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基于STM32 无人驾驶网约车调度系统

2023-02-08鲍颢之哈欣怡王艺瑾封晓同

智能计算机与应用 2023年1期
关键词:网约车网约无人驾驶

鲍颢之,马 凯,哈欣怡,王艺瑾,封晓同

(南京林业大学 汽车与交通工程学院,南京 210037)

0 引言

随着中国经济的发展,居民对出行的便捷度要求日益提高[1]。为满足市民对出租车的需求,很多城市制定了发展规划,以整合巡游车和网约车协同发展的新业态。但由于道路资源有限以及出租车资源在城市某一区域的集中性,要想彻底解决打车难问题还需新思路。随着无人驾驶汽车的发展,部分城市已尝试将其投入出租车行业,未来无人驾驶网约车或将成为主流业态[2]。

本文设计的基于STM32F103CBT6 芯片的智能无人驾驶网约车调度系统,是在无人驾驶汽车的背景下,通过硬件模块采集出租车及打车人的信息,经过大数据分析优化调度方案[3];通过无线通信模块实现数据的互联共享,并向出租车下达出车指令,从而提高运营效率,改善交通状况。

1 系统设计

智能无人驾驶网约车调度系统架构如图1 所示。系统以STM32F103CBT6 芯片为核心[4],完成车辆的优化调度。被调度的车辆可分为3 类,其中包括:空载车、即将到达目的地的期望空载车,以及经乘客同意在行驶路径上可搭载其他乘客的可共享车。

图1 系统架构示意图Fig.1 System structure diagram

网约车在行驶过程中,车与车之间通过Wi-Fi模块形成车载自组织网络(VANET)[5]互相传递运行状态,并将信息通过GPRS 和路基单元RSU 实时共享给上位机平台。同时,乘客的位置、目的地信息通过其个人设备接入网络发送给上位机。上位机系统接收并处理信息后决定出车策略,并将调度信息通过RSU 发送给网约车,从而完成无人驾驶网约车的智能调度。

2 硬件设计

智能无人驾驶网约车调度系统的硬件主要包括:供电模块、主处理器模块、GPRS 模块、GPS 模块、Wi-Fi 模块等。如图2 所示,硬件设备以意法半导体公司生产的STM32F103CBT6 芯片为核心,供电模块辅助其它模块,通过串口或USB 转485 与处理器连接,完成无人驾驶网约车的调度。

图2 硬件设计框图Fig.2 Hardware design block diagram

2.1 供电模块

系统中,STM32F103CBT6 芯片的供电电压为2~3.6 V,GPRS、GPS、Wi-Fi 模块等外设的供电电压均为5.0 V。系统供电模块电路如图3 所示,连接5.0 V 蓄电池电源,电容C6、C8起到滤波降压的作用,AMS1117-3.3 为高效低压差线性稳压器,用于交换电源5~3.3 V,保证输出电压为3.3 V 稳压,为其它设备供电。SMBJ3.3 A 为瞬态抑制二极管,有钳位能力,可以保护I/O 接口。

图3 供电模块电路Fig.3 Power supply module circuit

2.2 处理器模块

处理器模块采用意法半导体基于ARM Cortex-M3 内核的STM32F103CBT6 芯片,该芯片具有体积小、开发使用方式简单、低功耗等优点。芯片提供了64 个I/O 接口,支持IIC、JTAG/SWD、FSMC、PWM等外围设备,完全能够满足本系统的设计要求,同时也为后期的迭代升级提供了相应的资源支撑。处理器模块电路如图4 所示,采用8M 外部晶振;使用原生串口或USB 转RS485,实现串口通信;获取无人驾驶出租车位置信息,并与VANET 中的其他车辆共享[6];也可接收乘客信息后进行分析、计算,设计合适的调度方案。

图4 处理器模块Fig.4 Processor module

2.3 GPS 定位模块

如图5 所示,GPS 模块选用NEO-7M 单元,以U-blox 芯片为核心,提供UART、TTL、USB2.0 3 种输出方式。本文采用KDS 公司生产的0.5PPM 级高精度温度补偿型晶振,其体积小、功耗低、灵敏度高,能够满足专业定位的要求。采用该模块可以准确定位无人驾驶网约车,获取其实时位置信息[7]。

图5 GPS 定位模块Fig.5 GPS positioning module

2.4 GPRS 无线通信模块

考虑到无人驾驶网约车的运行状态信息量不大,GPRS 足以将数据发送到远程上位机系统,因此选用QUECTEL M35 模块。M35 模块是四频段GSM/GPRS模块,其工作频段为:GSM850 MHz、EGSM900 MHz、DCS1800 MHz 和PCS1900 MHz。该模块具有功耗低,工作温度范围宽的优点,适用于车载、工业级PDA 和无线POS 等。其中,模块的21 引脚用于接收主处理器芯片传输过来的数据;22 引脚则是用于向主处理器芯片发送数据;最终数据通过GPRS 模块的天线发送给上位机系统。电路设计如图6 所示。

图6 GPRS 无线通信模块电路Fig.6 GPRS wireless communication module circuit

2.5 Wi-Fi 模块

如图7 所示,车-车之间的通信采用ESP8266无线通讯模块,该模块适用于移动设备、可穿戴电子产品和物联网应用,具有超低功耗、工作范围大、稳定性高且能适应各种操作环境的优点。同时,ESP8266 内置Tensilica 处理器,可将高达80%的处理能力留给应用编程和开发,适合运用在VANET中[8],实现车与车、车与路基单元间信息的传递共享。

图7 Wi-Fi 模块电路Fig.7 WiFi module circuit

3 软件及算法设计

选用Visual Basic 6.0 搭建智能无人驾驶网约车调度系统的软件部分。其主要功能由智能调度、公共求助、车辆计费、设备检测、行驶日志、系统设置等部分组成。通过该软件可在上位机系统实现对无人驾驶网约车的智能调度、计费收费和系统维护功能。

软件的核心功能是无人驾驶网约车的智能调度和派送[9]。主处理器在获取的车辆运行信息及乘客信息的基础上进行分析,通过基于优先级的淘汰算法进行分析,最终确定无人驾驶网约车的派送方案,并对无人驾驶网约车发出指令。

为便于分级管理,系统设置了权限区分功能。普通用户仅能查看软件界面信息并进行调度工作,管理员具备发送公共求助、修改车辆计费标准、存储上传以及界面设置的权限。如遇特殊情况,必须由管理员审核确定方可进行操作。权限的设定可以充分保护客户隐私、维护客户权益。

系统功能流程如图8 所示:

图8 系统功能流程图Fig.8 System function flow chart

如图9 所示,系统界面通过GIS 地图显示区域内网约车及乘客的位置信息。以南京市玄武区中山东路德基广场商圈为例,系统自动检索8 位客户半径400 米内的所有无人驾驶出租车,如果未检出车辆则依次递增250 米的检索半径。出车策略以基于优先级的淘汰算法[10]给出。算法实现过程如下:

图9 智能调度界面Fig.9 Intelligent dispatching interface

(1)当有车辆处于检索范围重叠部分时,针对每一辆车计算其到达不同客户目的地的预计油耗,如果客户目的地过远以至于车辆的油量不足满足需求,则淘汰该客户。然后比较剩余各客户周边的车辆密度,为防止拥堵,淘汰周边车辆密度排在前50%的客户。

(2)当处于检索重叠部分的车辆分配完毕后,再分配其他车辆。此时以车为中心检索周边有需求的客户,优先选择油耗可支撑且接送路径重叠少的客户。

(3)当以上检索结束后,可能出现多车对一人的情况,此时优先派发距离客户更近的车辆;也可能出现客户未分配到车辆的情况[11],则以该客户为中心重新检索,根据淘汰算法再次逐级筛选。

图10 是空载车信息管理平台,管理者可在本界面查看当前派出车辆的车牌号、所在位置、目标乘客的位置、姓名、手机号以及目的地。返回智能调度界面即可查看车辆在地图上的行驶轨迹,从而掌握无人车的实时状态,便于及时处理异常情况。

图10 空载车调度Fig.10 Empty vehicle dispatching interface

当车辆接到乘客后即开始计费,车辆计费界面如图11 所示。左栏显示收费标准,包括起步范围、起步价以及里程单价、等待计价。上述信息可转为编辑状态,管理员可针对不同地区的具体情况调整收费标准并同步保存。右栏则实时显示当前车辆的行车里程、累计费用等信息。在到达目的地后停止计费,乘客可通过手机在线支付费用。

图11 车辆计费界面Fig.11 Vehicle billing interface

4 结束语

本文以STM32F103CBT6 处理器为核心,通过GPS 模块的信息采集,GPRS 模块、Wi-Fi 模块的信息传输,运用本文给出的以车和人为中心的基于优先级的淘汰算法,计算出无人驾驶出租车的调度方案。本系统有望进一步节省乘客时间、降低空车率[12],在解决打车难问题的同时,也在一定程度上降低了乘客的出行费用。本系统从提升出租车调度效率的角度出发,为缓解城市交通压力、提升交通运输的整体收益提供了可行思路。

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