自动无人驾驶控制系统第一章 设计目的及意义经过我国人们多年的奋斗，现在已经逐渐奔向小康生活 ,交通工具也在不断地更新 自行车是一种发明比较早的交通工具，自行车行驶的速度大约是步行速度的四倍，自行车 出现不久就有了摩托车、电动车等，速度相比较提高了很多后来又发明了汽车，汽车渐 渐得替代了自行车和摩托车等交通工具，有了汽车之后，人们又想发明生产让我们更加便 利的交通工具，只有交通工具性能更好、功能更齐全才能给我们的生活带来更多的方便 物联网和互联网技术的迅速发展也推动了汽车的智能化技术发展，因为智能汽车要车联 网，所以物联网和互联网的发展给智能汽车创造了一定条件，促进它的迅速发展，使智能 汽车的驾驶得更加精确，速度更快，且汽车的安全性能也得到了很大的提高自动无人驾 驶汽车，实质上就是比普通汽车多装载了计算机控制系统使汽车在没有人驾驶也能够自动 驾驶的汽车自动无人驾驶汽车采用了360 度全方位监控、北斗卫星导航系统、图像识别 技术、人工智能技术和传感器识别技术，在计算机系统的控制下实现自动无人驾驶1.1 无人驾驶系统设计目的设计一款更加符合现代社会需求的自动无人驾驶汽车，它具有以下其他汽车不具备的 优点，本次设计的一款自动无人驾驶汽车的优势有以下两点：（1）更安全、更舒适。
就目前来说,无论是发达国家还是发展中国家道路上车辆的数目总体呈现明显上升趋 势,造成交通安全形势非常严峻 ,据报道,在美国每年会发生大约 600 万次交通事故,在这 600 万次交通事故中,由于人的主观原因,操作错误造成的交通事故占 94%,造成了约 35000 人死亡,经济损失 2306 亿美元那么,为了减少这样的事情发生，唯一的方法，我们要制 造出功能更齐全的交通工具（不用驾驶员驾驶的汽车），它可以大大减少醉酒驾驶、疲劳 驾驶和分心驾驶造成的交通事故自动无人驾驶汽车有一个能够自动导航的模块它对车 辆起着关键作用：无论在何种道路上行驶，智能汽车都能获得连续不断且准确的车辆位置 信息本设计的定位方法符合这一要求，采用卫星导航、惯性导航、超宽无线定位和机器 视觉距离算法四种定位相结合，实现自动驾驶汽车在各种道路上的高精度定位，让自动驾 驶汽车能够毫不费力地到达驾驶员想去的地方自动无人驾驶汽车无需驾驶员进行驾驶， 减少了驾驶员人员的体力脑力运动，使驾驶汽车变得更加舒适便捷2）更高效、更节能随着生活水平的提高和对高品质生活的不断追求，道路上的汽车数量在不断增加，导 致道路上的交通拥堵越来越严重。
根据调查统计信息可知,每年在美国,因为交通拥堵造成 的经济损失约 872 亿美元,浪费时间长达 42 小时的时间（在美国每年由于交通延误要浪费 美国一周时间）,约 28 亿加仑（106 亿公升）的汽车燃料的额外消费（所有在美国汽车三周需 要消耗燃料）然而，自动驾驶汽车可以解决这个问题，避免如此严重的车辆拥堵，因为它们可以自动选择最佳的驾驶路线，从而大大减少交通拥堵现象1.2无人驾驶系统设计意义随着通信技术、计算机技术、人工智能技术等高新技术的迅速发展，国际上研究设计 的开发水平速度的提高是我们可以亲眼目睹的在中国开展智能车系统的研究，具有的意 义是非常重要的具体的意义有以下四点：（1）智能汽车系统的研究中有了新的突破，解决了许多关于理论和技术基础上出现的各 种难题，使中国汽车在工业整体上跃上一个新的台阶；（2）“智能汽车”研究水平在不断地提高和改善从开始的零起点，经过我国一些研究 人员不懈努力和奋斗，目前我国智能汽车技术已经与国际先进技术水平的差距越来越小；（3）新一代高新技术“自动无人驾驶汽车 ”不但在国际上拥有一定的地位，而且对我国 智能运输系统的发展具有很大的促进作用4）智能汽车研究队伍和研究基地在中国被建立起来，这是一件具有十分重要意义的事 情。
第二章 无人驾驶系统介绍2.1自动无人驾驶系统基于北斗导航和5G通信系统的背景知识自动无人驾驶系统是一个多功能的综合系统本设计选用具有高性能芯片和多种传感 器，这些传感器各具特点，发挥着不同的作用在基于北斗导航系统和 5G 通信技术设计 的自动无人驾驶系统中，北斗卫星导航的精确定位和智能导航功能是汽车行驶到预定目的 地的基本条件，而 5G 通信具有更快的传输速度和更高的实时性能车载传感器的主要功 能是对车数据进行全面采集,实现对汽车外部环境条件的识别计算机控制系统的任务是 对大量数据的分析和处理,并在控制器的作用下实现环境意识、智能决策、协调控制、自 动巡航、停车和其他自动驾驶的功能2.2系统的控制对象（1）STM32MP1 芯片：系统的控制核心，相比于其他型号的芯片，它的优点：可靠性高， 抗干扰能力强，工作频率可保障系统的实时性2）北斗卫星导航定位模块：不但可以准确导航，而且定位也很精确3）外界 GPS 模块：它的定位范围是整个地球且具有实时性，车辆定位，行驶路线监控 等功能都由导航系统来提供4）5G 通信模块：相比于其他的无线通信其传输速度更快，可靠性更高5）雷达感受器：雷达感受器的原理是多普勒效应原理。
其显著特点是灵敏度高，穿透 能力强，能穿透非金属物质因此，它不受空气中漂浮的灰尘等微小颗粒的影响，也不随 温度和环境的变化而变化此外，该雷达感受器还具有空间感应范围广、距离远的特点 采用的天线为平面天线，安装方便，抗干扰能力强，能有效抑制高次谐波及其它杂波的干 扰6）激光测距仪：可检测固定和移动目标的物体位置体积小、质量轻、测量操作简单 且速度快，最关键的是测出目标位置的距离精确7）加速计：测量车辆的运动速度、加速度和方向，协助进行车辆的定位8）电能计量模块：具有对电源电量实时监控的功能，在需要充电时，及时进行智能充 电第三章 系统总体方案及思路3.1 系统总体结构本次设计是一款基于北斗卫星导航和 5G 通信系统的自动无人驾驶汽车自动无人驾驶汽车核心流程图如图3-1 所示，4弐的人m也代看■ 佶思塩人车从属关羞比变纹手址与非首字址唐Jt井存 •直：±flc址自克可圭动生战皆且 馆息可鶴立建与人艾同有有于丰中将亶饨人辛丛用羔乐熬变.扎车可-§aa立 旺车同町泊立帘总刘熒注辭幽:A.k车.札层免廉:及交 載垢.缝法.人工刃泄用用■& 述上號下冋步淇功 岑螯环厦与非智能环境井.书图 3-1 无人驾驶汽车核心框架图定位系统以北斗导航为基础，以惯性定位、超宽带无线定位和视觉距离算法定位为辅， 一共四种定位方式相融合，实现车辆的高精度定位。
利用各种雷达和摄像设备采集车辆内 外环境信息，通过车辆联网技术将车辆运行数据发送到交通系统中央处理单元(CPU)选择 5G通信模块实现智能交通系统中车辆之间的互联通过计算机控制系统对车辆获得的信息 进行分析处理，计算出最佳行驶路线计算机控制系统控制着自动驾驶汽车的行驶速度和 方向同时，电能计量模块可以实时监测电动汽车的电量，使电动汽车能够及时智能充电自动无人驾驶系统主要包括:环境感知系统、智能决策系统、高精度区域定位导航系 统、轨迹规划系统和自适应巡航系统环境感知系统 ,不仅实现检测路边基础设施、传感 器校准,障碍检测、交通标志、交通信号灯、道路周围检查和车辆检测还有理解能力,根据 它们的颜色,颜色有红色,绿色和黄色,也可以根据图案的形状，交通标志形状有三角形,正 方形和圆形在遵守交通规则的前提下，理解道路上的交通灯、交通标志和车道线是自动 驾驶汽车安全行驶到目的地的必要条件智能决策系统是为在危险的交通条件或复杂的驾 驶环境下提供决策和解决方案而准备的，避免给车辆错误的方案使车辆碰撞到障碍物高 精度的区域定位导航系统可以为车辆的行驶提供准确的定位和正确的引导方向，使当前行 驶的无人驾驶汽车在正确的方向上以稳定的速度行驶。
轨迹规划系统首先进行空间建模， 对二维、三维或更高维物理空间建模，然后通过“模型图”比较各种复杂算法的路径，最 终找到最佳路径自适应巡航系统不断地完善，增加了启停功能、自动换道功能，同时它 还适用于高速跟车控制3.2 控制机构自动无人驾驶汽车的控制机构采用freescale16位单片机MC9S12DG128B在Code Warrior软件平台上完成了计算机控制系统的设计选择的编程语言是C语言和汇编语言 提供了电池检测模块、车辆故障诊断模块、路径识别模块3.3 控制规律系统采用了三种控制算法，有经典的PID控制算法、模糊控制算法和改进的模糊控制 算法，它们之间相互融合，有效避免了它们各自的不足，起到取长补短的效果在技术上， PID 控制算法比模糊控制要成熟，它的结构不仅简单，参数的调整也比较容易，而模糊控 制比经典的 PID 控制速度更快，改进的模糊控制算法比 PID 控制和模糊控制算法效果更明 显3.4系统各模块的主要功能（1） 控制核心模块：采用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对信号的处理和输出功能，（2） 感知系统模块：功能是对车辆自身内部环环境以及车辆周围外部环境的感知，外 部环境的感知主要有障碍物识别、障碍物跟踪、车道线检测、交通标志识别、交通信号 灯识别、行人检测、车辆检测。
3） 无线通信模块：利用无线通信网络功能传输车辆行驶路线到智能交通系统；（4） 高精度道路导航模块：该模块主要采用的是超宽带无线定位，进行车道级和地理 位置信息数据检测，它的精度可达到厘米级，使导航的方向更正确，汽车行驶的速度更 稳定5） 北斗卫星导航模块：功能是进行车辆导航信息的接收和处理，获得更高精度信号 信息，（6） 路径识别模块：功能是对汽车车辆的行驶数据进行采集和保存，采集的数据包括 车辆的运动速度、加速度、方向等7） 电源监控模块：功能是对电量进行管理，实时检测，以防自动无人驾驶汽车在行 驶过程中出现缺电情况3.5 系统的开发平台该系统的软件开发平台是建立在Metrowerks公司的Code Warrior for S12上的,Code Warrior主要针对的软件工具是属于Free scale范围内的嵌入式应用的MCU与DSP,而Code Warrior for s12主要针对的嵌入式应用软件包是以HC12或S12为CPU的单片机其中包 括处理器专家库、连接器、集成开发环境IDE、可视化参数显示工具、C交叉编程器项目、 工程管理器以及汇编 器等3.6 系统的主要特色自动无人驾驶汽车控制系统的设计是以北斗卫星导航系统和 5g 通信系统为基础而设 计的,北斗卫星导航系统是一种借助卫星实现定位,通过北斗卫星定位系统在地球表面实 时修复汽车位置从而获得车辆的当前准确位置的信息。
现在的北斗卫星定位技术更加成熟, 使用方法简单,能够确定自动无人驾驶汽车车辆的经纬度,精度可达 10 米但是使用卫 星定位具有不确定性,因为在传输过程中,卫星信号容易受到高障碍物的阻挡,卫星信号 会减弱甚至消失,将会使北斗卫星导航系统的定位不准确因此,仅使用北斗卫星导航系 统进行位置定位是不可靠的自动驾驶汽车的导航定位系统还采用了惯性定位、机器视觉 里程算法和超宽带定位惯性定位方法是通过陀螺仪和加速度计将运动物体的运动状态随 时间积分,然后计算出运动速度、运动姿态和物体的位置等信息惯性定位的独立性强, 不需要依赖卫星、基站等建设成本低,并能实现高精度的方位输出惯性定位方法是通 过陀螺仪和加速计将正在运动物体的运动状态对时间进行积分,解算出物体的运动速度、 运动姿态和所在位置等信息但由于车辆在行驶过程中的偏差和抖动,惯性定位的积分误 差会随着时间的增加而积累,导致自动无人驾驶车辆的定位信息偏差越来越大当卫星信 号极弱或消失时,惯性定位可以实现飞行器。