基于GPS的無人車導(dǎo)航控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王麗俠

(唐山學(xué)院 智能與信息工程學(xué)院，河北 唐山 063000)

0 引言

無人駕駛智能車也叫無人車，是指在車內(nèi)沒有駕駛員的情況下，通過無線遙控或者自身程序來控制汽車的行駛狀態(tài)和路徑線路等狀態(tài)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)無人駕駛[1]。無人車具有廣泛的應(yīng)用前景，它在智能交通系統(tǒng)上的應(yīng)用是最典型的，不僅能適應(yīng)天氣的變化，還能減少交通事故的發(fā)生。無人車在軍事上也具有重要作用，例如它可以在危險(xiǎn)的核武器和生物化學(xué)污染過的地區(qū)進(jìn)行巡邏和偵查，提高搜索的精確度，提高辦事的效率。在農(nóng)業(yè)上，無人車可以用來進(jìn)行精細(xì)作業(yè)。因此，無人車的研發(fā)顯得十分的必要和迫切。

目前，在無人車的路徑導(dǎo)航方面取得了巨大的研究進(jìn)展。如麻省理工學(xué)院的無人車研發(fā)團(tuán)隊(duì)在運(yùn)動規(guī)劃系統(tǒng)中引入RRT算法，以提高其避障能力[2]；西安交通大學(xué)的馬亮博士針對無人駕駛車輛的運(yùn)動規(guī)劃問題，提出了一種變形RRT算法[3]；文獻(xiàn)[4]提出了一種基于地圖匹配的宏觀定位和基于環(huán)境感知的微觀定位相結(jié)合的綜合定位方法，該方法實(shí)現(xiàn)了車輛在局部地圖中的全局精確定位。

本設(shè)計(jì)將基于全球定位系統(tǒng)GPS和百度地圖API進(jìn)行無人車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過無線串口模塊使監(jiān)控站與無人車進(jìn)行信息交互，從而實(shí)現(xiàn)對無人車的導(dǎo)航控制。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

無人車導(dǎo)航控制系統(tǒng)分為無人車導(dǎo)航終端和監(jiān)控站兩部分。無人車導(dǎo)航終端以STM32F407為控制核心，并通過雙串口分別與無線傳輸模塊和GPS模塊連接，由此搭建無人車底層硬件平臺，無人車通過433 MHz的無線收發(fā)模塊與上位機(jī)監(jiān)控平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸。監(jiān)控站運(yùn)行于普通用戶配置的PC機(jī)，由C#語言編程實(shí)現(xiàn)，監(jiān)控站軟件人機(jī)界面通過加載百度地圖的方式，將無人車的路徑信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與跟蹤，并進(jìn)行路線規(guī)劃與控制。

無人車總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 無人車總體設(shè)計(jì)框圖

2 無人車導(dǎo)航終端的設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用的無人車導(dǎo)航終端由STM32F407單片機(jī)模塊、L298N電機(jī)驅(qū)動模塊、無線串口模塊和GPS模塊四部分組成。L298N電機(jī)驅(qū)動模塊可以提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速速，從而帶動整個(gè)智能車的行駛。單片機(jī)STM32F407通過串口1連接無線傳輸模塊，用來和監(jiān)控站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；串口2連接GPS模塊，用來獲取定位信息，以進(jìn)一步上傳給監(jiān)控站進(jìn)行顯示。監(jiān)控站通過無線傳輸模塊發(fā)送控制指令信息給無人車，使無人車按規(guī)定路線行駛。

在無人車的設(shè)計(jì)中，STM32F407單片機(jī)通過GPIOB的PB1和PB2引腳控制左電機(jī)，通過PB3和PB4引腳控制右電機(jī)。當(dāng)PBout(1)、PBout(2)、PBout(3)、PBout(4)均輸出為10，01或00時(shí)，對應(yīng)無人車前進(jìn)、后退或停止；當(dāng)PBout(1)、PBout(2)、PBout(3)、PBout(4)輸出為1001時(shí)，無人車右轉(zhuǎn)；當(dāng)PBout(1)、PBout(2)、PBout(3)、PBout(4)輸出為0110時(shí)，無人車左轉(zhuǎn)。

無線串口模塊為成都億佰特公司生產(chǎn)的E31-TTL-50，這是一款基于AX5043射頻芯片的直插型無線串口模塊，半雙工，使用433 MHz默認(rèn)工作頻率，它具有抗干擾能力超強(qiáng)、編碼效率高、可加密等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)中，無線模塊采用方式0，M0和M1，均接地，其RXD和TXD分別連接STM32F407單片機(jī)的UART1的PA9和PA10。

本設(shè)計(jì)GPS模塊采用U-BLOX系列中的NEO-6M芯片，考慮到無源陶瓷天線在室內(nèi)的定位速度較慢，而有源天線定位速度較快，所以將GPS模塊配合有源天線來使用，以快速獲取定位信息。模塊默認(rèn)波特率為9 600[5]。其中，模塊的TXD發(fā)送引腳和RXD接收引腳分別與STM32單片機(jī)UART2的PA3(UART2_RXD)和PA2(UART2_TXD)連接。模塊通過固定的幀格式傳遞GPS定位信息，通過編程實(shí)現(xiàn)無人車的位置信息的獲取。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 無人車行駛設(shè)計(jì)

在行駛設(shè)計(jì)中，定義了控制電機(jī)的4個(gè)引腳，并編寫了5個(gè)函數(shù)，分別為前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和中止函數(shù)，來控制無人車。當(dāng)無人車接收到監(jiān)控站發(fā)送的指令后，先對指令進(jìn)行識別，判斷發(fā)送的是哪種控制信息，調(diào)用相應(yīng)函數(shù)。無人車行駛設(shè)計(jì)的流程圖如圖2所示。

2.2.2 GPS定位設(shè)計(jì)

從監(jiān)控站實(shí)時(shí)觀察無人車的位置，首先需要通過GPS模塊來獲取無人車的位置信息。GPS開始定位后，先把位置信息通過串口2發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)收到后，再通過串口1發(fā)送給監(jiān)控站。監(jiān)控站收到無人車的經(jīng)緯度坐標(biāo)后，在百度地圖上顯示其位置。

圖2 無人車行駛設(shè)計(jì)流程圖

GPS數(shù)據(jù)傳送的流程圖如圖3所示。

圖3 GPS數(shù)據(jù)傳送流程圖

3 監(jiān)控站軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控站軟件設(shè)計(jì)基于Visual Studio 2013平臺，使用C#語言和JavaScript腳本語言編程，結(jié)合百度地圖API二次開發(fā)來實(shí)現(xiàn)。

3.1 串口通信設(shè)計(jì)

在Visual Studio 2013中使用SerialPort控件來進(jìn)行串口通信，流程圖如圖4所示。

圖4 串口通信流程圖

監(jiān)控站軟件運(yùn)行后，自動調(diào)用GetPortNames()函數(shù)，將已連接的端口號顯示在Combobox的下拉列表中，工作人員匹配端口號，設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗(yàn)位信息，設(shè)置正確后，監(jiān)控站和無人車即可進(jìn)行通信，從而控制無人車行駛及進(jìn)行路徑信息的顯示。

3.2 導(dǎo)航地圖的設(shè)計(jì)

將百度地圖嵌入監(jiān)控站界面，既可以顯示出無人車的當(dāng)前位置，也可以對無人車行駛路線進(jìn)行規(guī)劃。要想實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能需要借助.NET下的WebBrowser控件。

在監(jiān)控站窗體中從工具箱中拖入WebBrowser控件，用來加載百度地圖API的本地網(wǎng)頁文件，進(jìn)而顯示百度地圖。此時(shí)必須在Ground窗體From中添加一個(gè)Load事件，并加入以下代碼：

private void Ground_Load(object sender，EventArgs e)

{string str_url=Application.StartupPath+"BMap.htm"；

Uri url=new Uri(str_url)；

webBrowser1.Url=url；

webBrowser1.ObjectForScripting=this；

}

Form窗體的Load事件的實(shí)現(xiàn)：當(dāng)打開監(jiān)控站的界面時(shí)，自動與百度地圖的服務(wù)器建立連接，將地圖顯示在界面中。百度地圖調(diào)用流程圖如圖5所示。

加載地圖后，基于百度地圖的二次開發(fā)可實(shí)現(xiàn)路線規(guī)劃和路線顯示的擴(kuò)展功能。路線規(guī)劃即為在導(dǎo)航軟件中將無人車的路線繪制出來，提取出經(jīng)緯度信息及速度信息，通過無線串口模塊發(fā)送給無人車，使無人車按照既定路線行駛；路線顯示即無人車將路線發(fā)送到導(dǎo)航軟件中并顯示到地圖上，使操作者對無人車的行駛軌跡有所了解，從而能夠判斷其運(yùn)行情況。

圖5 百度地圖調(diào)用流程圖

4 實(shí)驗(yàn)測試

監(jiān)控站界面運(yùn)行后，設(shè)置串口通信的相關(guān)參數(shù)，打開串口，準(zhǔn)備收發(fā)數(shù)據(jù)。無人車將行駛過程中的位置信息以經(jīng)緯度的形式實(shí)時(shí)上報(bào)，并顯示在百度地圖中。同時(shí)，通過界面控制無人車的行駛路線，實(shí)現(xiàn)跟蹤、定位的功能，如圖6所示。界面右側(cè)加載百度地圖，地圖中紅色線為規(guī)劃路線，路線的經(jīng)緯度信息以列表形式顯示在地圖左側(cè)，點(diǎn)擊發(fā)送按鈕即可發(fā)送至無人車；藍(lán)色線為實(shí)際行駛路線，可通過生成經(jīng)緯度查看其經(jīng)緯度列表；同時(shí)界面還可以顯示行駛速度及當(dāng)前位置坐標(biāo)等。

圖6 無人車導(dǎo)航系統(tǒng)監(jiān)控站運(yùn)行界面

5 結(jié)論

本文完成了無人車導(dǎo)航終端硬件和軟件設(shè)計(jì)及監(jiān)控站軟件設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，監(jiān)控站導(dǎo)航界面交互性良好，且與無人車的信息交互穩(wěn)定、可靠，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，系統(tǒng)拓展性良好，具有一定的實(shí)用價(jià)值。