智能无人驾驶汽车计算机控制系统的研究

王娟娟 裴继伟

摘要：汽车为我们的生活带来了便利，同样也造成了交通拥堵、安全隐患等多重问题。随着信息化进程加快，大数据飞速发展，将计算机技术应用在汽车中成为现阶段研究的必要趋势和前沿发展方向。无人驾驶汽车的出现可以为解决这些问题提供大的帮助。本文就无人驾驶汽车在国内外的发展现状进行简要介绍，指出无人驾驶汽车技术发展存在的问题，并对无人驾驶汽车关键技术的研发提出相应对策。

关键词：无人驾驶;智能避碰;CCD

引言：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。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。

1无人驾驶汽车概述

无人驾驶汽车，是智能汽车的一种，也可以称其为轮式移动机器人，主要依靠车内的以计算机系统为主的智能驾驶操作系统进行驾驶。也有学者将其界定为，在没有驾驶员操作和干预下，依靠车载传感器、定位系统等互联网人工智能技术，实现汽车自主行驶的一种方式。无人驾驶汽车具有以下几个主要特征：（1）汽车行驶的自主性。无人驾驶汽车的行驶不需要驾驶。员对车辆的行驶过程，如加速、转向、并线等进行实际操作，这是无人驾驶汽车区别于传统汽车的主要特征。无人驾驶汽车通过车载传感系统，识别车辆具体所在的路况，自主确定行驶线路，控制车速和行驶方向，使车辆能够正常地在道路上行驶、安全地到达预定目的地并停靠在指定位置。（2）驾驶人员的不特定性。坐在无人驾驶汽车上，除了启动汽车和输入目的地，驾驶人员是否掌握基本的驾驶技能并不是无人驾驶汽车运行的前提条件，因为车辆只需要依赖车载智能系统就可以完成各种运行操作。也就是说，即使没有驾驶技能的人也可以成为无人驾驶汽车的驾驶员，只要在“法律允可的范围内，任何人均可以驾驶”。（3）技术应用的广泛性。无人驾驶汽车技术在发展成熟并投入使用后，将会给许多行业的发展提质增效带来颠覆性改变。因为它不仅可以使个人的交通出行更加便捷，还可以用于货物运输、道路清扫、抢险救灾、军事作战等。尤其是在长途货物运输中，无人驾驶技术可以克服駕驶员的疲劳驾驶等各种身体局限，极大地减少交通事故、提高工作效率。

2 自动避碰硬件设计

近年来，互联网技术的迅速发展给汽车制造工业带来了革命性变化的机会。与此同时，汽车智能化技术正逐步得到广泛应用，这项技术简化了汽车的驾驶操作并提高了行驶安全性。而其中最典型也是最热门的未来应用就是无人驾驶汽车。

无人驾驶汽车，是可以通过计算机系统设置进而实现无人驾驶的新型智能化汽车。无人驾驶汽车是人工智能技术、雷达、数学计算、监控设备与北斗导航系统协作实现的，它受计算机系统的控制，实现无人驾驶。目前，无人驾驶技术还停留在研发和实验中，尚未被批准用作商业用途和用作私家车。

据有关数据显示，在意外事故中，以车祸占首位，占意外死亡总数的50%以上。仅以汽车交通事故为例，全世界因交通事故而死亡的人数已超过3000万人，多于世界大战死亡人数。基于高科技研究的无人驾驶汽车，无论在其安全性还是可靠性方面，都极具发展潜力。因此，无人驾驶汽车的研究与发展是降低车祸发生率、保障人民生命安全的重要任务。

2.1 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。

2.2 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。

2.3 部件设计

智能车选用飞思卡尔MC9S12XS128微控制器作为控制主件。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。

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突破系统牵引和稳定控制技术

传统防抱死制动系统需要驾驶员实现，在无人驾驶汽车过程中，突破系统牵引和稳定控制技术，对汽车行驶过程中出现的突发情况反应更加灵敏，若无人驾驶汽车发生轮胎打滑，车辆侧翻等情况时，稳定和牵引技术可以监测即将发生的危险，及时锁住轮胎，防止意外事故的发生。系统牵引和稳定控制技术较为复杂，属于无人驾驶汽车关键技术较难突破的技术，对四个轮胎实行单独制动和牵引，这种单独制动可以保证汽车行驶过程中的安全，当汽车行驶不当时，能及时停止，此外，系统牵引和稳定控制技术对道路监测、路况分析、险情规划等其它方面有重要作用。

4 总结

在无人驾驶汽车渐渐普及后，它将会给我们的生活带来更多的便利和安全。本文对汽车无人驾驶的主流技术路线、无人驾驶汽车关键技术发展存在的问题、无人驾驶汽车关键技术的发展对策做了初步的介绍。相信通过人们的努力、不断创新，在未来无人驾驶汽车将会得到不断完善和普及。在人民的不断奋斗拼搏下，我国的无人驾驶汽车技术也将不断赶超世界尖端水平，助力我国的经济社会发展。

参考文献

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