無人駕駛系統(tǒng)在世界很多城市的軌道交通建設(shè)中得到廣泛的運(yùn)用。哥本哈根、新加坡、紐倫堡等已經(jīng)投入使用運(yùn)營。另外，還有如巴黎、馬賽、柏林等城市正在考慮將傳統(tǒng)的地鐵改造成為全自動無人駕駛的軌道交通。這是由于無人駕駛車輛系統(tǒng)在現(xiàn)代交通中具有減少乘務(wù)人員、縮短行車間隔、高可靠性、自動轉(zhuǎn)向控制等優(yōu)點(diǎn)。
本文主要研究無人駕駛車輛的自動行駛控制方法。
1 系統(tǒng)設(shè)計
本系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心和無人駕駛車輛終端構(gòu)成，如圖1所示，而無人駕駛車輛終端又包含GPS，GIS，GPRS等部分：
?。?）GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）是利用24顆人造衛(wèi)星組成的衛(wèi)星網(wǎng)，可以向地球不斷發(fā)射定位及時間信號。地球上的任何一個GPS接收機(jī)，只要接收到4顆以上的衛(wèi)星信號，經(jīng)過計算處理后就可報出GPS接收機(jī)的位置（經(jīng)度、緯度、高度）、時間和運(yùn)動狀態(tài)（速度、航向）。本系統(tǒng)采用GPS是為了使車輛在行駛過程中能夠準(zhǔn)確顯示自己的位置。
（2）GIS（Geography Information System，地理信息系統(tǒng)）是在計算機(jī)硬件、軟件系統(tǒng)支持下，對整個或部分地球表層空間的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、管理、運(yùn)算、分析和可視化表達(dá)的信息處理和管理系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，他與GPS模塊相結(jié)合，以地理空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計算機(jī)系統(tǒng)中提供動態(tài)的電子地圖，可以實(shí)時將交通信息通過GIS界面友好地顯示給用戶。
?。?）GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無限業(yè)務(wù)）是在GSM（（Global System）全球移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上疊加的一個專業(yè)的高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，共用GSM頻率（900／1 800 MHz）。共享GSM網(wǎng)絡(luò)絕大部分基礎(chǔ)設(shè)施?？梢越尤嘶赥CP／IP的外部網(wǎng)絡(luò)，具備了Internet所能提供的一切功能。本系統(tǒng)采用GPRS作為車載終端與監(jiān)控端無線通信橋梁，主要是考慮到他有資源利用率高、傳輸速率高、接人時間短、網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣等幾個優(yōu)勢。
?。?）射頻識別讀卡器。射頻識別技術(shù)在交通系統(tǒng)一般用于高速公路站上不停車收費(fèi)，車牌自動識別或者停車場定時收費(fèi)等。這些系統(tǒng)是將標(biāo)簽放置在車載終端上，在地面上安裝天線、射頻模塊和計算機(jī)，利用射頻模塊中讀寫器來進(jìn)行一定范圍內(nèi)的射頻識別。射頻識別模塊通過裝有標(biāo)的車輛接近傳感器來判別是否有車輛通過。識別模塊在一定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生微波信號，當(dāng)車輛進(jìn)入該識別區(qū)域時，就能激活標(biāo)簽。標(biāo)簽將數(shù)據(jù)反射給識別模塊，射頻讀寫器完成數(shù)據(jù)讀取。
2 車輛終端硬件構(gòu)成
車輛終端由GPS接收模塊、GPRS接收設(shè)備、主控制模強(qiáng)、讀卡器模塊、顯示模塊和輸入操作模塊構(gòu)成，系統(tǒng)框架如圖2所示。
（1）自主懸掛式獨(dú)軌車體上裝有嵌入式控制系統(tǒng)，主要用于對整個車輛的控制以及各個模塊之間的調(diào)度。主控制模塊芯片采用了飛利浦公司生產(chǎn)的LPC2000 系列處理器，該系列產(chǎn)品是基于一個支持實(shí)時仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，并帶有0／128／256kB嵌入的高速片內(nèi)FLASH存儲器。片內(nèi)128位寬度的存儲器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使得32位代碼規(guī)模降低超過30％，而性能的損失卻很小。
通過在該系列處理器芯片的基礎(chǔ)上擴(kuò)展一系列完整的通用外圍器件，使系統(tǒng)硬件成本降到最低，并且根據(jù)設(shè)計需要再進(jìn)行裁減，就能為本車載系統(tǒng)提供一個低功耗、低成本、高性能的方案。
（2）該系統(tǒng)以GPRS無線傳輸方式與因特網(wǎng)保持連接，與軌道交通信息網(wǎng)站交換數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用了BenQ公司生產(chǎn)的M22模塊，他符合ETSIGSM phase 2+標(biāo)準(zhǔn)和 AT指令集，支持GSM語音數(shù)據(jù)傳真短消息和GPRS數(shù)據(jù)傳輸。
?。?）顯示模塊主要是用來顯示車輛行駛狀態(tài)，包括地理信息位置，路徑采集情況等。本系統(tǒng)采用TFT6758液晶顯示模塊，工作電壓為3.3 V，內(nèi)帶白光LED背光燈。由于液晶模塊內(nèi)部包含了HD66781和HD66783液晶控制驅(qū)動，因此他可以直接使用8位、16位或者18位總線方式與控制器相連接。
?。?）輸入模塊功能是通過按鈕查閱通過讀卡器接收到終端的路徑信息。
?。?）GPS模塊用來對車輛進(jìn)行定位。本系統(tǒng)采用M12定位模塊，Motorola公司生產(chǎn)的導(dǎo)航設(shè)備，具有很低的功耗，支持RTCM （Radio Technical Commission forMaritime）格式的差分功能，采用NAEA0183格式輸出。該接收器在 汽車定位和調(diào)度系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。
無人駕駛系統(tǒng)在世界很多城市的軌道交通建設(shè)中得到廣泛的運(yùn)用。哥本哈根、新加坡、紐倫堡等已經(jīng)投入使用運(yùn)營。另外，還有如巴黎、馬賽、柏林等城市正在考慮將傳統(tǒng)的地鐵改造成為全自動無人駕駛的軌道交通。這是由于無人駕駛車輛系統(tǒng)在現(xiàn)代交通中具有減少乘務(wù)人員、縮短行車間隔、高可靠性、自動轉(zhuǎn)向控制等優(yōu)點(diǎn)。
本文主要研究無人駕駛車輛的自動行駛控制方法。
1 系統(tǒng)設(shè)計
本系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心和無人駕駛車輛終端構(gòu)成，如圖1所示，而無人駕駛車輛終端又包含GPS，GIS，GPRS等部分：
?。?）GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）是利用24顆人造衛(wèi)星組成的衛(wèi)星網(wǎng)，可以向地球不斷發(fā)射定位及時間信號。地球上的任何一個GPS接收機(jī)，只要接收到4顆以上的衛(wèi)星信號，經(jīng)過計算處理后就可報出GPS接收機(jī)的位置（經(jīng)度、緯度、高度）、時間和運(yùn)動狀態(tài)（速度、航向）。本系統(tǒng)采用GPS是為了使車輛在行駛過程中能夠準(zhǔn)確顯示自己的位置。
?。?）GIS（Geography Information System，地理信息系統(tǒng)）是在計算機(jī)硬件、軟件系統(tǒng)支持下，對整個或部分地球表層空間的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、管理、運(yùn)算、分析和可視化表達(dá)的信息處理和管理系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中，他與GPS模塊相結(jié)合，以地理空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計算機(jī)系統(tǒng)中提供動態(tài)的電子地圖，可以實(shí)時將交通信息通過GIS界面友好地顯示給用戶。
?。?）GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無限業(yè)務(wù)）是在GSM（（Global System）全球移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上疊加的一個專業(yè)的高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，共用GSM頻率（900／1 800 MHz）。共享GSM網(wǎng)絡(luò)絕大部分基礎(chǔ)設(shè)施。可以接人基于TCP／IP的外部網(wǎng)絡(luò)，具備了Internet所能提供的一切功能。本系統(tǒng)采用GPRS作為車載終端與監(jiān)控端無線通信橋梁，主要是考慮到他有資源利用率高、傳輸速率高、接人時間短、網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣等幾個優(yōu)勢。
?。?）射頻識別讀卡器。射頻識別技術(shù)在交通系統(tǒng)一般用于高速公路站上不停車收費(fèi)，車牌自動識別或者停車場定時收費(fèi)等。這些系統(tǒng)是將標(biāo)簽放置在車載終端上，在地面上安裝天線、射頻模塊和計算機(jī)，利用射頻模塊中讀寫器來進(jìn)行一定范圍內(nèi)的射頻識別。射頻識別模塊通過裝有標(biāo)的車輛接近傳感器來判別是否有車輛通過。識別模塊在一定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生微波信號，當(dāng)車輛進(jìn)入該識別區(qū)域時，就能激活標(biāo)簽。標(biāo)簽將數(shù)據(jù)反射給識別模塊，射頻讀寫器完成數(shù)據(jù)讀取。
2 車輛終端硬件構(gòu)成
車輛終端由GPS接收模塊、GPRS接收設(shè)備、主控制模強(qiáng)、讀卡器模塊、顯示模塊和輸入操作模塊構(gòu)成，系統(tǒng)框架如圖2所示。
?。?）自主懸掛式獨(dú)軌車體上裝有嵌入式控制系統(tǒng)，主要用于對整個車輛的控制以及各個模塊之間的調(diào)度。主控制模塊芯片采用了飛利浦公司生產(chǎn)的LPC2000 系列處理器，該系列產(chǎn)品是基于一個支持實(shí)時仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，并帶有0／128／256kB嵌入的高速片內(nèi)FLASH存儲器。片內(nèi)128位寬度的存儲器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使得32位代碼規(guī)模降低超過30％，而性能的損失卻很小。
通過在該系列處理器芯片的基礎(chǔ)上擴(kuò)展一系列完整的通用外圍器件，使系統(tǒng)硬件成本降到最低，并且根據(jù)設(shè)計需要再進(jìn)行裁減，就能為本車載系統(tǒng)提供一個低功耗、低成本、高性能的方案。
?。?）該系統(tǒng)以GPRS無線傳輸方式與因特網(wǎng)保持連接，與軌道交通信息網(wǎng)站交換數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用了BenQ公司生產(chǎn)的M22模塊，他符合ETSIGSM phase 2+標(biāo)準(zhǔn)和 AT指令集，支持GSM語音數(shù)據(jù)傳真短消息和GPRS數(shù)據(jù)傳輸。
（3）顯示模塊主要是用來顯示車輛行駛狀態(tài)，包括地理信息位置，路徑采集情況等。本系統(tǒng)采用TFT6758液晶顯示模塊，工作電壓為3.3 V，內(nèi)帶白光LED背光燈。由于液晶模塊內(nèi)部包含了HD66781和HD66783液晶控制驅(qū)動，因此他可以直接使用8位、16位或者18位總線方式與控制器相連接。
?。?）輸入模塊功能是通過按鈕查閱通過讀卡器接收到終端的路徑信息。
（5）GPS模塊用來對車輛進(jìn)行定位。本系統(tǒng)采用M12定位模塊，Motorola公司生產(chǎn)的導(dǎo)航設(shè)備，具有很低的功耗，支持RTCM （Radio Technical Commission forMaritime）格式的差分功能，采用NAEA0183格式輸出。該接收器在 汽車定位和調(diào)度系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。
3 終端軟件部分程序設(shè)計
本系統(tǒng)由于使用ARM7做主要控制器，考慮到資源的利用，采用μC／OS-Ⅱ來作為操作系統(tǒng)。μC／OS-Ⅱ是一個完整的、可移植、可固化、可剪裁的占先式實(shí)時多任務(wù)內(nèi)核。他用ANSI C語言編寫，包含一小部分匯編代碼，使之可以供不同架構(gòu)的微處理器使用。μC／OS-Ⅱ可以管理64個任務(wù)，具有信號量、互斥信號量、事件標(biāo)志組、消息郵箱、消息隊列、任務(wù)管理、時間管理和內(nèi)存塊管理等功能。
μC／OS-Ⅱ軟件體系結(jié)構(gòu)有3部分：
?。?）μC／OS-Ⅱ核心代碼：包括10個C程序文件和1個頭文件，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)度、任務(wù)管理、內(nèi)存管理、信號量、消息郵箱和消息隊列等系統(tǒng)功能。此部分與處理器性能無關(guān)。
（2）μC／OS-Ⅱ配置代碼：包括兩個頭文件，用于裁減和配置μC／OS-Ⅱ。該部分與用戶實(shí)際應(yīng)用相關(guān)。
（3）μC／OS-Ⅱ移植代碼：包括1個匯編文件、1個C程序文件和1個頭文件，這是移植μC／OS-Ⅱ所需要的代碼，與處理器無關(guān)。
在本系統(tǒng)中首先要進(jìn)行系統(tǒng)移植，才能進(jìn)行程序的調(diào)用。移植滿足了以下要求：
?。?）處理器的C編譯器能產(chǎn)生可重入型代碼；
（2）處理器支持中斷，并且能產(chǎn)生定時中斷（10～100 Hz）；
（3）用C語言可以開／關(guān)中斷；
?。?）處理器能支持一定數(shù)量的數(shù)據(jù)存儲硬件堆棧（可能是幾kB）；
?。?）處理器有將堆棧指針以及其他CPU寄存器的內(nèi)容讀出并保存到堆?；蛘邇?nèi)存中去的指令。
本系統(tǒng)軟件程序主要分為3個部分：輸入部分、控制部分和輸出部分。下面分別進(jìn)行介紹。
輸入設(shè)備主要包括鍵盤、射頻識別讀卡器，以及構(gòu)成輸入設(shè)備的接收系統(tǒng)：GPS／GIS接收器和GPRS模塊等。在車輛的行駛過程中，射頻識別模塊負(fù)責(zé)正確接收路況信息，鍵盤負(fù)責(zé)等待用戶接收車上用戶指令，GPRS模塊負(fù)責(zé)接收遠(yuǎn)程工作站的數(shù)據(jù)信息，該模塊在啟動后主要是負(fù)責(zé)與工作站取得聯(lián)系，進(jìn)行信息交流，并且不斷更新系統(tǒng)內(nèi)部分路徑信息，方便車輛能夠及時轉(zhuǎn)向。GPS和GIS模塊則主要負(fù)責(zé)使系統(tǒng)能夠接收到車輛目前的準(zhǔn)確位置。
輸出設(shè)備主要包括顯示屏等，通過顯示屏獲取車輛所在位置和路況信息等。他的主要作用在于根據(jù)要求輸出相應(yīng)的高低電平來提供轉(zhuǎn)向所需要的電壓。實(shí)現(xiàn)原理是通過從標(biāo)簽獲得數(shù)據(jù)信息使得系統(tǒng)產(chǎn)生高低電平，同時，系統(tǒng)必須將GPS模塊和GPRS模塊提供的數(shù)據(jù)通過人機(jī)界面顯示在屏幕上使得用戶能夠?qū)崟r地看到車輛的信息，包括前方路況、車輛位置等。
控制部分是本系統(tǒng)的關(guān)鍵，流程圖見圖3。
控制部分的流程是這樣的：首先將操作系統(tǒng)下載到目標(biāo)板，目標(biāo)板初始化，并且設(shè)置各個模塊的中斷向量來保證各個模塊啟動后能夠正確運(yùn)行。中斷優(yōu)先級的排序是讀卡器優(yōu)先級最高，其次是GPRS，最后是GPS。同時，顯示屏顯示操作界面，用戶可以輸入指令使得汽車啟動。當(dāng)車輛啟動后，各模塊也隨之運(yùn)行，系統(tǒng)程序?qū)⑥D(zhuǎn)入查詢狀態(tài)，通過不斷掃描UART端口判斷是否有標(biāo)簽進(jìn)入識別區(qū)域。若進(jìn)入標(biāo)簽識別區(qū)域，讀卡器就會接收到射頻模塊識別到的條碼信號，判斷信號正確后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)人中斷子程序。在中斷子程序中，系統(tǒng)會向GPIO端口提供相應(yīng)的高低電平作為輸出信號來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。GPRS是隨著車輛啟動后就立即啟動的，這是因?yàn)樗仨毑粩喔卤O(jiān)控中心提供的路徑信息來保證車輛的正常行駛。當(dāng)車輛停止時會發(fā)出電平信號，此時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入等待狀態(tài)，屏幕顯示操作界面，等待用戶進(jìn)行下一步操作。
4 結(jié) 語
本方案經(jīng)過測試仿真表明，自主轉(zhuǎn)向懸掛式獨(dú)軌車載在距離標(biāo)簽10 m內(nèi)能夠以915 MHz的頻率通過射頻模塊識別到前方軌道信息，而且能以115.2 kB／s的波特率與GPRS連接，然后接入GPRS網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)端網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控站實(shí)時通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。同時，系統(tǒng)能夠作出判斷，發(fā)出控制信號。根據(jù)測試，該系統(tǒng)穩(wěn)定性高，實(shí)時性強(qiáng)，如果能應(yīng)用到實(shí)際中，使用戶和工作站能夠了解車輛的工作狀態(tài)，對減少交通事故有很大的意義。