文中介绍的车辆控制系统，主要包括两大部分:一是实时操作系统 VxWorks，二是现场总线 CAN网络。

图1为全自主移动车辆示意图，车辆采用六轮独立驱动［1］。

图2为车辆控制卡实物图，搭载PowerPC硬件和

图3 全自主移动车辆CAN网络拓扑图

2 实时操作系统VxWorks的开发

VxWorks是美国Wind River公司专门为嵌入式微处理器设计的一种高模块化、高性能的实时多任务操作系统，具有很高的安全性、可靠性和系统灵活性，它以良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。在美国的F-16、F/A-18战斗机、B-2隐形轰炸机和爱国者导弹上，甚至连1997年7月在火星表面登陆的火星探测器，2008年5月在火星表面上登陆的凤凰号火星探测器，2011年首飞的X-47B无人机，2012年8月在火星表面上登陆的好奇号火星探测器上也都使用到了VxWorks。

Tornado是一套强大的图形化嵌入式集成开发环境，如图4所示的开发环境TornadoII，是最新一代嵌入式实时应用开发和调试环境的代表［2］。

图4 TornadoII界面

文中创建一个bootable型的工程，工程创建完毕后，产生、拷贝了一系列文件，其中usrAppInit.c中包含VxWorks映像应用程序入口函数usrAppInit()，类似于C语言的main()函数，usrAppInit()函数是应用程序入口函数。

如图4所示，将初始化程序initCan()放在程序入口函数usrAppInit()中，在initCan()函数中建立了Task_1、Task_2和Task_3三个任务:

工程任务框图如图5所示，3个任务之间的调度规则符合VxWorks系统任务调度规则，现做如下分析:由于 task_1的优先级是101，高于 task_2和task_3，task_1被优先执行，其次是task_2，最后是task_3，在执行程序段1时，根据taskLock()的特点，处理器不会被task_2或task_3抢占;task_1执行完成后，根据task_Unlock()的特点，处理器被释放，而后执行taskDelay(3)，taskDelay(3)会导致task_1在指定的延时期间 (3*tick，60tick为1 s)放弃CPU，使任务处于Delay状态;之后执行task_2任务，最后执行task_3任务［3］。

图5 任务框图

3 现场总线CAN网络

CAN总线又称为控制器局域网络总线 (Controller Area Network Bus)，由德国Bosch公司发明，最初设计作为汽车环境中的微控制器通讯，目前已成为应用最广泛的现场总线之一。CAN总线是一种多主方式的串行通讯总线，具有低成本、高速率、高抗电磁干扰性、强的实时性、容错性、易扩展等特点，非常适合用于机器人系统的通讯总线。CAN网络在车辆上已经有较为广泛的应用，其分布式结构相对之前的集中式结构已经凸显出许多优点。CAN网络接线图［4］见图 6。

图6 CAN网络接线图

采用CAN网络进行远距离通讯，不规范的布线方式会导致通讯的可靠性、稳定性和传输数据的准确性明显下降。文中CAN网络节点见图3，实验表明这样的通讯方式可靠稳定。

4 电机速度插值分析

车辆上所订做的电机性能是在10 s内能够加速到3 600 r/min(线性增加)，实验表明10 s内电机速度到达3 600 r/min时，车辆会有明显的冲击。采用速度插值方法能够使车辆很平稳地到达期望的速度。如图7所示，设电机当前速度是 v1，目标速度是v3，从时刻0到接受指令经过的时间是t3。在时间t2时，插值计算得到:

图7 速度插值示意图

5 结论

开发了适合该车辆的VxWorks控制系统，并列出了所创建的任务，当上位机发送CAN帧给下位机时，下位机将对CAN帧进行解析并作出应答，从而控制车辆。同时提出了全自主移动车辆的现场总线CAN网络，并进行了通讯的可靠性和稳定性实验。研究表明，文中提出的控制系统对全自主移动车辆控制平台有一定借鉴意义。

【1】曹艺辉．无人车独立悬挂系统设计与仿真［J］．机电一体化，2012，19(2):17 －21．

【2】周启平，张杨，吴琼．VxWorks开发指南与Tornado实用手册［M］．北京:中国电力出版社，2004．

【3】许斌．基于VxWorks系统的无人车GPS/INS组合导航研究［D］．上海:上海交通大学，2012．

【4】饶运涛，皱继军，郑勇芸．现场总线CAN原理与应用技术［M］．北京:北京航空航天大学出版社，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】吴绍斌，陈慧岩．军用地面无人车辆的发展［J］．车辆与动力技术，2002(4):50－55．