智能汽车的总体设计

智能汽车控制系统的总体设计

随着汽车数量的增多，汽车带来的环境和安全问题也越来越突出城市交通拥挤现象越来越严重，交通事故发生的频次迅速增加据不完全统计，全世界每年有50 多万人死于车祸，1300多万人受伤。近年来，中国汽车产业高速发展，中国每年因交通事故死亡的人数更是居全世界之首，财产损失高达数十亿元，道路交通问题成为当前需要解决的重要社会问题之一。

对交通事故的分析表明，80%以上的车祸是由于驾驶员的失误造成的，超过65%的车辆属于追尾相撞。如果所有的车辆都为智能车辆，防碰撞系统就能实时控制好与其他车辆的距离，在遇到障碍时及时地减速或刹车，则能够有效地避免交通事故的发生。此外，由于智能车辆带有路况信息采集系统，可以由交通控制中心实时提供前方的路况信息，如堵车事故施工等，这就可以提前规划路径，有效地改善城市交通拥挤的状况。

美国人最先开始组织实施智能车辆先导计划, 欧洲提出公路安全行动计划,日本提出超级智能车辆系统。我国科技部则于2002年正式启动了“十五”科技攻关计划重大项目 ,智能交通系统关键技术开发和示范工程,其中一个重要的内容就是进行车辆安全和辅助驾驶的研究。

1智能车辆的概述

智能车辆又称为无人驾驶汽车，属于轮式移动机器人的一种，是一个集环境感知路径规划自动驾驶等多功能于一体的综合系统智能汽车技术将许多领域联系在一起，如计算机科学、人工智能图像处理模式识别和控制理论等。智能车辆是智能交通系统的重要构成部分,其研究的主要目的在于降低日趋严重的交通事故发生率,提高现有道路交通的效率,在某种程度上缓解能源消耗和环境污染等问题。

车辆利用各种传感技术获取车体自身和车外环境的状态信息,经过智能算法对其进行分析、融合处理,将最终的决策结果传递给驾驶者,在危险发生之前,提醒驾驶员做出必要的回避动作,避免事故发生;在紧急状况下,驾驶者无法做出反应

时,智能车辆则自主完成规避危险任务,帮助驾驶人员避免危险发生。

智能汽车与一般所说的自动驾驶有所不同，它更多指的是利用GPS 和智能公路技术实现的汽车自动驾驶这种汽车不需要人去驾驶，因为它装有相当于人的眼睛大脑和脚的电视摄像机电子计算机和自动操纵系统之类的装置，这些装置都装有非常复杂的电脑程序，所以这种汽车能够模拟人来进行刑事，简单的如自动刹车或者加速，复杂的可以自行通过识别来绕过地面障碍物。在复杂多变的情况下，能随机应变，自动选择最佳方案，指挥汽车正常顺利地行驶。

2智能车辆控制的总体设计

2.1系统总体结构

智能汽车控制系统需要具备敏捷的速度对路况远而清晰的前瞻以及较高的灵敏度与稳定性智能汽车的硬件系统由核心控制模块(MCU)、电源管理模块摄像头模块存储器模块电机驱动模块舵机驱动模块，如图 1 所示。

电源管理模块：为系统各模块可靠供电，实时显示电池电压，电平转换并提供稳压输出。

核心控制模块：以飞思卡尔16位单片机为核心控制器，完成传感器信息的

分析处理，决策直流电机及伺服舵机的控制。

电机驱动模块：利用PWM电路对直流电机的转速和方向进行控制。

传感器模块：包括摄像头速度传感器和加速度传感器，其中速度传感器部分又包括旋转编码器和鉴相电路它们将前方路径信息车体速度信息和三轴加速度信息采集，并反馈给控制器。

舵机驱动模块：根据控制器输出PWM信号进行伺服舵机的角度控制。

储器模块：利用SPI型EEPROM，为单片机提供充足的片外存储空间，便于常用数据指令的存储和功能扩充。

2. 系统工作原理

智能汽车系统的工作原理是预瞄理论和闭环控制理论的典型体现，如图 2 所示。智能汽车系统通过摄像头来检测前方的赛道信息，并将赛道信息发送给单片机，单片机根据预知的赛道情况给出设定值相对应的，系统通过编码器和加速度传感器构成的反馈渠道将车体的行驶速度及加速度信息传送给主控单片机根据所取得的赛道信息和车体当前的速度及加速度信息，主控单片机做出决策，并通过PWM信号控制直流电机和舵机进行相应动作，从而实现车体的转向控制和速度控制。

3控制系统硬件设计

3.1核心模块设计

核心控制模块，也即单片机最小系统，是智能汽车硬件系统的控制核心基于模块化设计的思想，这里专门设计了单片机子板，以便于维护和更新参考数据手册，对单片机精心布置了电容磁珠等器件，高质量的实现了去耦旁路与隔离等作用，保证了其稳定性能最小系统框图如图3 所示。

图3

3.2电源管理模块

电源管理模块是整个系统可靠运行的基础，系统各部分要稳定工作就必须以充足而稳定的电源供给为保障本硬件电路系统分为多个功能模块，不同模块工作电压不同，消耗电流也不同，这就意味着必须对各模块供电需求进行认真分析，并针对不同需求提供合理的供电方案。具体方案如图4

图4硬件系统供电分析图

3.3电机驱动模块

电机驱动模块为智能汽车的行驶提供动力，它的性能直接影响到后轮电机的控制性能，加速减速与制动等性能本文采用MOSFET驱动芯片加全桥驱动方案，只需合理的选择MOSFET驱动芯片和功率MOSFET以保证性能即可电路图

如图5所示。

图5 H桥电机驱动电路图

3.4舵机驱动模块

舵机负责智能汽车的转向，舵机模块能否稳定工作直接影响到智能汽车在赛道上高速行驶时的稳定性以及转向时的灵敏度和精确度舵机工作原理为：舵盘角位由单片机发出的PWM控制信号的脉宽决定，舵机内部电路通过反馈控制调节舵盘角位由于自身即为角度闭环控制，而且性能较好，故系统中就不必考虑外加舵机闭环舵机驱动模块电路如图6所示舵机驱动模块同样属于功率部分，用6N137 光耦进行信号隔离。

图6 舵机驱动接口

3.5传感器模块

随着汽车电子化发展，自动化越高，对传感器的依赖程度也就越大。汽车用传感器的种类多样化和使用数量的增加，使得传感器朝着多功能化、集成化、智能化和微型化方向发展。这些将使未来的智能化集成传感器不仅能提供用于模拟和处理的信号，而且还能对信号作放大等处理；同时它还能自动进行时漂、温漂和非线性的自校正，具有较强的抵抗外部电磁干扰的能力，保证传感器信号的质量不受影响，即使在特别严酷的使用条件下仍能保持较高的精度；另外，它还具有结构紧凑、安装方便的优点，从而免受机械特性的影响。

参考文献

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[5]龙志军，李斌健，李渊，智能汽车控制系统整体设计研究2010