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
汽车360度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，
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，颜有红，绿和黄，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。