中图分类号:TN967.1;V249.3文献标识码:A文章编号:1009-2552(2011)02-0069-03基于惯性导航系统的车辆自动驾驶装置设计寇超1,陈志佳1,杨茂林1,倪蕾2(1.军械工程学院光学与电子工程系,石家庄050003;2.62541部队,北京100025)摘要:介绍了一种能够遥控和自主行驶的运动平台的设计方法。
该运动平台以惯性导航仪提供的坐标为基础,可以由上位机规划路径和障碍,通过蓝牙模块将路径信息传递给自动驾驶控制器,自动驾驶控制器按照导航路径和惯性导航仪给出的实时坐标解算控制量,完成对运动平台的模糊控制,使运动平台按照指定路径前进。
关键词:惯性导航;自动驾驶;路径规划;路径跟踪Design of vehicle auto m atic driving device base d oni nerti al navigation syste mKOU Chao1,C HEN Zh-i jia1,YANG M ao-lin1,N I Lei2(1.Depart m ent of O ptics and E lectron i cs Engi n eer i ng,O rdnance Engi n eer i ng Co llege,Sh iji azhuang050003,Ch ina;2.62541T roop s of PLA,B eijing100025,Ch i na)A bstract:The desi g n o f movable platfor m t h at can be re m ote contr o led and auto m atic dri v ed is i n troduced.The platfor m based on i n ertial nav i g ati o n i n stru m ent trans m its t h e i n for m ation o f t h e path to the auto m atic dri v i n g controller through blue tooth.The path and obstac l e can be planned by the co m puter.According to the nav i g ati o n and rea-l ti m e coor d i n ate,t h e auto m atic driv i n g contr o ller ca lculates the contro l para m eter and realizes fuzzy contro.l F i n ally,the m ovable platfor m m oves on the path that has been specifi e d.K ey words:i n ertia l navigation;auto m atic driving;path plann i n g;path fo ll o w i n g0引言自动驾驶车辆是地面无人作战平台的一种,它是一台可以在崎岖的地形上沿规划的路线自主导航及躲避障碍、必要时可重新规划路线的智能车辆。
目前,对地面无人作战平台的研究主要集中在半自主无人车辆开发上。
近期的发展趋势主要是不断增强车辆对不同任务的适应能力,如侦察、监视和目标探测、工程侦察、通信中继、战术欺骗、作战补给、反狙击部署等。
同时也正在努力增强车辆自身的环境感知能力和自主导航能力,为完全自主无人车辆研究奠定技术基础[1]。
本设计的主要任务是设计一个自动驾驶控制装置,控制载体车辆在实验场地上按照预先规划好的路径行驶,为其他课题实验提供无人运动平台。
1控制系统总体设计整个自动驾驶装置分为运动车辆及控制其自动行驶的控制器、操纵杆和上位机路径规划软件三部分。
各部分关系如图1所示,运动车辆作为运动载图1全系统组成示意图收稿日期:2010-09-03作者简介:寇超(1985-),男,硕士研究生,主要研究方向为通信与信息系统。
)69)体,在自动驾驶控制器的控制下按照预定的路径自动行驶,必要时可通过无线遥控装置进行干预;自动驾驶控制器按照导航路径和惯性导航仪给出的实时姿态和坐标解算控制量,完成对车辆行进的控制;操纵杆通过串行通信接口与上位机通信,上位机将操纵杆的控制信号利用无线串口蓝牙模块发送给自动驾驶控制器,完成对车辆的遥控干预;上位机路径规划软件完成路径的离线规划,下载导航路径、接收导航数据并实时监控车辆状态。
2电子控制装置硬件设计自动驾驶控制器主要由C8051F120单片机系统(包括C8051F120单片机和外部数据存储器F M1808)、RS232串行通信电路、增量式光电编码器接口电路、直流电机调速驱动电路、直流电源组合以及继电器组、LED、按键等组成。
2.1单片机及外部数据存储器控制器中心处理器采用了比较常用的C8051F120单片机,该单片机内部集成了24.5M的精确振荡器(通过内部锁相环PLL可以倍频到100M),还集成了7个复位源(上电、掉电、外部/ RST引脚、外部CNVSTR0信号、软件命令、比较器0、时钟丢失检测器及看门狗定时器)。
铁电存储器F M1808是32K*8非易失性存储器,具有同SRAM一样的快速读写能力,与SRAM 相比其优势在于数据在掉电后仍能被保存,此处主要是用于存储下载的导航路径信息。
其具体使用方法参考文献[2]。
2.2直流电机驱动电路设计图2所示为直流电机采用桥式驱动电路控制电机的转动,实现车体的转向和进退控制。
该电路主要利用四个金属氧化物半导体场效应晶体管I R F3205。
I RF3205具有加工工艺高、阻抗低、快速开关等特点。
在每个I R F3205的栅极都接上不同的12V电源,利用单片机和光电隔离电路来控制LT与OUT_A、RT与OUT_B、LB与24GND、RB与24GND 的接通或者断开。
当RT与OUT_B、LB与24GND 同时断开并且LT与OUT_A、RB与24GND同时接通时,Q1和Q4I R F3205的源极和漏极接通,加在JP2的2脚和1脚两端的电压为+24V,假设这时电机正转,控制电机反转原理类似。
如果上述电路的接通或者断开采用单片机产生的P WM信号控制,则可以实现直流电机的调速,由于光电耦合电路的存在,P WM信号的频率不宜过高,根据实验知频率为1kH z时,控制效果较好。
图2桥式直流电机驱动电路2.3增量式光电编码器接口电路设计增量式光电编码器用于检测车辆转向角度,它有A、B、Z三相输出,其中A、B相信号脉冲间有1/4周期(即90b)的相位差且这一相差的正负与轴角变化的方向有关,因此,可以通过比较A、B相之间脉冲电平变化次序的相位来检测轴角变化的方向实现判向;通过对A相或者B相脉冲计数来检测轴角变化的角度。
Z相用于指示光电编码器轴角起始点,轴角每转动一周输出一个脉冲可以用来标定和校准。
为了便于单片机根据相差判断计数方向,在与单片机相连之前进行了简单的鉴相。
图3是其关键点的波形。
图3光电编码器关键点波形示意图光电编码器的标定校准是利用Z轴输出实现的。
在安装编码器时在机械连接上将码盘的起始点标定到车体的正前方,机械标定好后,前轮转向在由左至右或由右至左时均会进过正前方的码盘起始点,从而在Z轴上输出一个脉冲产生单片机中断,即前轮在机械上每归正一次可得到一次中断,利用此中断可消除累计误差。
2.4串行通信接口设计C8051F120内部有两个全双工异步传输串行接口UART0和UART1,端口初始化时分别配置到P0.0/P0.1和P0.2/P0.3。
UART0用于与惯性导航仪通信,UART1用于与蓝牙模块通信。
惯性导航仪选用北京星网宇达公司的姿态方位组合导航系统XW-ADU7610,它是一个多传感器数据融合系)70 )统,将卫星定位和惯性测量相结合,可自主寻北,提供车体运动的航向角、横滚角、俯仰角以及运动位置、速度等信息。
它采用的串行通信协议是NMEA (N ational M ari n e E lectron ics Association)协议,是GPS接收机最通用的数据输出格式。
3控制算法及软件设计该部分主要介绍上位机的路径规划软件和单片机的路径跟踪算法。
由于操纵杆人工干预的方法比较简单,这里不再赘述。
3.1路径规划软件在没有引入机器视觉的情况下,本设计的导航路径主要是预先根据不同的实验场地人为地设计规划出一条合理路径并给定到自动驾驶控制器,控制器以此为参考不断修正自身姿态来跟踪该路径,即自动驾驶装置的导航路径数据不是实时在线生成、而是离线生成后下载到控制装置的数据存储器F M1808中。
目前主要的路径规划策略有三种:道路图、单元分解和人工势场[3]。
考虑到开发的难度和可实现性,在路径规划软件设计时采用了单元分解中的固定分解策略。
固定分解是将工作空间按特定的尺寸分解成棋盘状的栅格单元,这样单元的尺寸就不再依赖于环境中的障碍物的数量和分布。
当环境空间被栅格离散化之后,运动载体的轨迹可以被分解成单个的运动,然后被记录在未被占有的栅格上,每个栅格的运动信息规定了运动载体的运动方向,从而形成载体运动的路径[4]。
利用C++Bu ilder提供的表格显示组件TDra w-Gr i d,可以方便地表示这种/特定尺寸的栅格单元0。
TDra wGrid的每一个单元格用来表示固定尺寸的分解栅格,每个单元格的行列值与规定的/栅格固定尺寸0相乘就能得到一个坐标值,该坐标值在载体运动的二维平面内唯一确定了载体的位置,自动驾驶控制器就可以根据这个坐标对车辆进行导航。
3.2路径跟踪的模糊控制算法通过上位机离线生成的导航路径下载到自动驾驶控制器后,自动驾驶控制器的任务就是控制车辆快速而准确地对此导航路径进行路径跟踪,通过对车辆的速度和转向进行控制,使车体的实时坐标(x,y)尽可能地与导航路径文件规定的坐标(x0,y0)吻合。
模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机智能控制。
本设计采用模糊多目标优化控制的策略,结合惯性导航系统的输出信息,采用双输入双输出的模糊控制器来实现车辆对导航路径的跟踪。
如图4所示,输入1为车体当前位置与目标路径的的距离偏差d(可由惯性导航仪输出的车辆实时坐标值和导航路径文件内存储的导航点计算得到);输入2为定义的车体前进方向与X轴的夹角H 与目标路径弦线与X轴夹角B之差U=H-B(可有惯性导航仪输出的车辆实时方位角和导航路径文件内存储的导航点计算得到);输出1为车体前进的速度;输出2为车体前轮转过的角度A。
图4输入输出量示意图对输入输出变量明确后,采用三角隶属函数对变量进行模糊化,并利用驾驶员的驾驶习惯建立一个Pareto规则基得到控制规则表,遍历模糊规则基实现模糊推理。