基于STM32 無人駕駛網(wǎng)約車調(diào)度系統(tǒng)

鮑顥之，馬 凱，哈欣怡，王藝瑾，封曉同

（南京林業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，南京 210037）

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，居民對(duì)出行的便捷度要求日益提高［1］。為滿足市民對(duì)出租車的需求，很多城市制定了發(fā)展規(guī)劃，以整合巡游車和網(wǎng)約車協(xié)同發(fā)展的新業(yè)態(tài)。但由于道路資源有限以及出租車資源在城市某一區(qū)域的集中性，要想徹底解決打車難問題還需新思路。隨著無人駕駛汽車的發(fā)展，部分城市已嘗試將其投入出租車行業(yè)，未來無人駕駛網(wǎng)約車或?qū)⒊蔀橹髁鳂I(yè)態(tài)［2］。

本文設(shè)計(jì)的基于STM32F103CBT6 芯片的智能無人駕駛網(wǎng)約車調(diào)度系統(tǒng)，是在無人駕駛汽車的背景下，通過硬件模塊采集出租車及打車人的信息，經(jīng)過大數(shù)據(jù)分析優(yōu)化調(diào)度方案［3］；通過無線通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)共享，并向出租車下達(dá)出車指令，從而提高運(yùn)營(yíng)效率，改善交通狀況。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能無人駕駛網(wǎng)約車調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。系統(tǒng)以STM32F103CBT6 芯片為核心［4］，完成車輛的優(yōu)化調(diào)度。被調(diào)度的車輛可分為3 類，其中包括：空載車、即將到達(dá)目的地的期望空載車，以及經(jīng)乘客同意在行駛路徑上可搭載其他乘客的可共享車。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.1 System structure diagram

網(wǎng)約車在行駛過程中，車與車之間通過Wi-Fi模塊形成車載自組織網(wǎng)絡(luò)（VANET）［5］互相傳遞運(yùn)行狀態(tài)，并將信息通過GPRS 和路基單元RSU 實(shí)時(shí)共享給上位機(jī)平臺(tái)。同時(shí)，乘客的位置、目的地信息通過其個(gè)人設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)系統(tǒng)接收并處理信息后決定出車策略，并將調(diào)度信息通過RSU 發(fā)送給網(wǎng)約車，從而完成無人駕駛網(wǎng)約車的智能調(diào)度。

2 硬件設(shè)計(jì)

智能無人駕駛網(wǎng)約車調(diào)度系統(tǒng)的硬件主要包括：供電模塊、主處理器模塊、GPRS 模塊、GPS 模塊、Wi-Fi 模塊等。如圖2 所示，硬件設(shè)備以意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103CBT6 芯片為核心，供電模塊輔助其它模塊，通過串口或USB 轉(zhuǎn)485 與處理器連接，完成無人駕駛網(wǎng)約車的調(diào)度。

圖2 硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Hardware design block diagram

2.1 供電模塊

系統(tǒng)中，STM32F103CBT6 芯片的供電電壓為2～3.6 V，GPRS、GPS、Wi-Fi 模塊等外設(shè)的供電電壓均為5.0 V。系統(tǒng)供電模塊電路如圖3 所示，連接5.0 V 蓄電池電源，電容C6、C8起到濾波降壓的作用，AMS1117-3.3 為高效低壓差線性穩(wěn)壓器，用于交換電源5～3.3 V，保證輸出電壓為3.3 V 穩(wěn)壓，為其它設(shè)備供電。SMBJ3.3 A 為瞬態(tài)抑制二極管，有鉗位能力，可以保護(hù)I／O 接口。

圖3 供電模塊電路Fig.3 Power supply module circuit

2.2 處理器模塊

處理器模塊采用意法半導(dǎo)體基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的STM32F103CBT6 芯片，該芯片具有體積小、開發(fā)使用方式簡(jiǎn)單、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。芯片提供了64 個(gè)I／O 接口，支持IIC、JTAG／SWD、FSMC、PWM等外圍設(shè)備，完全能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也為后期的迭代升級(jí)提供了相應(yīng)的資源支撐。處理器模塊電路如圖4 所示，采用8M 外部晶振；使用原生串口或USB 轉(zhuǎn)RS485，實(shí)現(xiàn)串口通信；獲取無人駕駛出租車位置信息，并與VANET 中的其他車輛共享［6］；也可接收乘客信息后進(jìn)行分析、計(jì)算，設(shè)計(jì)合適的調(diào)度方案。

圖4 處理器模塊Fig.4 Processor module

2.3 GPS 定位模塊

如圖5 所示，GPS 模塊選用NEO-7M 單元，以U-blox 芯片為核心，提供UART、TTL、USB2.0 3 種輸出方式。本文采用KDS 公司生產(chǎn)的0.5PPM 級(jí)高精度溫度補(bǔ)償型晶振，其體積小、功耗低、靈敏度高，能夠滿足專業(yè)定位的要求。采用該模塊可以準(zhǔn)確定位無人駕駛網(wǎng)約車，獲取其實(shí)時(shí)位置信息［7］。

圖5 GPS 定位模塊Fig.5 GPS positioning module

2.4 GPRS 無線通信模塊

考慮到無人駕駛網(wǎng)約車的運(yùn)行狀態(tài)信息量不大，GPRS 足以將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程上位機(jī)系統(tǒng)，因此選用QUECTEL M35 模塊。M35 模塊是四頻段GSM／GPRS模塊，其工作頻段為：GSM850 MHz、EGSM900 MHz、DCS1800 MHz 和PCS1900 MHz。該模塊具有功耗低，工作溫度范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，適用于車載、工業(yè)級(jí)PDA 和無線POS 等。其中，模塊的21 引腳用于接收主處理器芯片傳輸過來的數(shù)據(jù)；22 引腳則是用于向主處理器芯片發(fā)送數(shù)據(jù)；最終數(shù)據(jù)通過GPRS 模塊的天線發(fā)送給上位機(jī)系統(tǒng)。電路設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 GPRS 無線通信模塊電路Fig.6 GPRS wireless communication module circuit

2.5 Wi-Fi 模塊

如圖7 所示，車-車之間的通信采用ESP8266無線通訊模塊，該模塊適用于移動(dòng)設(shè)備、可穿戴電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，具有超低功耗、工作范圍大、穩(wěn)定性高且能適應(yīng)各種操作環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，ESP8266 內(nèi)置Tensilica 處理器，可將高達(dá)80%的處理能力留給應(yīng)用編程和開發(fā)，適合運(yùn)用在VANET中［8］，實(shí)現(xiàn)車與車、車與路基單元間信息的傳遞共享。

圖7 Wi-Fi 模塊電路Fig.7 WiFi module circuit

3 軟件及算法設(shè)計(jì)

選用Visual Basic 6.0 搭建智能無人駕駛網(wǎng)約車調(diào)度系統(tǒng)的軟件部分。其主要功能由智能調(diào)度、公共求助、車輛計(jì)費(fèi)、設(shè)備檢測(cè)、行駛?cè)罩?、系統(tǒng)設(shè)置等部分組成。通過該軟件可在上位機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)無人駕駛網(wǎng)約車的智能調(diào)度、計(jì)費(fèi)收費(fèi)和系統(tǒng)維護(hù)功能。

軟件的核心功能是無人駕駛網(wǎng)約車的智能調(diào)度和派送［9］。主處理器在獲取的車輛運(yùn)行信息及乘客信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，通過基于優(yōu)先級(jí)的淘汰算法進(jìn)行分析，最終確定無人駕駛網(wǎng)約車的派送方案，并對(duì)無人駕駛網(wǎng)約車發(fā)出指令。

為便于分級(jí)管理，系統(tǒng)設(shè)置了權(quán)限區(qū)分功能。普通用戶僅能查看軟件界面信息并進(jìn)行調(diào)度工作，管理員具備發(fā)送公共求助、修改車輛計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)、存儲(chǔ)上傳以及界面設(shè)置的權(quán)限。如遇特殊情況，必須由管理員審核確定方可進(jìn)行操作。權(quán)限的設(shè)定可以充分保護(hù)客戶隱私、維護(hù)客戶權(quán)益。

系統(tǒng)功能流程如圖8 所示：

圖8 系統(tǒng)功能流程圖Fig.8 System function flow chart

如圖9 所示，系統(tǒng)界面通過GIS 地圖顯示區(qū)域內(nèi)網(wǎng)約車及乘客的位置信息。以南京市玄武區(qū)中山東路德基廣場(chǎng)商圈為例，系統(tǒng)自動(dòng)檢索8 位客戶半徑400 米內(nèi)的所有無人駕駛出租車，如果未檢出車輛則依次遞增250 米的檢索半徑。出車策略以基于優(yōu)先級(jí)的淘汰算法［10］給出。算法實(shí)現(xiàn)過程如下：

圖9 智能調(diào)度界面Fig.9 Intelligent dispatching interface

（1）當(dāng)有車輛處于檢索范圍重疊部分時(shí)，針對(duì)每一輛車計(jì)算其到達(dá)不同客戶目的地的預(yù)計(jì)油耗，如果客戶目的地過遠(yuǎn)以至于車輛的油量不足滿足需求，則淘汰該客戶。然后比較剩余各客戶周邊的車輛密度，為防止擁堵，淘汰周邊車輛密度排在前50%的客戶。

（2）當(dāng)處于檢索重疊部分的車輛分配完畢后，再分配其他車輛。此時(shí)以車為中心檢索周邊有需求的客戶，優(yōu)先選擇油耗可支撐且接送路徑重疊少的客戶。

（3）當(dāng)以上檢索結(jié)束后，可能出現(xiàn)多車對(duì)一人的情況，此時(shí)優(yōu)先派發(fā)距離客戶更近的車輛；也可能出現(xiàn)客戶未分配到車輛的情況［11］，則以該客戶為中心重新檢索，根據(jù)淘汰算法再次逐級(jí)篩選。

圖10 是空載車信息管理平臺(tái)，管理者可在本界面查看當(dāng)前派出車輛的車牌號(hào)、所在位置、目標(biāo)乘客的位置、姓名、手機(jī)號(hào)以及目的地。返回智能調(diào)度界面即可查看車輛在地圖上的行駛軌跡，從而掌握無人車的實(shí)時(shí)狀態(tài)，便于及時(shí)處理異常情況。

圖10 空載車調(diào)度Fig.10 Empty vehicle dispatching interface

當(dāng)車輛接到乘客后即開始計(jì)費(fèi)，車輛計(jì)費(fèi)界面如圖11 所示。左欄顯示收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，包括起步范圍、起步價(jià)以及里程單價(jià)、等待計(jì)價(jià)。上述信息可轉(zhuǎn)為編輯狀態(tài)，管理員可針對(duì)不同地區(qū)的具體情況調(diào)整收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)并同步保存。右欄則實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前車輛的行車?yán)锍?、累?jì)費(fèi)用等信息。在到達(dá)目的地后停止計(jì)費(fèi)，乘客可通過手機(jī)在線支付費(fèi)用。

圖11 車輛計(jì)費(fèi)界面Fig.11 Vehicle billing interface

4 結(jié)束語

本文以STM32F103CBT6 處理器為核心，通過GPS 模塊的信息采集，GPRS 模塊、Wi-Fi 模塊的信息傳輸，運(yùn)用本文給出的以車和人為中心的基于優(yōu)先級(jí)的淘汰算法，計(jì)算出無人駕駛出租車的調(diào)度方案。本系統(tǒng)有望進(jìn)一步節(jié)省乘客時(shí)間、降低空車率［12］，在解決打車難問題的同時(shí)，也在一定程度上降低了乘客的出行費(fèi)用。本系統(tǒng)從提升出租車調(diào)度效率的角度出發(fā)，為緩解城市交通壓力、提升交通運(yùn)輸?shù)恼w收益提供了可行思路。