基于激光雷达的智能车辆避撞系统研究_精品文档.pdf
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申请上海交通大学硕士学位论文基于激光雷达的智能车辆避撞系统研究学校：
学校：
上海交通大学院系：
院系：
机械与动力工程学院班级：
班级：
B0402093学号：
学号：
1040209103工学硕士生工学硕士生：
贺秋丽工程领域：
工程领域：
机械电子工程导师：
导师：
翁新华（副教授）上海交通大学机械与动力工程学院机电控制研究所2007年2月上海交通大学机械与动力工程学院机电控制研究所2007年2月ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityforMasterDegreeofEngineeringCOLLISION-AVOIDINGSYSTEMOFINTELLIGENTVEHICLEBASEDONLASERRADARAuthor：
HeqiuliSpecialty:
MechatronicsEngineeringAdvisor:
Vice-Prof.LiuWengSchoolofMechanicalandPowerEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityShanghai,P.R.ChinaFeb.10,2006基于激光雷达的智能车辆避撞系统研究摘要本文针对无人驾驶智能车辆安全技术，以欧盟资助项目CyberC3智能车辆为研究平台，开发出一套智能车辆自动避撞系统，它以DSP芯片TMS320LF2407A为核心控制部件，以激光雷达为障碍物检测传感器，不仅能实时检测车辆前方障碍物，报告控制子系统进行紧急制动，同时能把激光雷达数据实时传输给上位机进行激光导航算法实现。
根据功能需求分析和现有方案的不足，本文自主研发了一套避撞系统，进行了总体方案的设计，并在此基础上进行了整个系统的研究和开发工作，在TI的CCS平台上用C语言编写了系统软件，利用高速UART串口成功配置了激光雷达，然后针对智能车辆在不同行驶情况下的前方警戒区域，编写了避撞算法。
系统和上位机接口选择了CAN总线传输，使得数据传输的实时性很高，满足上位机进行精确定位导航算法的要求。
控制子系统是避撞系统的基础，避撞系统发出的紧急制动命令要由控制子系统来实现。
本文针对避撞功能需求，对控制子系统的硬件和软件进行了设计。
最后，对系统进行联调，试验表明系统数据传输实时性好，避撞算法可靠，控制子系统运行良好。
关键词：
智能车辆，激光雷达，自动避撞，DSP，UART，CAN总线COLLISION-AVOIDINGSYSTEMOFINTELLIGENTVEHICLEBASEDONLASERRADARABSTRACTInthisthesis,theresearchworkaimsatthesafetyguaranteetechnologyofintelligentvehicle,Thecyberc3intelligentvehicleistakenastheplatformforexperimentalresearch,acollision-avoidingsystemisdeveloped.WiththecorecontrollerofDSPTMS320LF2407A,andthedistancedetectsensoroflaserradar,itcannotonlydetectobstacleinfrontofthevehicleandinformthecontrolsystemtobrakeurgently,butalsotransferlaserdatatoPCatrealtime.Accordingtofunctiondemandanalysisanddeficiencyofexistencescheme,anoveralldesignofcollision-avoidingsystemhasbeenmadeinthisarticle,andthehardwareandsoftwareofthesystemhasbeendesigned.ThesystemappliesUARTcommunicationtoconfigurelaserradar,andaimsatthedifferentsteercircumstance,collision-avoidingarithmetichasbeenmade.ThesystemandPCcommunicatebyCANbus,thelaserdataistransferredtoPCatrealtime,andmeetstheneedoflasernavigation.Controlsystemisthebaseofcollision-avoidingsystem,theinformationofurgentbrakeisrevealedbycontrolsystem,thisthesisdesignedthehardwareandsoftwareofthecontrolsystem.Atthelast,thewholedesignisadjustingandrunningtogether,thepracticeresultshowsthatthepresumedfunctionhasbeenrealized.KEYWORDS:
Intelligentvehicle,Laserradar,Collision-avoidingsystem,DSP,UART,CANbus目录第一章第一章绪论绪论.11.1课题来源.11.2课题背景.11.3国内外智能车发展概况.21.4智能车辆避撞系统关键技术.51.5课题意义与主要研究内容.10第二章第二章系统方案与硬件设计系统方案与硬件设计.122.1方案设计.122.2系统硬件设计.152.3激光雷达.212.4小结.25第三章第三章避撞系统软件设计避撞系统软件设计.263.1系统软件设计.263.2激光雷达的配置.263.3数据处理.323.4CAN通信.393.5小结.42第四章第四章控制子系统软硬件设计控制子系统软硬件设计.434.1系统总体方案.434.2电源设计.454.3转向系统.484.4驱动系统.564.5小结.61第五章第五章实验结果与分析实验结果与分析.625.1上位机接收激光雷达数据实验.625.2激光雷达避撞实验.64第六章第六章结论与展望结论与展望.686.1结论.686.2展望.68参考文献参考文献.69致致谢谢.73攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目.74上海交通大学硕士论文第一章绪论1第一章绪论1.1课题来源CyberC3项目是欧盟统一资助和管理的一项国际合作项目。
该项目目的是研制出无人自动驾驶车辆，为未来交通系统提供一种灵活，高效，安全，环保的新型公共交通工具，为人们的交通提供更多的选择以及降低人为的环境污染。
目前项目成员包括上海交通大学，法国国家信息与自动化研究所（INRIA），葡萄牙Coimbra大学，其中上海交通大学为项目的负责单位。
本课题是该项目的一个子部分，对智能车辆的避撞系统进行了设计，以保障智能车辆的安全。
1.2课题背景汽车自诞生以来的100多年间，以其特有的优越性为现代社会的发展和人类生活条件的改善做出了巨大贡献。
但是，汽车数量的日益增加不可避免地带来了交通事故、交通拥挤、环境污染、能源浪费等诸多问题。
尤其是道路交通事故发生率居高不下，死亡人数逐年增长，由此造成的经济损失不可估量，许多人发出了“车祸猛如虎”的惊叹!
因此，无论是发展中国家进行的汽车化过程，还是目前发达国家面临的汽车化发展，提高汽车安全性能、减少道路交通事故一直是人们普遍关注的社会问题和科学技术进步所面临的重要课题。
汽车发展的历史同时也是汽车安全性能不断提高的历史。
到目前为止，世界各国已经分别在汽车安全性设计、道路交通设施与环境的改善、智能交通系统（IntelligentTransportationSystem,ITS）、道路交通安全评价及事故预测、道路交通安全法规以及驾驶行为等方面进行了大量的研究。
勿庸置疑，这些研究对保证道路交通安全起到了积极作用，为该领域的深入研究提供了十分有意义的基础思路。
尤其是在汽车安全性设计方面，各大汽车厂家在提高燃油经济性、降低汽车排放的同时，越来越多地注重提高汽车的安全性能，各种主动安全措施和被动安全措施（如安全气囊等）已经被成功地应用在汽车上。
但是，基于汽车的道路交通系统是一个有人参与的复杂系统，人在其中的行为决定了相当一部分系统的性能。
英国和美国的科学家研究分析表明，每个交通事故均不同程度地涉及到驾驶员、汽车和道路环境因素。
英国的研究得出道路交通事故肇事发生的唯一原因是由驾驶员因素引起的占65%（美国为57%），而与驾驶员因素有关（驾驶员一汽车因素、驾驶员一道路环境因素、驾驶员一汽车一上海交通大学硕士论文第一章绪论2道路环境因素和驾驶员因素）的百分率占到近95%（美国占94%）。
我国道路交通事故的统计也表明，主要由于驾驶员造成的事故占90%左右1。
总之，驾驶员失误作为肇事发生交通事故的主要原因已被世界各国所公认。
驾驶员因素包括违章行为（如酒后或疲劳驾驶、超速等）、驾驶水平、驾驶员心理因素等。
例如，驾驶员因酗酒、打电话、与他人交谈、在高速公路上长时间行车过于疲劳困乏，使得自身对外界发生的异常事件反应能力降低，从而引发交通事故;雾天由于驾驶员视距的减小而造成追尾事故;在高速行驶中，由于人的反应能力极限而导致交通事故等。
由驾驶员人为因素造成的交通事故，仅仅通过对驾驶行为的规范和教育难以有效地克服。
如果要从根本上解决这一问题，就需要将“人”从交通控制系统中请出来，从而提高安全性。
由于智能车辆不需要司机，系统效率也随着提高。
这种新型车辆控制方法的核心，就是实现车辆的无人自动驾驶。
而车辆安全是无人驾驶车成败的关键。
1.3国内外智能车发展概况1.3.1国外智能车发展概况智能车项目在欧洲的发展已经初具成效，并已经成立了统一的合作组织。
其中，欧盟的代表性研究项目包括第五框架的CyberCars和CyberMove项目、第六框架的CyberCars-2项目等234。
经过几年的研究，已经获得了初步的成功，部分系统已投入实际运行。
例如，Frog公司于1997年12月，就有ParkShuttle在荷兰阿姆斯特丹Schiphol机场的应用，如图1-1所示，但那只是最早期的技术，在两地间按既定路线行驶，没有多少人车交流。
图1-1Frog公司CyberCar在机场的应用Figure1-1FrogcybercarinSchipholAirport1999年2月，在荷兰鹿特丹，同样的技术用于ParkShuttle在Rivium商业上海交通大学硕士论文第一章绪论3区的应用上。
在2002年，CyberCab在荷兰2002年园艺博览会上进行了客人的运送试验，如图1-2所示，这时技术已经相对成熟，能够进行一定的人车交流，完成既定路线上客人的运送服务。
图1-2雅马哈公司的智能车辆CyberCabFigure1-2CyberCabfromYamah
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