□譚 瑞 汪 俊 楊 杰 陳 鋼 王書薈

一、項目研究背景

中國從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行無人駕駛汽車的研究，而美、英、德等發(fā)達(dá)國家早在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)著手研究，并在可行性和實用化方面都取得了突破性的進(jìn)展。就國內(nèi)而言，主要是紅旗、百度、清華大學(xué)等機(jī)構(gòu)在無人車領(lǐng)域研究較早并取得較為突出的成就。以百度為例，它在2014年7月24日啟動“百度無人駕駛汽車”研發(fā)計劃，2018年2月15日，百度Apollo無人車在港珠澳大橋上，通過無人駕駛模式完成“8”字交叉跑。在國外人們熟知的就是Google和特斯拉兩家企業(yè)。其中Waymo公司測試用無人車預(yù)估已經(jīng)跑了2,000萬公里并且完成超過50億英里的模擬駕駛，目前谷歌無人駕駛技術(shù)還是世界公認(rèn)最高水平。

就總體而言無人車發(fā)展還需要很長的路要走，車速度不快、智能程度不高制約了其發(fā)展。相比而言國內(nèi)的無人駕駛技術(shù)相較國外依然存在差距，能否切實解決核心技術(shù)水平不高、零部件非國產(chǎn)化嚴(yán)重等問題決定了我國在無人車這塊大蛋糕上能分得多少。

二、項目研究目標(biāo)及主要內(nèi)容

此次項目是實現(xiàn)無人車基本的自主行駛能力，行駛期間遵守交通法規(guī)。實現(xiàn)如下功能。

(一)模擬道路上超車與會車。該項目主要實現(xiàn)無人車在行車過程中對同向龜行車實施超車(可借道)，以及與對向車輛完成會車動作后繼續(xù)行駛通過終點。并繼續(xù)行駛通過終點。

(二)錐形標(biāo)+道路標(biāo)線識別。該項目主要實現(xiàn)無人車在行車過程中對錐形標(biāo)能否正確識別并避障，以及識別道路交通標(biāo)線正確減速并在人行橫道線前停車5秒后，繼續(xù)行駛通過終點。

(三)無人車的大燈、轉(zhuǎn)向燈、制動燈必須能正常發(fā)揮功能。例如在超車或變道時，同側(cè)的前后轉(zhuǎn)向燈應(yīng)同頻率閃亮，動作結(jié)束時熄滅；會車時大燈應(yīng)閃亮2～3次；減速或停車時剎車燈應(yīng)亮起，直至減速結(jié)束或車輛完全停住時滅燈。

(四)實現(xiàn)自主行駛。無人車上除安裝必要的傳感和處理設(shè)備外，必須實現(xiàn)自主行駛，不得進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，不得自行在車體之外設(shè)置特殊標(biāo)識或發(fā)射電子信號用于輔助駕駛。

(五)完成長10米的無障礙車道自主行駛。不得壓線行駛。

三、系統(tǒng)設(shè)計與硬件結(jié)構(gòu)框圖

本設(shè)計是以Arduinomega2560開發(fā)板為控制核心，如圖1所示，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)組成的智慧交通無人車，通過傳感器獲取模擬路面數(shù)據(jù)向單片機(jī)做出反饋，單片機(jī)根據(jù)預(yù)先程序設(shè)定進(jìn)行自動判斷，隨后向L298N電機(jī)驅(qū)動模塊發(fā)出指令，通過電機(jī)停啟與左右車輪差速控制實現(xiàn)路面標(biāo)志的識別與障礙躲避。采用12vDC電源為Arduino開發(fā)板和驅(qū)動模塊供電，傳感器工作電壓：5VDC可以采用獨立電源，但經(jīng)過多次調(diào)試考慮到空間布置和續(xù)航性，發(fā)現(xiàn)電源電壓也會對傳感器的精確度造成影響，最后決定取消這種方案。

圖1 無人車系統(tǒng)設(shè)計框圖

采用降壓模塊供電方式。無人車傳感器主要包括灰度傳感器、超聲波傳感器、紅外避障傳感器?；叶葌鞲衅餮b在車前部底盤下面，用來檢測道路標(biāo)線，紅外避障傳感器裝在車頭部，用來檢測前方障礙物，超聲波傳感器裝在車身兩側(cè)，用來控制車身方向和調(diào)整車身與道路兩側(cè)的距離。

(一)E18-D80NK紅外避障傳感器。E18-D80NK-N這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，這是NPN型光電開關(guān)，輸出狀態(tài)是0,1，利用光反射原理，模塊通電后紅外發(fā)射管向前方不斷發(fā)射一定頻率的紅外線，紅外線遇到前方障礙物時，射線返回被接收管接收，此時OUT輸出低電平，且串口監(jiān)視器會接收到數(shù)字“1”。如前方無障礙物，射線未被反射，則OUT輸出高電平并且串口監(jiān)視器會接收到數(shù)字“0”。檢測障礙物的距離可以根據(jù)要求通過尾部的電位器旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)，感應(yīng)距離：3～80CM。在接線的時候，避免出現(xiàn)電源和地接錯的現(xiàn)象，該操作有可能造成傳感器永久性損壞；信號輸出端要加上拉電阻。

(二)L298N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動模塊。使用的驅(qū)動電壓為12V(可以接受的輸入范圍是7～12V)可以使能板載的5V邏輯供電。該驅(qū)動板可驅(qū)動2路直流電機(jī)，使能端ENA、ENB為高電平時有效。對直流電機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速，需設(shè)置IN1和IN2，確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，然后對使能端輸出PWM脈沖，即可實現(xiàn)調(diào)速。當(dāng)使能信號為0時，電機(jī)處于自由停止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)使能信號為1時，且IN1和IN2為00或11時，電機(jī)處于制動狀態(tài)，阻止電機(jī)轉(zhuǎn)動。

(三)超聲波測距模塊。HC-SR04超聲波模塊工作電壓：DC 5V，測量范圍：2cm～4m。使用Arduino采用數(shù)字引腳給SR04的Trig引腳至少10μs的高電平信號，觸發(fā)SR04模塊測距功能。觸發(fā)后，模塊會自動發(fā)送8個40KHz的超聲波脈沖，并自動檢測是否有信號返回。如有信號返回，Echo引腳會輸出高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。使用pulseIn()函數(shù)(pulseIn()：用于檢測引腳輸出的高低電平的脈沖寬度)獲取到測距的結(jié)果，并計算出距被測物的實際距離。測試距離s=340m/s×t/2。例如當(dāng)右側(cè)超聲波模塊檢測到車身距路邊距離小于設(shè)定值，右邊車輪加速并使用延遲程序，向左行駛一段距離后右側(cè)車輪停止加速，左側(cè)車輪加速使車身擺正后，速度回歸初值，繼續(xù)行駛。程序設(shè)計上要預(yù)留車子反應(yīng)距離，通過調(diào)試設(shè)定出最佳兩側(cè)差速值。

(四)Arduino mega2560微控制器板。Arduino mega2560是一款基于ATmega2056的微控制器板。它有54個數(shù)字輸入/輸出引腳(其中15個可作PWM輸出)、16個模擬輸入、4個硬件串行端口、1個16MHz晶體振蕩器、1個復(fù)位按鈕?？赏ㄟ^USB連接或者外部供電，自動選擇電源。經(jīng)試驗，開發(fā)板加擴(kuò)展板連接7個光電傳感器，1個灰度傳感器，1個超聲波傳感器能正常工作。無人車系統(tǒng)組裝除對硬件質(zhì)量和工作電壓有較高要求，還要求各個模塊之間互不干擾。

(五)程序設(shè)計。程序設(shè)計的最大難處在于如何調(diào)整車子沿道路正線行駛，流程圖如圖2所示，已知當(dāng)車子出現(xiàn)轉(zhuǎn)彎后，回正過程是一個動態(tài)過程，延時時間設(shè)定、在哪里開始回轉(zhuǎn)、差速值是多少都需要考慮，甚至傳感器的靈敏度、電池電量、摩擦系數(shù)都會造成影響，這就說明程序的設(shè)計上沒有一個準(zhǔn)確的關(guān)系值。通過兩側(cè)超聲波，測量車身距路邊各自距離，判斷小車處在哪側(cè)車道。車身一側(cè)傳感器檢測到數(shù)值未能使單片機(jī)觸發(fā)動作，但小車前端檢測到障礙物，則單片機(jī)給另一側(cè)車輪發(fā)出命令，使加速行駛，并根據(jù)道路情況設(shè)定較長的延時時間。而車身一側(cè)傳感器檢測到數(shù)值使單片機(jī)觸發(fā)動作，但車前傳感器并未檢測到障礙物，單片機(jī)同樣給另一側(cè)車輪發(fā)出加速命令，這種情況下只需要較短的延時命令，實現(xiàn)小幅度調(diào)整。因此兩種情況下可以通過判定，設(shè)定不同延時時間實現(xiàn)不同情況的功能。

圖2 無人車系統(tǒng)設(shè)計流程圖

按照上面的模擬賽道，小車運行過程：啟動、起點放車→直行→遇障礙物左轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)向燈亮→回正直行、燈滅→遇障礙物右轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)向燈亮→回正直行、燈滅→減速、剎車燈亮→停車線前停車5秒、燈滅→通過人行橫道→終點停車。

四、結(jié)語

本設(shè)計按照現(xiàn)有交通法規(guī)，模擬現(xiàn)實中車輛在道路上安全駕駛。包括實現(xiàn)超車、障礙物躲避、減速、道路交通標(biāo)線識別及定點停車功能。系統(tǒng)的設(shè)計難處在于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的調(diào)試，就傳感器而言要考慮傳感器自身質(zhì)量、系統(tǒng)的相互干擾和環(huán)境等因素。在軟件調(diào)試方面要兼顧傳感器的性能特點和功能調(diào)試，要綜合考慮整體無人車系統(tǒng)的兼容性。由于采用4個獨立電機(jī)控制，根據(jù)傳感器反饋的各種數(shù)據(jù)通過單片機(jī)調(diào)試出最佳左右兩側(cè)車輪的差速值，實現(xiàn)高速連貫的躲避障礙物，同時通過原始的數(shù)據(jù)測量，獲得的行駛過程模型，將是最具價值和意義的。