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無人駕駛系統在世界很多城市的軌道交通建設中得到廣泛的運用。哥本哈根、新加坡、紐倫堡等已經投入使用運營。另外，還有如巴黎、馬賽、柏林等城市正在考慮將傳統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在現代交通中具有減少乘務人員、縮短行車間隔、高可靠性、自動轉向控制等優點。 本文主要研究無人駕駛車輛的自動行駛控制方法。 1 系統設計 本系統主要由監控中心和無人駕駛車輛終端構成，如圖1所示，而無人駕駛車輛終端又包含GPS，GIS，GPRS等部分： (1)GPS(Global Positioning System，全球定位系統)是利用24顆人造衛星組成的衛星網，可以向地球不斷發射定位及時間信號。地球上的任何一個GPS接收機，只要接收到4顆以上的衛星信號，經過計算處理后就可報出GPS接收機的位置(經度、緯度、高度)、時間和運動狀態(速度、航向)。本系統采用GPS是為了使車輛在行駛過程中能夠準確顯示自己的位置。 (2)GIS(Geography Information System，地理信息系統)是在計算機硬件、軟件系統支持下，對整個或部分地球表層空間的有關地理分布數據進行采集、存儲、管理、運算、分析和可視化表達的信息處理和管理系統。在本系統中，他與GPS模塊相結合，以地理空間數據為基礎，在計算機系統中提供動態的電子地圖，可以實時將交通信息通過GIS界面友好地顯示給用戶。 (3)GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無限業務)是在GSM((Global System)全球移動通信系統的網絡基礎上疊加的一個專業的高速數據通信網絡，共用GSM頻率(900／1 800 MHz)。共享GSM網絡絕大部分基礎設施。可以接人基于TCP／IP的外部網絡，具備了Internet所能提供的一切功能。本系統采用GPRS作為車載終端與監控端無線通信橋梁，主要是考慮到他有資源利用率高、傳輸速率高、接人時間短、網絡覆蓋面廣等幾個優勢。 (4)射頻識別讀卡器。射頻識別技術在交通系統一般用于高速公路站上不停車收費，車牌自動識別或者停車場定時收費等。這些系統是將標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，利用射頻模塊中讀寫器來進行一定范圍內的射頻識別。射頻識別模塊通過裝有標的車輛接近傳感器來判別是否有車輛通過。識別模塊在一定區域內產生微波信號，當車輛進入該識別區域時，就能激活標簽。標簽將數據反射給識別模塊，射頻讀寫器完成數據讀取。 2 車輛終端硬件構成 車輛終端由GPS接收模塊、GPRS接收設備、主控制模強、讀卡器模塊、顯示模塊和輸入操作模塊構成，系統框架如圖2所示。 (1)自主懸掛式獨軌車體上裝有嵌入式控制系統，主要用于對整個車輛的控制以及各個模塊之間的調度。主控制模塊芯片采用了飛利浦公司生產的LPC2000 系列處理器，該系列產品是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，并帶有0／128／256kB嵌入的高速片內FLASH存儲器。片內128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使得32位代碼規模降低超過30％，而性能的損失卻很小。 通過在該系列處理器芯片的基礎上擴展一系列完整的通用外圍器件，使系統硬件成本降到最低，并且根據設計需要再進行裁減，就能為本車載系統提供一個低功耗、低成本、高性能的方案。 (2)該系統以GPRS無線傳輸方式與因特網保持連接，與軌道交通信息網站交換數據。本系統采用了BenQ公司生產的M22模塊，他符合ETSIGSM phase 2+標準和 AT指令集，支持GSM語音數據傳真短消息和GPRS數據傳輸。 (3)顯示模塊主要是用來顯示車輛行駛狀態，包括地理信息位置，路徑采集情況等。本系統采用TFT6758液晶顯示模塊，工作電壓為3.3 V，內帶白光LED背光燈。由于液晶模塊內部包含了HD66781和HD66783液晶控制驅動，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。 (4)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模塊用來對車輛進行定位。本系統采用M12定位模塊，Motorola公司生產的導航設備，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 汽車定位和調度系統中應用廣泛。 3 終端軟件部分程序設計 本系統由于使用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。μC／OS-Ⅱ是一個完整的、可移植、可固化、可剪裁的占先式實時多任務內核。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的微處理器使用。μC／OS-Ⅱ可以管理64個任務，具有信號量、互斥信號量、事件標志組、消息郵箱、消息隊列、任務管理、時間管理和內存塊管理等功能。 μC／OS-Ⅱ軟件體系結構有3部分： (1)μC／OS-Ⅱ核心代碼：包括10個C程序文件和1個頭文件，主要實現系統調度、任務管理、內存管理、信號量、消息郵箱和消息隊列等系統功能。此部分與處理器性能無關。 (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。該部分與用戶實際應用相關。 (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。 在本系統中首先要進行系統移植，才能進行程序的調用。移植滿足了以下要求： (1)處理器的C編譯器能產生可重入型代碼； (2)處理器支持中斷，并且能產生定時中斷(10～100 Hz)； (3)用C語言可以開／關中斷； (4)處理器能支持一定數量的數據存儲硬件堆棧(可能是幾kB)； (5)處理器有將堆棧指針以及其他CPU寄存器的內容讀出并保存到堆棧或者內存中去的指令。 本系統軟件程序主要分為3個部分：輸入部分、控制部分和輸出部分。下面分別進行介紹。 輸入設備主要包括鍵盤、射頻識別讀卡器，以及構成輸入設備的接收系統：GPS／GIS接收器和GPRS模塊等。在車輛的行駛過程中，射頻識別模塊負責正確接收路況信息，鍵盤負責等待用戶接收車上用戶指令，GPRS模塊負責接收遠程工作站的數據信息，該模塊在啟動后主要是負責與工作站取得聯系，進行信息交流，并且不斷更新系統內部分路徑信息，方便車輛能夠及時轉向。GPS和GIS模塊則主要負責使系統能夠接收到車輛目前的準確位置。 輸出設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要求輸出相應的高低電平來提供轉向所需要的電壓。實現原理是通過從標簽獲得數據信息使得系統產生高低電平，同時，系統必須將GPS模塊和GPRS模塊提供的數據通過人機界面顯示在屏幕上使得用戶能夠實時地看到車輛的信息，包括前方路況、車輛位置等。 控制部分是本系統的關鍵，流程圖見圖3。 控制部分的流程是這樣的：首先將操作系統下載到目標板，目標板初始化，并且設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行。中斷優先級的排序是讀卡器優先級最高，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。當車輛啟動后，各模塊也隨之運行，系統程序將轉入查詢狀態，通過不斷掃描UART端口判斷是否有標簽進入識別區域。若進入標簽識別區域，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，系統轉人中斷子程序。在中斷子程序中，系統會向GPIO端口提供相應的高低電平作為輸出信號來實現轉向。GPRS是隨著車輛啟動后就立即啟動的，這是因為他必須不斷更新監控中心提供的路徑信息來保證車輛的正常行駛。當車輛停止時會發出電平信號，此時，系統轉入等待狀態，屏幕顯示操作界面，等待用戶進行下一步操作。 4 結 語 本方案經過測試仿真表明，自主轉向懸掛式獨軌車載在距離標簽10 m內能夠以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網絡與遠端網絡監控站實時通信，進行數據交換。同時，系統能夠作出判斷，發出控制信號。根據測試，該系統穩定性高，實時性強，如果能應用到實際中，使用戶和工作站能夠了解車輛的工作狀態，對減少交通事故有很大的意義。 |
