謝 夢(mèng)，郭佳琪，盛國(guó)良，童其祥，金 蓉

南京工程學(xué)院，江蘇 南京 210000

0 引言

隨著我國(guó)教育事業(yè)的迅猛發(fā)展，各大高校招生規(guī)模越來(lái)越大，高校占地面積也隨之急劇增大。校區(qū)內(nèi)各功能區(qū)域的間距都比較大，在各區(qū)域間步行所用的時(shí)間很長(zhǎng)。這就給學(xué)生、老師（特別是一些老教師）的生活、學(xué)習(xí)、出行帶來(lái)了一些不便。在這種情況下，校園內(nèi)“通勤車”的需求變得越來(lái)越迫切。本論文提出一款基于GPS與單軸陀螺儀導(dǎo)航技術(shù)的自助式無(wú)人駕駛電動(dòng)小車基本能夠解決這個(gè)問(wèn)題。本論文從人性化的設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)自助通勤車。當(dāng)乘客上車后并在觸摸屏上選擇目的地后，通勤車給出幾條路徑供乘客選擇并將乘客送到目的地，到達(dá)目的地后控制系統(tǒng)進(jìn)行語(yǔ)音提示。

本論文設(shè)計(jì)的自助通勤車采用GPS與單軸導(dǎo)航技術(shù)，無(wú)人駕駛。GPS導(dǎo)航技術(shù)是近年來(lái)運(yùn)用和發(fā)展最快的技術(shù)之一，廣泛用于軍事、航空航天、汽車等各個(gè)領(lǐng)域。它具有全球、全天候工作，定位精度高等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由車輛調(diào)度系統(tǒng)與車輛控制系統(tǒng)兩大部分組成，車輛調(diào)度系統(tǒng)是基站為固定站，車輛控制系統(tǒng)是車載活動(dòng)站。通常民用GPS的定位精度為10米，以這種精度是無(wú)法作為無(wú)人駕駛導(dǎo)航的信號(hào)，另外在一些校園或景區(qū)的道路上有可能會(huì)因?yàn)闃?shù)陰或高層建筑而變成GPS信號(hào)盲區(qū)，無(wú)法正常接收GPS信號(hào)，為了提高GPS定位系統(tǒng)的信號(hào)實(shí)時(shí)可靠，系統(tǒng)采用雙GPS接收信號(hào)，抵消掉GPS的信號(hào)漂移。另外安裝在車輛上單軸陀螺儀與編碼器對(duì)車輛與基站的方位與距離進(jìn)行檢測(cè)，為車輛在GPS盲區(qū)進(jìn)行定位與導(dǎo)航?；九c通勤之間由無(wú)線的方式進(jìn)行通訊，在道路與建筑物上安裝無(wú)線節(jié)點(diǎn)，使得基站與通勤車都處于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋中。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 自助通勤車系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 自助通勤車控制器設(shè)計(jì)

基站主要由計(jì)算機(jī)組成，在計(jì)算機(jī)串行通訊接口上安裝了ZigBee模塊和GPS接收機(jī)，并將基站天線與GPS天線安裝在室外。

自助通勤車的控制系統(tǒng)由ST公司的ARM——STM32F103VET6為核心，主頻為72MHz，片內(nèi)512KB Flash，內(nèi)置五個(gè)高速串行通訊接口，并通過(guò)FSMC高速前端總線控制顯示專用ASIC驅(qū)動(dòng)TFT全彩液晶屏，內(nèi)置兩個(gè)SPI接口，觸摸屏安裝在SPI接口上。自助通勤車控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 自助通勤車控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制器采用模塊化設(shè)計(jì)方式，將位置檢測(cè)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為單獨(dú)功能模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)計(jì)通訊協(xié)議完成對(duì)位置信號(hào)的檢測(cè)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)。同時(shí)通過(guò)ZigBee模塊將通勤車的狀態(tài)發(fā)送到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中。并可以接受來(lái)自基站的控制指令。

2.2 位置檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

圖3 位置檢測(cè)裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

位置檢測(cè)原理：

位置檢測(cè)的原理是利用MEMS單軸陀螺儀測(cè)量車輛的偏航角，利用編碼器測(cè)量車輛的里程，采用極坐標(biāo)的方式計(jì)算小車當(dāng)前的位置，由于采用民用級(jí)MEMS單軸陀螺儀，其精度不高，在導(dǎo)航過(guò)程中積累誤差較大，所以只能作為短距離導(dǎo)航。所以適合在GPS信號(hào)不足的情況下作為一種替代的方式進(jìn)行導(dǎo)航。位置檢測(cè)裝置系統(tǒng)如圖3所示。

單軸陀螺儀選用ADI公司的ADXRS300，該陀螺儀的精度為1度，通過(guò)對(duì)ADXRS300的信號(hào)進(jìn)行積分算出其偏角，因此需要將ADXRS300安裝在車輛的質(zhì)心上，如圖4所示。編碼器則安裝在通勤車的后輪上，通過(guò)對(duì)兩后輪的位移差檢測(cè)得出通勤車的實(shí)際先進(jìn)距離。

圖4 單軸陀螺儀位置檢測(cè)示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的通勤控制系統(tǒng)是分布式控制系統(tǒng)，每個(gè)功能模塊相互獨(dú)立，同時(shí)又可進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交換，降低了單個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算載荷并提高整個(gè)系統(tǒng)的速度與精度。根據(jù)系統(tǒng)的分布，系統(tǒng)中各單元的功能劃分如圖5所示。

3.1 調(diào)度系統(tǒng)

調(diào)度系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)上通過(guò)桌面設(shè)計(jì)軟件編寫(xiě)的，調(diào)度系統(tǒng)的任務(wù)包括通訊管理、車輛管理和任務(wù)管理。通訊管理負(fù)責(zé)與車載系統(tǒng)的通訊，車輛管理負(fù)責(zé)監(jiān)控通勤車的狀態(tài)，任務(wù)管理負(fù)責(zé)分配通勤車的任務(wù)。

3.2 車載控制系統(tǒng)

車載控制系統(tǒng)中位置檢測(cè)裝置將導(dǎo)引信息中GPS信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，并與預(yù)設(shè)的地圖信息進(jìn)行對(duì)比，并以此選擇行駛路徑。當(dāng)通勤車處于GPS信號(hào)盲區(qū)時(shí)，將切換至陀螺儀的導(dǎo)航，通過(guò)對(duì)編碼器的計(jì)算得出的極徑l，對(duì)陀螺儀的信號(hào)進(jìn)行積分得出極角a，通過(guò)式（1）的計(jì)算由極坐標(biāo)系換算成x,y坐標(biāo)系，此信號(hào)為增量信號(hào)，當(dāng)GPS信號(hào)正常時(shí)切回GPS導(dǎo)航模式。

通勤車控制器根據(jù)GPS信號(hào)強(qiáng)度選擇GPS導(dǎo)航或陀螺儀導(dǎo)航，通勤車的位置信息實(shí)時(shí)修改路徑信息并進(jìn)行路徑搜索形成行走段表同時(shí)結(jié)合障礙檢測(cè)產(chǎn)生對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的行走控制與轉(zhuǎn)向控制。對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，對(duì)于每個(gè)行走與轉(zhuǎn)向任務(wù)都相應(yīng)分配啟停控制與加減速控制。

圖5 通勤車控制系統(tǒng)軟件功能

4 結(jié)論

通過(guò)設(shè)計(jì)與樣機(jī)驗(yàn)證，用分布式系統(tǒng)將通勤車載控制系統(tǒng)按主要功能分成了通勤車控制器、位置檢測(cè)裝置和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。提出了一種通勤車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。