自動(dòng)無人控制駕駛系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)模板

自動(dòng)無人駕駛控制系統(tǒng)第一章設(shè)計(jì)目的及意義經(jīng)過我國(guó)人們多年的奮斗，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸奔向小康生活,交通工具也在不斷地更新。自行車是一種發(fā)明比較早的交通工具，自行車行駛的速度大約是步行速度的四倍，自行車出現(xiàn)不久就有了摩托車、電動(dòng)車等，速度相比較提高了很多。后來又發(fā)明了汽車，汽車漸漸得替代了自行車和摩托車等交通工具，有了汽車之后，人們又想發(fā)明生產(chǎn)讓我們更加便利的交通工具，只有交通工具性能更好、功能更齊全才能給我們的生活帶來更多的方便。物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展也推動(dòng)了汽車的智能化技術(shù)發(fā)展，因?yàn)橹悄芷囈嚶?lián)網(wǎng)，所以物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展給智能汽車創(chuàng)造了一定條件，促進(jìn)它的迅速發(fā)展，使智能汽車的駕駛得更加精確，速度更快，且汽車的安全性能也得到了很大的提高。自動(dòng)無人駕駛汽車，實(shí)質(zhì)上就是比普通汽車多裝載了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)使汽車在沒有人駕駛也能夠自動(dòng)駕駛的汽車。自動(dòng)無人駕駛汽車采用了360度全方位監(jiān)控、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、圖像識(shí)別技術(shù)、人工智能技術(shù)和傳感器識(shí)別技術(shù)，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無人駕駛。1.1無人駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的設(shè)計(jì)一款更加符合現(xiàn)代社會(huì)需求的自動(dòng)無人駕駛汽車，它具有以下其他汽車不具備的優(yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)的一款自動(dòng)無人駕駛汽車的優(yōu)勢(shì)有以下兩點(diǎn)：（1）更安全、更舒適。就目前來說,無論是發(fā)達(dá)國(guó)家還是發(fā)展中國(guó)家道路上車輛的數(shù)目總體呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì),造成交通安全形勢(shì)非常嚴(yán)峻,據(jù)報(bào)道,在美國(guó)每年會(huì)發(fā)生大約600萬次交通事故,在這600萬次交通事故中,由于人的主觀原因,操作錯(cuò)誤造成的交通事故占94%,造成了約35000人死亡,經(jīng)濟(jì)損失2306億美元。那么,為了減少這樣的事情發(fā)生，唯一的方法，我們要制造出功能更齊全的交通工具（不用駕駛員駕駛的汽車），它可以大大減少醉酒駕駛、疲勞駕駛和分心駕駛造成的交通事故。自動(dòng)無人駕駛汽車有一個(gè)能夠自動(dòng)導(dǎo)航的模塊。它對(duì)車輛起著關(guān)鍵作用：無論在何種道路上行駛，智能汽車都能獲得連續(xù)不斷且準(zhǔn)確的車輛位置信息。本設(shè)計(jì)的定位方法符合這一要求，采用衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、超寬無線定位和機(jī)器視覺距離算法四種定位相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛汽車在各種道路上的高精度定位，讓自動(dòng)駕駛汽車能夠毫不費(fèi)力地到達(dá)駕駛員想去的地方。自動(dòng)無人駕駛汽車無需駕駛員進(jìn)行駕駛，減少了駕駛員人員的體力腦力運(yùn)動(dòng)，使駕駛汽車變得更加舒適便捷。（2）更高效、更節(jié)能。隨著生活水平的提高和對(duì)高品質(zhì)生活的不斷追求，道路上的汽車數(shù)量在不斷增加，導(dǎo)致道路上的交通擁堵越來越嚴(yán)重。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)信息可知,每年在美國(guó),因?yàn)榻煌〒矶略斐傻慕?jīng)濟(jì)損失約872億美元,浪費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)42小時(shí)的時(shí)間（在美國(guó)每年由于交通延誤要浪費(fèi)美國(guó)一周時(shí)間）,約28億加侖（106億公升）的汽車燃料的額外消費(fèi)（所有在美國(guó)汽車三周需要消耗燃料）。然而，自動(dòng)駕駛汽車可以解決這個(gè)問題，避免如此嚴(yán)重的車輛擁堵，因?yàn)樗鼈兛梢宰詣?dòng)選擇最佳的駕駛路線，從而大大減少交通擁堵現(xiàn)象。1.2無人駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)意義隨著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)等高新技術(shù)的迅速發(fā)展，國(guó)際上研究設(shè)計(jì)的開發(fā)水平速度的提高是我們可以親眼目睹的。在中國(guó)開展智能車系統(tǒng)的研究，具有的意義是非常重要的。具體的意義有以下四點(diǎn)：（1）智能汽車系統(tǒng)的研究中有了新的突破，解決了許多關(guān)于理論和技術(shù)基礎(chǔ)上出現(xiàn)的各種難題，使中國(guó)汽車在工業(yè)整體上躍上一個(gè)新的臺(tái)階；（2）“智能汽車”研究水平在不斷地提高和改善。從開始的零起點(diǎn)，經(jīng)過我國(guó)一些研究人員不懈努力和奮斗，目前我國(guó)智能汽車技術(shù)已經(jīng)與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平的差距越來越??；（3）新一代高新技術(shù)“自動(dòng)無人駕駛汽車”不但在國(guó)際上擁有一定的地位，而且對(duì)我國(guó)智能運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展具有很大的促進(jìn)作用。（4）智能汽車研究隊(duì)伍和研究基地在中國(guó)被建立起來，這是一件具有十分重要意義的事情。第二章無人駕駛系統(tǒng)介紹2.1自動(dòng)無人駕駛系統(tǒng)基于北斗導(dǎo)航和5G通信系統(tǒng)的背景知識(shí)自動(dòng)無人駕駛系統(tǒng)是一個(gè)多功能的綜合系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)選用具有高性能芯片和多種傳感器，這些傳感器各具特點(diǎn)，發(fā)揮著不同的作用。在基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和5G通信技術(shù)設(shè)計(jì)的自動(dòng)無人駕駛系統(tǒng)中，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的精確定位和智能導(dǎo)航功能是汽車行駛到預(yù)定目的地的基本條件，而5G通信具有更快的傳輸速度和更高的實(shí)時(shí)性能。車載傳感器的主要功能是對(duì)車數(shù)據(jù)進(jìn)行全面采集,實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車外部環(huán)境條件的識(shí)別。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的任務(wù)是對(duì)大量數(shù)據(jù)的分析和處理,并在控制器的作用下實(shí)現(xiàn)環(huán)境意識(shí)、智能決策、協(xié)調(diào)控制、自動(dòng)巡航、停車和其他自動(dòng)駕駛的功能。2.2系統(tǒng)的控制對(duì)象（1）STM32MP1芯片：系統(tǒng)的控制核心，相比于其他型號(hào)的芯片，它的優(yōu)點(diǎn)：可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，工作頻率可保障系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。（2）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊：不但可以準(zhǔn)確導(dǎo)航，而且定位也很精確。（3）外界GPS模塊：它的定位范圍是整個(gè)地球且具有實(shí)時(shí)性，車輛定位，行駛路線監(jiān)控等功能都由導(dǎo)航系統(tǒng)來提供。（4）5G通信模塊：相比于其他的無線通信其傳輸速度更快，可靠性更高。（5）雷達(dá)感受器：雷達(dá)感受器的原理是多普勒效應(yīng)原理。其顯著特點(diǎn)是靈敏度高，穿透能力強(qiáng)，能穿透非金屬物質(zhì)。因此，它不受空氣中漂浮的灰塵等微小顆粒的影響，也不隨溫度和環(huán)境的變化而變化。此外，該雷達(dá)感受器還具有空間感應(yīng)范圍廣、距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。采用的天線為平面天線，安裝方便，抗干擾能力強(qiáng)，能有效抑制高次諧波及其它雜波的干擾。（6）激光測(cè)距儀：可檢測(cè)固定和移動(dòng)目標(biāo)的物體位置。體積小、質(zhì)量輕、測(cè)量操作簡(jiǎn)單且速度快，最關(guān)鍵的是測(cè)出目標(biāo)位置的距離精確。（7）加速計(jì)：測(cè)量車輛的運(yùn)動(dòng)速度、加速度和方向，協(xié)助進(jìn)行車輛的定位。（8）電能計(jì)量模塊：具有對(duì)電源電量實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能，在需要充電時(shí)，及時(shí)進(jìn)行智能充電。第三章系統(tǒng)總體方案及思路3.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)本次設(shè)計(jì)是一款基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航和5G通信系統(tǒng)的自動(dòng)無人駕駛汽車。自動(dòng)無人駕駛汽車核心流程圖如圖3-1所示，4弐的人駛汽車核心流程圖如圖3-1所示，4弐的人m也代看■ 佶思?jí)c人車從屬關(guān)羞比變紋手址與非首字址唐Jt井存?直：±flc址自克可圭動(dòng)生戰(zhàn)皆且館息可鶴立建與人艾同有有于豐中將亶飩?cè)诵羺灿酶針钒咀?扎車可-§aa立旺車同町泊立簾總劉熒注辭幽:A.k車.札層免廉:及交載垢.縫法.人工刃泄用用■&述上號(hào)下冋步淇功岑螯環(huán)廈與非智能環(huán)境井.書圖3-1無人駕駛汽車核心框架圖定位系統(tǒng)以北斗導(dǎo)航為基礎(chǔ)，以慣性定位、超寬帶無線定位和視覺距離算法定位為輔，一共四種定位方式相融合，實(shí)現(xiàn)車輛的高精度定位。利用各種雷達(dá)和攝像設(shè)備采集車輛內(nèi)外環(huán)境信息，通過車輛聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送到交通系統(tǒng)中央處理單元(CPU)。選擇5G通信模塊實(shí)現(xiàn)智能交通系統(tǒng)中車輛之間的互聯(lián)。通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)車輛獲得的信息進(jìn)行分析處理，計(jì)算出最佳行駛路線。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制著自動(dòng)駕駛汽車的行駛速度和方向。同時(shí)，電能計(jì)量模塊可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)汽車的電量，使電動(dòng)汽車能夠及時(shí)智能充電。自動(dòng)無人駕駛系統(tǒng)主要包括:環(huán)境感知系統(tǒng)、智能決策系統(tǒng)、高精度區(qū)域定位導(dǎo)航系統(tǒng)、軌跡規(guī)劃系統(tǒng)和自適應(yīng)巡航系統(tǒng)。環(huán)境感知系統(tǒng),不僅實(shí)現(xiàn)檢測(cè)路邊基礎(chǔ)設(shè)施、傳感器校準(zhǔn),障礙檢測(cè)、交通標(biāo)志、交通信號(hào)燈、道路周圍檢查和車輛檢測(cè)還有理解能力,根據(jù)它們的顏色,顏色有紅色,綠色和黃色,也可以根據(jù)圖案的形狀，交通標(biāo)志形狀有三角形,正方形和圓形。在遵守交通規(guī)則的前提下，理解道路上的交通燈、交通標(biāo)志和車道線是自動(dòng)駕駛汽車安全行駛到目的地的必要條件。智能決策系統(tǒng)是為在危險(xiǎn)的交通條件或復(fù)雜的駕駛環(huán)境下提供決策和解決方案而準(zhǔn)備的，避免給車輛錯(cuò)誤的方案使車輛碰撞到障礙物。高精度的區(qū)域定位導(dǎo)航系統(tǒng)可以為車輛的行駛提供準(zhǔn)確的定位和正確的引導(dǎo)方向，使當(dāng)前行駛的無人駕駛汽車在正確的方向上以穩(wěn)定的速度行駛。軌跡規(guī)劃系統(tǒng)首先進(jìn)行空間建模，對(duì)二維、三維或更高維物理空間建模，然后通過“模型圖”比較各種復(fù)雜算法的路徑，最終找到最佳路徑。自適應(yīng)巡航系統(tǒng)不斷地完善，增加了啟停功能、自動(dòng)換道功能，同時(shí)它還適用于高速跟車控制。3.2控制機(jī)構(gòu)自動(dòng)無人駕駛汽車的控制機(jī)構(gòu)采用freescale16位單片機(jī)MC9S12DG128B。在CodeWarrior軟件平臺(tái)上完成了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。選擇的編程語言是C語言和匯編語言。提供了電池檢測(cè)模塊、車輛故障診斷模塊、路徑識(shí)別模塊。3.3控制規(guī)律系統(tǒng)采用了三種控制算法，有經(jīng)典的PID控制算法、模糊控制算法和改進(jìn)的模糊控制算法，它們之間相互融合，有效避免了它們各自的不足，起到取長(zhǎng)補(bǔ)短的效果。在技術(shù)上，PID控制算法比模糊控制要成熟，它的結(jié)構(gòu)不僅簡(jiǎn)單，參數(shù)的調(diào)整也比較容易，而模糊控制比經(jīng)典的PID控制速度更快，改進(jìn)的模糊控制算法比PID控制和模糊控制算法效果更明顯。3.4系統(tǒng)各模塊的主要功能（1） 控制核心模塊：采用freescale16位單片機(jī)MC9S12DG128B主要功能是完成采集信號(hào)的處理和控制信號(hào)的輸出。對(duì)信號(hào)的處理和輸出功能，（2） 感知系統(tǒng)模塊：功能是對(duì)車輛自身內(nèi)部環(huán)環(huán)境以及車輛周圍外部環(huán)境的感知，外部環(huán)境的感知主要有障礙物識(shí)別、障礙物跟蹤、車道線檢測(cè)、交通標(biāo)志識(shí)別、交通信號(hào)燈識(shí)別、行人檢測(cè)、車輛檢測(cè)。（3） 無線通信模塊：利用無線通信網(wǎng)絡(luò)功能傳輸車輛行駛路線到智能交通系統(tǒng)；（4） 高精度道路導(dǎo)航模塊：該模塊主要采用的是超寬帶無線定位，進(jìn)行車道級(jí)和地理位置信息數(shù)據(jù)檢測(cè)，它的精度可達(dá)到厘米級(jí)，使導(dǎo)航的方向更正確，汽車行駛的速度更穩(wěn)定。（5） 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航模塊：功能是進(jìn)行車輛導(dǎo)航信息的接收和處理，獲得更高精度信號(hào)信息，（6） 路徑識(shí)別模塊：功能是對(duì)汽車車輛的行駛數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和保存，采集的數(shù)據(jù)包括車輛的運(yùn)動(dòng)速度、加速度、方向等。（7） 電源監(jiān)控模塊：功能是對(duì)電量進(jìn)行管理，實(shí)時(shí)檢測(cè)，以防自動(dòng)無人駕駛汽車在行駛過程中出現(xiàn)缺電情況。3.5系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)該系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺(tái)是建立在Metrowerks公司的CodeWarriorforS12上的,CodeWarrior主要針對(duì)的軟件工具是屬于Freescale范圍內(nèi)的嵌入式應(yīng)用的MCU與DSP,而CodeWarriorfors12主要針對(duì)的嵌入式應(yīng)用軟件包是以HC12或S12為CPU的單片機(jī)。其中包括處理器專家?guī)?、連接器、集成開發(fā)環(huán)境IDE、可視化參數(shù)顯示工具、C交叉編程器項(xiàng)目、工程管理器以及匯編器等。3.6系統(tǒng)的主要特色自動(dòng)無人駕駛汽車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和5g通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)而設(shè)計(jì)的,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一種借助衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)定位,通過北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)在地球表面實(shí)時(shí)修復(fù)汽車位置從而獲得車輛的當(dāng)前準(zhǔn)確位置的信息。現(xiàn)在的北斗衛(wèi)星定位技術(shù)更加成熟,使用方法簡(jiǎn)單,能夠確定自動(dòng)無人駕駛汽車車輛的經(jīng)緯度,精度可達(dá)10米。但是使用衛(wèi)星定位具有不確定性,因?yàn)樵趥鬏斶^程中,衛(wèi)星信號(hào)容易受到高障礙物的阻擋,衛(wèi)星信號(hào)會(huì)減弱甚至消失,將會(huì)使北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位不準(zhǔn)確。因此,僅使用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行位置定位是不可靠的。自動(dòng)駕駛汽車的導(dǎo)航定位系統(tǒng)還采用了慣性定位、機(jī)器視覺里程算法和超寬帶定位。慣性定位方法是通過陀螺儀和加速度計(jì)將運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)隨時(shí)間積分,然后計(jì)算出運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和物體的位置等信息。慣性定位的獨(dú)立性強(qiáng),不需要依賴衛(wèi)星、基站等。建設(shè)成本低,并能實(shí)現(xiàn)高精度的方位輸出。慣性定位方法是通過陀螺儀和加速計(jì)將正在運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分,解算出物體的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和所在位置等信息。但由于車輛在行駛過程中的偏差和抖動(dòng),慣性定位的積分誤差會(huì)隨著時(shí)間的增加而積累,導(dǎo)致自動(dòng)無人駕駛車輛的定位信息偏差越來越大。當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)極弱或消失時(shí),慣性定位可以實(shí)現(xiàn)飛行器的高精度方位角輸出,但不能長(zhǎng)期保持。機(jī)器視覺里程計(jì)采用機(jī)器視覺,根據(jù)使用的攝像機(jī)數(shù)量分為單目和多目。使用兩個(gè)或多個(gè)攝像機(jī)稱為多目視覺定位。該算法可分為兩種類型,即特征法和直接法。多目視覺可以快速恢復(fù)移動(dòng)車輛的形狀,但當(dāng)物體深度達(dá)到一定程度時(shí),多目視覺的效果與單目視覺類似。為了解決這個(gè)問題,使用可視距離算法的特征點(diǎn),通過搜索圖像中特征點(diǎn)的幫助下建立的特征匹配方法建立相應(yīng)的關(guān)系方程計(jì)算信息,自動(dòng)無人駕駛汽車在道路使用攝像頭獲取圖像,機(jī)器視覺能得到豐富的彩色圖像信息,更準(zhǔn)確地檢測(cè)車輛的環(huán)境信息,但是當(dāng)你遇到強(qiáng)光,背光或黑暗的環(huán)境將大大影響相機(jī)的圖像,使圖像曝光。當(dāng)汽車在高速下攝相圖像模糊和扭曲，還可使機(jī)器視覺的角度變化，使特征點(diǎn)算法的計(jì)算更加復(fù)雜。深度學(xué)習(xí)在視覺領(lǐng)域發(fā)展迅速。深度學(xué)習(xí)方法可以對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的不確定性進(jìn)行建模，從而大大提高了車輛在環(huán)境中的定位精度。UWB無線定位，由圖可知實(shí)現(xiàn)UWB定位它的組成部分有定位終端、參考基站和基站，但基站的個(gè)數(shù)至少要有三個(gè)。超寬帶定位終端稱為超寬帶標(biāo)簽，其定位方式示意圖如圖3-2所示：圖3-2UWB定位方式超寬帶無線定位是借助于基站實(shí)現(xiàn)定位，同時(shí)要滿足每個(gè)基站到參考基站的距離相等和每個(gè)基站到UWB標(biāo)簽的距離不相等。只有每個(gè)基站與UWB標(biāo)簽距離的遠(yuǎn)近程度都不相等,才能產(chǎn)生時(shí)間差。因?yàn)閁WB標(biāo)簽發(fā)出信號(hào)后，信號(hào)的傳播需要時(shí)間，距離越近，它傳播的時(shí)間越短，距離越遠(yuǎn)，傳播時(shí)間就越長(zhǎng)。一旦基站接收到UWB標(biāo)簽發(fā)出的信號(hào)，會(huì)立即把接收的信號(hào)傳給參考基站，由于它們接收信號(hào)的時(shí)間不同，所以參考基站也會(huì)按照時(shí)間的先后順序依次接收到它們發(fā)來的信號(hào)，參考基站的作用是根據(jù)它們發(fā)來信息的先后時(shí)間算出時(shí)間差，最后可以算出UWB標(biāo)簽的位置。根據(jù)算出的時(shí)間差的大小，可采用不同的計(jì)算方法，當(dāng)時(shí)間差不小于三小時(shí)，可直接帶入以下公式進(jìn)行計(jì)算，利用公式(x-誓+(y-"2+(z-弓2二c(^.-to),i=123,…,算出UWB標(biāo)簽的位置，觀察公式中可得里面含有三個(gè)未知數(shù)，分別是x、y、z，它表示的是UWB標(biāo)簽的空間位置，而X、y、z、iiit、t都是已知量，其中X、y、z表示的是UWB基站空間位置，t和t分別表示的是UWBi0iiii0標(biāo)簽發(fā)送信號(hào)的時(shí)間和基站接收到信號(hào)的時(shí)間。c為常數(shù)，c表示光的傳播速度三億米每秒，如果想算出x、y、z至少要列出三個(gè)方程，因此基站的個(gè)數(shù)至少要建立三個(gè)。如果參考基站的數(shù)目越多，方程解的相同解的個(gè)數(shù)越多，求得UWB標(biāo)簽的位置坐標(biāo)就越接近它的真實(shí)位置，誤差微乎其微。相比其他定位方式，UWB定位可以達(dá)到精度最高，自動(dòng)無人駕駛汽車采用這種定位方式是再合適不過了，但是我們?cè)O(shè)計(jì)還有一個(gè)理念是在滿足要求的情況下，盡量地節(jié)約成本，盡量選擇性價(jià)比比較高的那個(gè)。建立UWB基站所需要的成本很高,而實(shí)現(xiàn)UWB定位需要至少三個(gè)基站，而建立基站需要的成本很高，顯然在自動(dòng)無人駕駛汽車上使用的全部是UWB定位方式是不可取的，也不符合我們的設(shè)計(jì)理念。每種定位方式都有自己的獨(dú)特一面，但是同時(shí)也有不足的一面，如UWB定位雖然定位精度高，但是成本較高。為了讓我們的設(shè)計(jì)的自動(dòng)無人駕駛汽車的定位精度高，而又盡量降低成本。我們采用了多種定位方式互相融合使用的方法，在一輛自動(dòng)無人駕駛汽車上同時(shí)使用衛(wèi)星定位、機(jī)器視覺里程算法定位、慣性定位和UWB定位4種方式的定位方式，多種方式組合使用，不僅可以充分發(fā)揮它們的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以用一種方式的優(yōu)點(diǎn)去彌補(bǔ)另一種方式不足,起到了取長(zhǎng)補(bǔ)短的作用。首先使用衛(wèi)星定位確定車輛的位置范圍，然后使用慣性的定位縮小車輛位置信息范圍,衛(wèi)星定位再對(duì)慣性定位誤差修正,慣性的功能不僅可以定位,它還可以使用陀螺儀,加速度計(jì)和電子羅盤姿態(tài)算法,確定汽車的當(dāng)前速度,運(yùn)動(dòng)的方向,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)無人駕駛汽車在各種道路環(huán)境下提供連續(xù)穩(wěn)定的位置信息，從而實(shí)現(xiàn)了高精度的定位。而5G通信系統(tǒng)的選擇使其傳輸速率更快，其速度是4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)百倍，在實(shí)際應(yīng)用過程中表現(xiàn)出更明顯的優(yōu)勢(shì)和更強(qiáng)大的功能。3.7系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.7.1系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)這款基于北斗導(dǎo)航和5G通信系統(tǒng)的自動(dòng)無人駕駛汽車，該系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分包括STM32MP1芯片、北斗定位模塊、外界GPS模塊、5G通信模塊、雷達(dá)感受器、激光測(cè)距儀、加速計(jì)、磁力計(jì)、電能計(jì)量模塊、汽車導(dǎo)航接收模塊等。如圖3-3所示。圖3-3無人駕駛汽車系統(tǒng)硬件組成框圖控制核心選擇的是STM32MP1芯片，STM32MP1屬于通用微處理器產(chǎn)品系列，基于混合的雙ArmCortex-A7核和Cortex-M4核架構(gòu)產(chǎn)品，該產(chǎn)品在充分滿足多種應(yīng)用的靈活新需求的同時(shí)，又實(shí)現(xiàn)了它的最佳性能、功耗低和較高的安全性能。具有計(jì)算、3D圖形處理和電源管理IC功能，讓設(shè)計(jì)更加精簡(jiǎn)；高效處理HMI和外部通信+電機(jī)驅(qū)動(dòng)和傳感器控制能力，兼?zhèn)涓吣苄?shí)時(shí)控制和高功能集成度。在系統(tǒng)中做中央處理器，處理接收到的各模塊的信息，然后發(fā)送各個(gè)控制命令。北斗定位模塊是由芯星通的BDS/GPS雙模授時(shí)模塊UM220-III和收發(fā)器MAX3232構(gòu)成,用于定位汽車的當(dāng)前行駛位置以及要到達(dá)的目的地。在本次設(shè)計(jì)中，模塊UM220-III是通過串行口與處理模塊建立通信和數(shù)據(jù)傳送，最初由有源天線或無源天線接收到的射頻信號(hào)傳送給UM220的射頻輸入引腳，然后經(jīng)過一系列處理，最后由UM220-III的串行口將數(shù)據(jù)送至控制內(nèi)核做進(jìn)一步處理。外界GPS用于自動(dòng)無人駕駛汽車的行駛道路追蹤，本設(shè)計(jì)采用的接收模塊是增強(qiáng)型LEA-6H模塊。該模塊不但是一個(gè)增強(qiáng)型GPS接收模塊，同時(shí)還支持GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。相比較于GPS的其他型號(hào)模塊，精度要高得多。自動(dòng)無人駕駛汽車通過5G通信模塊獲取行駛道路信息，本設(shè)計(jì)選用的系統(tǒng)和路由器分別是openWRT系統(tǒng)和TP-LINKWR703N路由器，openWRT系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)Linux操作系統(tǒng)，它的優(yōu)點(diǎn)是可以從零開始編寫、容易修改，功能齊全。在openWRT系統(tǒng)在TP-LINKWR703N路由器下實(shí)現(xiàn)與汽車進(jìn)行無線連接。在有些接收信號(hào)弱甚至信號(hào)接收不到的地方，如隧道和地下停車場(chǎng)等，我們采用的是蜂窩和Wi-Fi實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)聯(lián)車輛和其他基本設(shè)施的通信，用來確定它們的位置。車載三維激光掃描儀實(shí)際上是車載激光雷達(dá)，它由發(fā)射、接收和后置信號(hào)處理以及協(xié)調(diào)三部分工作的機(jī)構(gòu)共同組成。它是一種利用電磁波來探測(cè)目標(biāo)位置的電子設(shè)備。電磁波的傳播不需要介質(zhì)。微波和毫米波波段是常用雷達(dá)的載體，激光雷達(dá)以激光為載體。它的波段是光波波段，光波的波長(zhǎng)比微波和毫米波的波長(zhǎng)短得多，它有以下優(yōu)點(diǎn)：（1） 無線波產(chǎn)生的波對(duì)激光雷達(dá)沒有影響，只有激光雷達(dá)處在高仰角工作時(shí)，才會(huì)引起地面的多路徑效應(yīng)發(fā)生改變。（2） 分辨率和靈敏度高，能量集中，它的激光束的發(fā)射角小。（3） 它不僅可以探測(cè)很大范圍，還能探測(cè)正在高速運(yùn)動(dòng)和低速運(yùn)動(dòng)的物體，獲取物體的幅度、頻率和相位等信息（4） 無論是在有光還是在無光的條件下，它都可以進(jìn)行工作。（5） 激光雷達(dá)的波長(zhǎng)長(zhǎng)度更短，可以把探測(cè)系統(tǒng)的尺寸做的更小，從而能夠探測(cè)到更小的探測(cè)目標(biāo)。激光雷達(dá)的功能有：不斷地向外尋找目標(biāo)，一旦目標(biāo)出現(xiàn)，就會(huì)立即被檢測(cè)到。目標(biāo)的距離、速度、位置等運(yùn)動(dòng)參數(shù)可以準(zhǔn)確測(cè)量出來；無論是目標(biāo)的反射率、散射截面還是形狀等參數(shù)都可以用激光雷達(dá)都可以進(jìn)行測(cè)量。車載激光雷達(dá)在探測(cè)路面信息時(shí)，工作過程如下。首先由發(fā)射機(jī)向外部發(fā)射一串具有周期性的高頻窄脈沖，探測(cè)周圍的物體，激光雷達(dá)一旦探測(cè)到目標(biāo)，發(fā)射出去的波遇到目標(biāo)后會(huì)立刻反射回來，根據(jù)公式s二ct/2，便求得目標(biāo)與激光雷達(dá)的距離s。因?yàn)殡姶挪ǖ哪芰總鞑ニ俣扰c光速相同，所以式中c為光速3億米/秒。s表示的是電磁波從目標(biāo)到激光雷達(dá)的一趟距離，單位是米，t表示的是電磁波從目標(biāo)到激光雷達(dá)和電磁波從激光雷達(dá)到目標(biāo)的一共需要的傳播時(shí)間，單位是秒。由于電磁波傳播速度很快，所以激光雷達(dá)技術(shù)常用卩s作單位。能夠測(cè)量目標(biāo)距離是激光雷達(dá)的獨(dú)特之處，發(fā)射出的脈沖寬度與它的測(cè)量精度和分辨率有很大的直接關(guān)系，發(fā)射的脈沖寬度越窄，性能就越好。通過激光雷達(dá)與目標(biāo)之間產(chǎn)生的回波可以獲得很多有關(guān)目標(biāo)的信息，不僅有目標(biāo)到激光雷達(dá)的距離還有目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。車載激光雷達(dá)是如何測(cè)出目標(biāo)的實(shí)際速度的呢？第一步是要先把目標(biāo)到激光雷達(dá)的距離測(cè)量出來，車載激光雷達(dá)探測(cè)路面上運(yùn)動(dòng)的車輛和其它物體的實(shí)際速度。第二步測(cè)出目標(biāo)的實(shí)際速度是建立在第一步的基礎(chǔ)完成的。測(cè)量徑向相對(duì)速度有兩種計(jì)算方法，第一種方法是利用距離的變化率，第二種方法是利用多普勒頻移，但用距離的變化率求得的數(shù)值精度不高，所以多普勒頻移測(cè)速法是我們的最佳選擇，它的測(cè)速基本原理如下，首先是車載激光雷達(dá)發(fā)射一定頻率的超聲波，然后根據(jù)多普勒效應(yīng)，當(dāng)被測(cè)物體移動(dòng)或者汽車自身的移動(dòng)產(chǎn)生相對(duì)位置距離的變化，都會(huì)使反射回來的波的頻率發(fā)生變化，反射回來的波的計(jì)算頻率公式為(聲速土物體運(yùn)動(dòng)速度)/波長(zhǎng)，公式中的聲速和波長(zhǎng)是已知條件(雖然聲速會(huì)隨著溫度的變化而變化，但是它可以用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行糾正)，然后將反射回來波的頻率轉(zhuǎn)換成電壓，最后把轉(zhuǎn)換出的電壓與原來的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和計(jì)算，就可以獲得被測(cè)物體的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度。感知系統(tǒng)是將各種傳感器獲取的數(shù)據(jù)和高精度地圖信息輸入，然后對(duì)一系列數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理和計(jì)算，對(duì)無人駕駛汽車周圍環(huán)境進(jìn)行精確感知的系統(tǒng)。高精度地圖可以提供精確的地理信息，輔助無人駕駛汽車實(shí)現(xiàn)高精度定位。解決了特定情況下傳感器失效的問題，彌補(bǔ)了環(huán)形傳感設(shè)備的不足，有效降低了無人駕駛汽車的感知難度。基于地圖的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和動(dòng)態(tài)交通信息，通過全局路徑規(guī)劃車輛的最優(yōu)行駛路線和合理的行駛策略，可以有效實(shí)現(xiàn)車輛行駛的主動(dòng)性和安全性，降低行駛道路的復(fù)雜性，極大地緩解道路擁堵。高精度地圖對(duì)自動(dòng)駕駛汽車的安全行駛也起到不可或缺的作用。高精度地圖實(shí)際上是一個(gè)信息更精確導(dǎo)航電子地圖，計(jì)算機(jī)的硬盤、軟盤或膠帶都可以存儲(chǔ)導(dǎo)航電子地圖，電子地圖以數(shù)字形式表示的信息量比紙質(zhì)地圖表達(dá)內(nèi)容信息豐富，如：協(xié)調(diào)公路道路,車輛和行人十字路口和其他信息。它可以全面、詳細(xì)地描述道路狀況，高精度地圖可以直接查詢目的地信息，以及大量關(guān)于如何引導(dǎo)到達(dá)目的地的信息。在指導(dǎo)過程中，要不斷更新現(xiàn)場(chǎng)信息，擴(kuò)大信息的收集范圍。與普通地圖相比，高精度地圖有兩個(gè)突出優(yōu)點(diǎn):一是電子地圖的精度高，即地圖的絕對(duì)坐標(biāo)精度高；二是高精度地圖具有更豐富和更詳細(xì)的信息，即地圖包含更全面的元素。高精度地圖的采集過程如下:(1)定位時(shí)，采用GPS和慣導(dǎo)系統(tǒng)的共同數(shù)據(jù)獲取地圖采集車的航跡點(diǎn)和車載攝像機(jī)的位置坐標(biāo)；(2)利用車載攝像機(jī)采集道路圖像數(shù)據(jù)，通過視覺定位方法獲得道路要素與攝像機(jī)的空間位置關(guān)系。同時(shí)，利用深度學(xué)習(xí)算法對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，獲取圖像上的道路、車輛路徑、道路標(biāo)志等信息。(3)根據(jù)相機(jī)的高精度位置坐標(biāo)以及道路要素與相機(jī)的空間位置關(guān)系，得到道路要素的絕對(duì)位置坐標(biāo)，從而制作出車道級(jí)的高精度地圖。其流程圖如圖3-4所示。車道商塔層址逋標(biāo)率.層車道商塔層址逋標(biāo)率.層車道線屁觀實(shí)世畀圖3-4一種高精度地圖數(shù)據(jù)模型感知系統(tǒng)模塊采用的傳感器包括激光雷達(dá)、攝像頭、毫米波雷達(dá)、紅外傳感器和超聲波傳感器，感知系統(tǒng)是自動(dòng)無人駕駛汽車安全行駛的關(guān)鍵部分，用來檢測(cè)車輛周圍的障礙。在自動(dòng)無人駕駛汽車行駛時(shí),感知路邊基礎(chǔ)設(shè)施、路況檢測(cè)、行人檢測(cè)、交通信號(hào)燈檢測(cè)、交通標(biāo)志檢測(cè)、車輛檢測(cè)，同時(shí)結(jié)合高分辨率的地圖，感知系統(tǒng)對(duì)車輛環(huán)境信息更加具體。激光雷達(dá)通常安裝在汽車的頂部和兩側(cè)，相機(jī)提供360度的車輛視圖。毫米波雷達(dá)的觀測(cè)距離雖然不遠(yuǎn)，但它具有高分辨率的目標(biāo)檢測(cè)和目標(biāo)截獲功能，具有較強(qiáng)的穿透能力，可用于視覺系統(tǒng)捕捉車道線、交通燈等顏色。毫米波雷達(dá)與遠(yuǎn)攝相機(jī)相結(jié)合，可以觀察遠(yuǎn)處的前方視野，距離可達(dá)200米左右，可以探測(cè)到更多的目標(biāo)信息。相機(jī)與激光雷達(dá)的結(jié)合使激光雷達(dá)可以通過旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)感知環(huán)境的360度方向，旋轉(zhuǎn)一周需要100毫秒。相機(jī)曝光是在一瞬間完成的，為了使相機(jī)曝光與激光雷達(dá)的旋轉(zhuǎn)同步，需要兩者之間的時(shí)間同步。相機(jī)的曝光可由相應(yīng)位置的激光雷達(dá)的位信息觸發(fā)，使相機(jī)與激光雷達(dá)保持精確的時(shí)間同步。激光雷達(dá)與相機(jī)相結(jié)合，既能發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，又能避免它們的不足，使感知系統(tǒng)得到更準(zhǔn)確的輸出。超聲波傳感器的超聲波信號(hào)可以轉(zhuǎn)化為電信號(hào)或其他信號(hào)。超聲波具有振動(dòng)頻率高、波長(zhǎng)短、方向性好、穿透力強(qiáng)、易獲得集中能量等特點(diǎn)。當(dāng)前方障礙物或界面被超聲波觸及時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的反射，形成反射回波。當(dāng)它接觸到相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。紅外傳感器由光學(xué)系統(tǒng)、檢測(cè)元件和轉(zhuǎn)換電路組成，光學(xué)系統(tǒng)可分為透射型和反射型兩種，根據(jù)檢測(cè)元件工作原理的不同，將其分為熱敏檢測(cè)元件和光電檢測(cè)元件。熱敏電阻用于熱敏元件中，當(dāng)熱敏電阻受到紅外輻射時(shí)，溫度升高，電阻發(fā)生變化。光電檢測(cè)元件是光敏元件，紅外傳感器用于測(cè)量人體表面溫度，從而推斷行人的地理位置。紅外傳感器不需要與物體接觸就可以測(cè)量物體，因此物體之間不會(huì)產(chǎn)生摩擦，具有靈敏度高、響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。你不僅可以測(cè)量體溫，只要物質(zhì)本身有一定的溫度，就可以輻射出紅外線?？刂葡到y(tǒng)模塊，該模塊的功能起到對(duì)車輛控制作用，它首先要對(duì)車輛控制方式選擇進(jìn)

行接收，然后車輛開始自檢，包括車輛自身的行駛狀態(tài)等，還要檢測(cè)周邊車輛行駛狀態(tài)和車輛行駛環(huán)境等，為實(shí)現(xiàn)車道跟蹤、車距保持、換道、巡航、定位停車等功能提供必要的基本操作。慣性測(cè)量單元由一個(gè)陀螺儀和一個(gè)加速度計(jì)組成，可以跟蹤平移或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的物體。慣性測(cè)量單元可以測(cè)量車輛的速度、加速度和方向，還可以根據(jù)車輛當(dāng)前的位置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算，以幫助精確定位。它用作自動(dòng)無人駕駛系統(tǒng)定位領(lǐng)域的最后一道防線，有三個(gè)原因，首先，協(xié)助定位時(shí)的慣性測(cè)量單元是不需要依賴外部條件，是一個(gè)完全獨(dú)立的系統(tǒng),相反，衛(wèi)星導(dǎo)航和定位依賴于衛(wèi)星信號(hào)覆蓋效果，使用高精度的地圖定位依賴于感知質(zhì)量和算法的性能，超寬帶定位依賴于外建基站，因此具有不確定性；其次，它不需要接收外部信號(hào)，所以它可以安裝在汽車的一些隱蔽的地方，如汽車的底盤，并具有抵御外部電子和機(jī)械攻擊的能力；相比之下，視覺、激光和毫米波的定位是接收來自車輛外部的信號(hào)，比如電磁波或光波，這些信號(hào)很容易受到攻擊者的電磁波或光波的干擾。第三,測(cè)量角速度和加速度的慣性測(cè)量單元提供了足夠多的信息，加上車輪和方向盤提供的信息使結(jié)果更準(zhǔn)確，所以其輸出的結(jié)果是更可靠的比其他傳感器提供的定位信息。智能充電單元，采用的是電能計(jì)量模塊——CS5463傳感器，CS5463傳感器的特性是它可以精確測(cè)量瞬時(shí)電壓、電流、功率以及電壓、電流的有效值，功耗低。內(nèi)置電源監(jiān)視器，對(duì)電量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，還帶有溫度傳感器，通過調(diào)整可以減小溫度漂移帶來的誤差，從而提高測(cè)量精度。智能充電模塊通過SPI通信協(xié)議可以直接輸出自動(dòng)無人駕駛汽車的電壓、電流、功率和溫度的數(shù)字信息。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，自動(dòng)無人駕駛汽車前進(jìn)的動(dòng)力是通過直流電機(jī)來驅(qū)動(dòng)的，本設(shè)計(jì)的采用的直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)是RS-380SH,相比其他型號(hào)，它的性價(jià)比較高，可滿足設(shè)計(jì)條件的要求，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：①體積小，穩(wěn)定性咼，承載能力強(qiáng)，功率可達(dá)95KW以上；②能耗低，噪音小，節(jié)能高，齒輪表面經(jīng)過高頻熱處理；③普遍性高，應(yīng)用范圍廣，電機(jī)組合靈活、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。它的輸出功率為0.9W-40W。在車輛實(shí)際行駛過程中，可能會(huì)遇到彎道，為了使自動(dòng)無人駕駛汽車在拐彎的時(shí)候能夠快速地把速度減下來，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分安裝兩塊MC33886組成的全橋式驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)起到制動(dòng)的作用。H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖如圖3-5所示：圖3-5H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖圖3-5H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖3.7.2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)1、無人駕駛汽車系統(tǒng)主程序如圖3-6所示：口nasttkW廠詬h]I理[affitt?I口nasttkW廠詬h]I理[affitt?I(wiTlia1LJIJIT芳剛圖3-6無人駕駛系統(tǒng)程序框圖IF..?CAZE...FdIF..?CAZE...FdWHILE.OF...7BID&[OO.1RtiHIlZ1COf/f/SLar&mentsectionWHILEEE■吞虻系統(tǒng)fTHEN"StatementsectionLF?執(zhí)行系統(tǒng)"；-XELSE■執(zhí)行系弩L" ■-：LND_：:「：1'：EJfDJHILE:門I_圖3-7主要程序代碼自動(dòng)無人駕駛汽車由三部分組成：感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)。感知系統(tǒng)包括環(huán)境感知和定位。圖像和深度學(xué)習(xí)感知技術(shù)發(fā)揮著越來越重要的作用，在周圍環(huán)境意識(shí)，它不再局限于確定的存在障礙。它能夠理解障礙，理解交通標(biāo)志，紅燈，甚至預(yù)測(cè)的行為障礙。人們主要根據(jù)它們的顏色和形狀來理解它們。感知系統(tǒng)主要由攝像機(jī)、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)幾部分組成，用來判斷和識(shí)別的道路環(huán)境和障礙，以及智能調(diào)速。在全自動(dòng)無人駕駛汽車行駛時(shí)遇到復(fù)雜的情況可以更準(zhǔn)確地定位和做出正確的反應(yīng)，它提供了關(guān)于周圍環(huán)境、道路和車輛本身狀態(tài)的信息，并測(cè)量前面車輛的距離和相對(duì)速度。它就像司機(jī)的眼睛和耳朵。它安裝在汽車上，隱藏在前燈和尾燈附近，所以它看起來像一輛普通的汽車。智能汽車控制系統(tǒng)由機(jī)載主計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的路徑規(guī)劃軟件組成，計(jì)算機(jī)安裝在汽車后備箱用以接收數(shù)據(jù)信息，總結(jié)和分析自動(dòng)導(dǎo)航路線規(guī)劃，然后發(fā)出相應(yīng)的指令,它相當(dāng)于司機(jī)的大腦；最后，執(zhí)行系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng)輸出的控制指令控制車輛狀態(tài)，并按照規(guī)劃的路徑對(duì)無人駕駛汽車進(jìn)行操作。執(zhí)行系統(tǒng)由方向盤、油門和剎車控制器組成，充當(dāng)駕駛員的手和腳。如圖3-8所示：圖3-8控制層結(jié)構(gòu)框圖控制層控制自動(dòng)無人駕駛汽車的橫向控制和縱向控制，其中橫向控制控制自動(dòng)無人駕駛汽車的方向，縱向控制控制自動(dòng)無人駕駛汽車的速度。有兩種縱向控制方法，直接式控制和分層式控制。直接式控制將車輛視為一個(gè)非線性多變量系統(tǒng)，車輛模型和參考速度軌跡直接產(chǎn)生期望制動(dòng)壓力或內(nèi)節(jié)氣開度。該方法系統(tǒng)集成度高，控制精度高，但對(duì)狀態(tài)信息要求高，對(duì)狀態(tài)信息的依賴性強(qiáng)，且模型是非線性的。橫向控制系統(tǒng)的穩(wěn)定方法有很多，如模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工智能技術(shù)等，也可以采用最優(yōu)控制方法和預(yù)測(cè)控制方法相結(jié)合的方法。在車輛運(yùn)行過程中，控制層接收一部分CPU和整個(gè)路徑規(guī)劃和軌跡過程的信號(hào)，并控制相應(yīng)的執(zhí)行器使其動(dòng)作，完成路徑和軌跡的跟蹤。無人駕駛汽車的跟蹤軌跡控制設(shè)計(jì)采用了嵌入式開發(fā)系統(tǒng)的線性二次調(diào)節(jié)器，因?yàn)長(zhǎng)QR（線性二次調(diào)節(jié)器）具有狀態(tài)線性反饋的最優(yōu)控制規(guī)律，易于形成閉環(huán)最優(yōu)控制。在自動(dòng)駕駛車輛的軌跡跟蹤與控制方面，主要采用基于線性二次最優(yōu)控制和預(yù)測(cè)軌跡的跟蹤控制方法。線性二次型最優(yōu)控制問題在最優(yōu)控制理論和方法體系中占有非常重要的地位。將線性二次問題的最優(yōu)解寫成統(tǒng)一的解析表達(dá)式，將求解過程規(guī)范化，利用狀態(tài)線性反饋控制規(guī)律構(gòu)造閉環(huán)最優(yōu)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)性能指標(biāo)的監(jiān)控。在現(xiàn)實(shí)交通行駛中,經(jīng)常有緊急情況的發(fā)生,如果此刻無人駕駛汽車才做出相應(yīng)動(dòng)作響應(yīng),使車輛不能準(zhǔn)確地跟蹤期望路徑,這是因?yàn)樽詣?dòng)無人駕駛汽車在高速行駛下，齒輪縱向力接近飽和狀態(tài),在發(fā)生緊急轉(zhuǎn)向，輪胎無法提供更多的側(cè)向力，導(dǎo)致車輛在緊急情況下容易出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。為了實(shí)現(xiàn)無人駕駛汽車在突發(fā)事件中的精確、高效、可靠的控制能力，保證車輛的轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性和駕駛安全，單一的預(yù)測(cè)范圍方法無法解決車輛在不同突發(fā)事件中的控制要求。自動(dòng)無人駕駛汽車緊急控制方法基礎(chǔ)上添加多種預(yù)測(cè)方法來預(yù)測(cè)事件的可能性，如突然遭遇冰雪道路或行人橫穿馬路的情況下緊急響應(yīng)，提高了對(duì)可能發(fā)生但很難確定的概率事件控制的穩(wěn)定性。常規(guī)的模型預(yù)測(cè)控制是基于環(huán)境感知模塊的路面摩擦系數(shù)，而實(shí)際行駛道路的路面摩擦系數(shù)很難用精確的數(shù)學(xué)公式表示，行人在道路上的出現(xiàn)是不能用概率來估計(jì)和預(yù)測(cè)的。兩種技術(shù)，環(huán)境感知和V2X（車載無線通信），用于判斷可能的事件。例如，當(dāng)感知到冰雪時(shí)，首先向控制器提供信息，控制器預(yù)先調(diào)用路面，提前采取相應(yīng)的控制策略?；蛘咴诼愤呅腥藱M穿的情況下，提前調(diào)用控制器與之相應(yīng)的預(yù)測(cè)時(shí)域和約束集對(duì)可能出現(xiàn)的行人橫穿馬路等進(jìn)行預(yù)調(diào)整。通過預(yù)調(diào)整，使輪胎的橫向和縱向力都在控制范圍內(nèi)。這增加了自動(dòng)駕駛汽車的穩(wěn)定性。使車輛無論遇到復(fù)雜情況還是單一情況，都能進(jìn)行一同處理。2、衛(wèi)星定位系統(tǒng)的子程序如圖3-9所示：卷逗忸【理卷逗忸【理誓動(dòng)殆悵收帆「業(yè)育無韁圖3-9衛(wèi)星定位系統(tǒng)圖北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由用戶端、空間端和地面端三部分組成。用戶端為北斗用戶終端；空間端由35顆衛(wèi)星組成，包括30顆非地球靜止軌道衛(wèi)星和5顆地球靜止軌道衛(wèi)星。地面端是指注入站、主控站、監(jiān)測(cè)站等地面站。北斗高精度系統(tǒng)由局部基站和移動(dòng)基站兩部分組成。局部基站安裝在實(shí)驗(yàn)大樓的頂部，移動(dòng)站安裝在車輛上。局部基站是整個(gè)定位系統(tǒng)的參考框架。首先，衛(wèi)星信號(hào)需要長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)跟蹤。其次，通過數(shù)據(jù)傳輸站傳輸參考站的差分校正信息，實(shí)時(shí)為每輛車的移動(dòng)站提供載波相位差和起動(dòng)坐標(biāo)數(shù)據(jù)信息。同時(shí)安裝了慣性導(dǎo)航模塊、超寬帶無線定位和目視距離算法定位。慣性導(dǎo)航模塊不需要依賴外部信息，工作環(huán)境也非常廣泛，適用于空中、地面和水下。慣性導(dǎo)航模塊可以測(cè)量慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)中載體的瞬時(shí)加速度，并借助導(dǎo)航坐標(biāo)系進(jìn)行計(jì)算，從而獲得導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度和位置信息。即使衛(wèi)星信號(hào)突然丟失，也可以利用慣性導(dǎo)航模塊提供短時(shí)間的慣性平穩(wěn)定位，不受外界環(huán)境干擾。使用慣性導(dǎo)航定位方法不僅可以實(shí)現(xiàn)的功能定位，陀螺儀、加速度計(jì)、電子羅盤用于姿態(tài)算法，還能夠判斷當(dāng)前車輛速度，運(yùn)動(dòng)姿態(tài)等，判斷車輛運(yùn)動(dòng)方向與道路方向是否保持平行，車輛行駛狀態(tài)是下坡、上坡以及轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向角度等。結(jié)合機(jī)器視覺，利用慣性導(dǎo)航和定位，可以計(jì)算出當(dāng)前路面車道的劃線、標(biāo)線、前后車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，起到了左右后視鏡的功能。然而，慣導(dǎo)定位不能長(zhǎng)期保持精確定位。此時(shí)，通過uwb無線定位可以保持無人駕駛汽