无人驾驶汽车转弯信号灯控制系统设计.docx

1、无人驾驶汽车转弯信号灯控制系统设计摘 要无人驾驶汽车大大提高了交通系统效率和安全性，是未来汽车发展的一个方向。首先介绍了无人驾驶汽车技术的概况和国内外的发展现状，并阐述了本次设计的意义及要求，对无人驾驶汽车智能系统的总体设计进行简单说明。主要分析对无人驾驶汽车的转弯信号灯控制系统的设计，本次设计采用两种霍尔传感器对汽车方向盘的转向及刹车踏板的角度进行测量，将传感器的输出信号经过处理输入单片机，通过单片机来判断汽车当前的行驶状态和控制信号的状态。所设计的转弯信号灯控制系统结构简单，性能稳定，能够很好的满足设计要求。关键词：无人驾驶汽车；转弯信号灯控系统；霍尔传感器；51单片机；方向盘Abstra

2、ctThe unmanned vehicle can greatly improve the transportation efficiency and safety, and it is a development trend of future car. At first, I introduced the unmanned vehicle technology overview and current development at home and abroad. Besides, I discuss the significance of this design and require

3、ments, the unmanned vehicle intelligent system design of a simple description. Primary analysis on the unmanned vehicle turn signal lamp control system design, this design uses two Holzer sensor on the steering wheel of the steering and brake pedal angle measurement, the sensor output signal is proc

4、essed to MCU, through the microcontroller to judge the running state of the motor current and the state of the control signal. The design of turn signal lamp control system has the advantages of simple structure, stable performance, which can satisfy the design requirements.Keywords: The unmanned ve

5、hicle; Turn signal lamp control system; Holzer sensor; 51 single chip microcomputer；Steering wheel目 录摘 要 IAbstract II1 无人驾驶汽车概述 11.1无人驾驶汽车简介 11.2 国内无人驾驶汽车的发展现状 11.3 国外无人驾驶汽车发展现状 21.4 课题意义及主要研究内容 41.5 无人驾驶汽车智能系统的总体方案设计 41.5.1 无人驾驶汽车智能控制系统的各模块的主要功能 41.5.2 无人驾驶汽车智能控制系统的结构框图 52 转弯信号灯控制系统 62.1 转弯信号灯控制系统概

6、述 62.2 转弯信号灯控制系统设计 72.2.1 总体设计方案 72.2.2 系统主要器件选择 72.3 系统硬件部分 142.3.1 系统硬件电路图 142.3.2 系统各部分电路功能分析 142.4 系统软件部分 172.4.1 程序流程图 172.4.2 程序清单及注释 182.4.3 系统各部分程序功能说明 223 结论 233.1出现的问题及解决办法 233.2心得体会及建议 23参 考 文 献 24附录1 25附录2 261 无人驾驶汽车概述无人驾驶汽车是一种智能汽车，也可以称之为轮式移动机器人，主要依靠车内的以计算机系统为主的智能驾驶仪来实现无人驾驶。清华大学汽车系副研究员王建

7、强将无人驾驶汽车定义为“通过车载传感系统感知道路环境，自动规划行车路线并控制车辆到达预定目标的智能汽车”。它是利用车载传感器来感知车辆周围环境，并根据感知所获得的道路、车辆位置和障碍物信息，控制车辆的转向和速度，从而使车辆能够安全、可靠地在道路上行驶。1.1无人驾驶汽车简介无人驾驶汽车是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，对车辆的操作实质上可视为对一个多输入、多输出、输入输出关系复杂多变、不确定多干扰源的复杂非线性系统的控制过程。驾驶员既要接受环境如通路、拥挤、方向、行人等的信息，还要感受汽车如车速、侧性偏移、横摆角速度等的信息，然后经过判断分析和决策，并与自己的驾

8、驶经验相比较，确定出应该做的操纵动作，最后由身体、手、脚等来完成操纵车辆的动作。因此在整个驾驶过程中，驾驶员的人为因素占了很大的比重。一旦出现驾驶员长时间驾车、疲劳驾车、判断失误的情况，很容易造成交通事故。1.2 国内无人驾驶汽车的发展现状2011年7月14日，由国防科技大学自主研制的红旗HQ3无人车，首次完成了从长沙到武汉286公里的高速全程无人驾驶实验，创造了我国自主研制的无人车在复杂交通状况下自主驾驶的新纪录，标志着我国无人车在复杂环境识别、智能行为决策和控制等方面实现了新的技术突破，达到世界先进水平。 从20世纪80年代末开始，在贺汉根教授带领下，2001年研制成功时速达76公里的无人

9、车，2003年研制成功我国首台高速无人驾驶轿车，最高时速可达170公里；2006年研制的新一代无人驾驶红旗HQ3，则在可靠性和小型化方面取得突破。此次红旗HQ3无人车实验成功创造了我国自主研制的无人车在复杂交通状况下自主驾驶的新纪录，这标志着我国在该领域已经达到世界先进水平。 到2020年，驾驶员将不必再为汽车追尾而烦恼，“无人驾驶汽车将通过自身的雷达系统检测与前车的距离，如果与前车距离过近，汽车将会自动刹车。” 到2030年，驾驶员基本上可以在较复杂路况下只控制方向盘或只踩油门和刹车了，因为半自动驾驶技术会在大多数车辆上得到应用，那时汽车会自动设置路线或自动进行油门和刹车的配合。 国家自然科

10、学基金委员会近日称，我国自主研发的无人驾驶汽车2013年将测试从北京行驶到天津，2015年将测试从北京行驶到深圳。1.3 国外无人驾驶汽车发展现状发达国家从20世纪70年代开始进行无人驾驶汽车研究，目前在可行性和实用性方面，美国和德国走在前列。美国是世界上研究无人驾驶车辆最早、水平最高的国家之一。早在20世纪80年代，美国就提出自主地面车辆(ALV)计划，这是一辆8轮车,能在校园的环境中自主驾驶，但车速不高。美国其它一些著名大学，如卡耐基梅隆大学、麻省理工学院等都先后于20世纪80年代开始研究无人驾驶车辆。然而，由于技术上的局限和预期目标过于复杂,到20世纪80年代末90年代初，各国都将研究重

11、点逐步转移到问题相对简单的高速公路上的民用车辆的辅助驾驶项目上。1995年，一辆由美国卡耐基梅隆大学研制的无人驾驶汽车Navlab2V，完成了横穿美国东西部的无人驾驶试验。在全长5000km 的美国州际高速公路上,整个实验96%以上的路程是车辆自主驾驶的，车速达5060km /h。尽管这次实验中的Navlab2V仅仅完成方向控制，而不进行速度控制(油门及档位由车上的参试人员控制) ，但这次实验已经让世人看到了科技的神奇力量。丰田汽车公司在2000年开发出无人驾驶公共汽车，这套公共汽车自动驾驶系统主要由道路诱导、车队行驶、追尾防止和运行管理等方面组成。安装在车辆底盘前部的磁气传感器将根据埋设在道

12、路中间的永久性磁石进行导向，控制车辆行驶方向。2005年，美国国防部“大挑战”比赛上,最终由美国斯坦福大学工程师们改装的一辆大众途锐多功能车经过7个半小时的长途跋涉完成了全程障碍赛，第一个到达了终点。在赛道上,无人驾驶汽车需要穿越沙漠、通过黑暗的隧道、越过泥泞的河床并需要在崎岖险峻的山道上行使,整个行程无人驾驶汽车需要绕过无数个障碍。在无人驾驶技术研究方面位于世界前列的德国汉堡（Ibeo）公司,最近推出了其研制的无人驾驶汽车。这辆无人驾驶智能汽车由德国大众汽车公司生产的帕萨特2. 0改装而成，外表看来与普通家庭汽车并无差别,但却可以在错综复杂的城市公路系统中实现无人驾驶。行驶过程中,车内安装的

13、全球定位仪随时获取汽车所在准确方位的信息数据。隐藏在前灯和尾灯附近的激光扫描仪是汽车的“眼”，它们随时“观察”汽车周围约183 m内的道路状况,构建三维道路模型。除此之外，“眼”还能识别各种交通标识,如速度限制、红绿灯、车道划分、停靠点等,保证汽车在遵守交通规则的前提下安全行驶。最后由无人驾驶汽车的 “脑”安装在汽车后备厢内的计算机，将两组数据汇合、分析,并根据结果向汽车传达相应的行驶命令。多项先进科技确保这款无人驾驶汽车能够灵活换档、加速、转弯、刹车甚至倒车。近年来，不少国家在开发无人驾驶汽车技术。这样的汽车并非科幻电影中的道具，英国已经准备2010年就在部分机场投放这种无人驾驶汽车。在不久

14、的将来，英国政府将修建专门的无人驾驶汽车公路：或者在一般公路上开辟无人驾驶汽车快速通道。有关专家表示，在解决城市交通问题上，无人驾驶汽车因不用司机而成本更低，而且这些汽车采用电力驱动，更加环保。无人驾驶汽车可和城市交通指挥中心联网，选择最好的路线，有效避免塞车。1.4 课题意义及主要研究内容无人驾驶汽车的应用可以减少交通事故，是解决因驾驶员人为因素引起的道路交通安全问题的根本途径；此外，这项技术还可提高运输效率，能缩短行车间距，增加道路容量，防止交通堵塞，提高平均车速，改善燃油经济性，较少环境污染。另外，对于特殊作业和国防军事也有重大意义，无人驾驶汽车能够在易燃、易爆、有毒、抢险、宇航等危险环

15、境下代替驾驶员完成特殊作业，在侦查、演戏、排雷、防化、作战、反恐等军事领域有着广泛的应用前景。基于这些独特的优越性，调动广大的人力、物力、精力进行无人驾驶汽车技术的深入研究是十分必要的。本次设计的主要内容为完成无人驾驶汽车的智能控制系统的设计。使智能车能够确认自身当前位置，根据行使目标及途中情况规划、修改行车路线，行驶过程中能够可靠实现车速调节、车距保持、障碍避让、转弯、等动作。并可通过自动转向控制使自身按规定路线准确稳定地行驶，安全到达目的地。1.5 无人驾驶汽车智能系统的总体方案设计1.5.1 无人驾驶汽车智能控制系统的各模块的主要功能主控模块：使用单片机作为中央处理器，完成信号的处理及控

16、制信号的输出，对智能车的状态进行实时控制。环境感知模块：基于视觉及传感器对智能车行驶过程中的环境进行监测，主要有近/远距离测量、交通标志识别、车辆、行人及障碍物识别等。GPS路径导航模块：用于记录路径，使智能车能够按照规定的路线行驶，且可实现对路况的监测。自身感知模块：可实时获得智能车的行驶状态，如车速、车身倾角等。车身姿态控制模块：通过主控模块发出的控制信号来对智能车的状态进行控制，使智能车能够实现停车、转弯、避让等相应动作。报警模块：当停车或者智能车偏离车道时会发出相应的报警信号。信号灯模块：控制车头及车尾的信号灯在转弯或者刹车时的状态。本次设计是以控制系统为主要内容，通过感知环境及路况，

17、将获得的信号进行放大、转换等，使单片机能够对信号进行处理，并且根据获得的信息做出相应的判断发出控制信号，使智能车按照预定的方案行驶。除了以上的模块之外，还有电源管理模块、电机驱动模块、故障诊断模块等，在此不作详细介绍。1.5.2 无人驾驶汽车智能控制系统的结构框图停车控制车道线感知直线速度控制路面感知刹车状态控制车身姿态控制模块主控模块环境感知模块车辆与障碍物感知转弯控制交通标志感知紧急避让控制典型路口感知红绿灯避让云台控制上下坡控制信号灯控制模块GPS路径导航模块转弯信号灯控制GPS路径学习、记录刹车信号灯控制GPS路径控制报警模块自身感知模块车速感知停车报警车身姿态感知车道偏离报警图1.1

18、 无人驾驶汽车智能控制系统结构框图2 转弯信号灯控制系统 2.1 转弯信号灯控制系统概述汽车转弯灯控制系统在汽车电气部分占有相当重要的比重，而一般的控制系统常常采用TTL逻辑电路加控制杆进行控制，虽然都可以实现转弯灯控制功能，但是导线多，设计复杂，稳定性不好，若有某个接触点烧毁，就得整体更换，从而导致可靠性差，检修不方便和维修费用高等问题。而以8051单片机作为控制器，与软件及相应的角度传感器配合，不但可以实现转弯信号灯的自动控制，还可以提高系统的稳定性和可靠性。本设计用角度传感器探测方向盘和探测刹车踏板的角度信号，将获得的角度信号进行处理后送入单片机，通过软件对智能车转弯与否、转弯方向及刹车

19、与否进行判断，根据不同的状况控制信号的状态。智能车不转弯时，信号灯全灭；汽车转弯时相应的一侧尾灯和前灯闪烁发光；汽车刹车时，左右尾灯都亮，但在转弯过程中刹车，相应一侧的尾灯仍应闪烁，信号灯功能要求如表2.1真值表所列。表2.1转弯信号灯工作真值表状态左车头信号灯右车头信号灯左转信号灯右转信号灯左车尾信号灯右车尾信号灯左转弯闪烁灭闪烁灭闪烁灭 右转弯灭闪烁灭闪烁灭闪烁 刹车灭灭灭灭亮亮左转时刹车闪烁灭闪烁灭闪烁亮右转时刹车灭闪烁灭闪烁亮闪烁在本系系统中，汽车转弯状态下，外部信号灯的闪烁频率为1HZ的低频信号。2.2 转弯信号灯控制系统设计根据前面所述的理论和中断系统的知识进行具体总体方案设计，并

20、对所需的器件进行选择。2.2.1 总体设计方案以51单片机作为控制器，通过软件实现上述功能，为了保证系统的可靠性，本系统采用了先进的冗余技术和故障监控技术，使得系统在出现部分故障时也能正常工作。其系统设计框图如图2.1所示。信号灯单片机信号处理角度传感器方向盘旋转角度刹车踏板角度电源图2.1转弯信号灯控制系统框图2.2.2 系统主要器件选择本次设计所用的传感器皆为霍尔传感器，这类传感器是基于霍尔效应而制成的，所谓霍尔效应,是指当电流垂直于外磁场通过导体时,在导体的垂直于磁场和电流方向的2个端面之间会出现电势差,这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。本次设计所需的角度测量都可以通过

21、霍尔传感器来实现，因为方向盘转角和刹车踏板角度的变化都可以转换为此次强度的变化，霍尔传感器便是利用这种效应把磁场的变化转变为电压的变化。霍尔传感器一般分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器2种。线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成,输出为模拟量,主要用来检测电压、电流等物理量。开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器、斯密特触发器和集电极开路输出级组成,输出为脉冲方波信号,适用于数字控制系统,具有很强的抗干扰能力,主要用来检测转速、位移、角度等物理量。除了传感器之外，本次设计所用的单片机及信号处理电路中所用的器件将在以下进行详细介绍。(1) 方向盘旋转角度传感器开关型霍

22、尔传感器A3144霍尔开关电路的输出级一般是一个集电极开路的 NPN 晶体管，其使用规则和任何一种相似的NPN 开关相同。输出管截止时，输漏电流很小，一般只有几nA，可以忽略，输出电压和其电源电压相近，但电源电压最高不得超过输出管的击穿电压（即规范表中规定的极限电压）。输出管导通时，它的输出端和线路的公共端短路。因此，必须外接一个电阻器（即负载电阻器）来限制流过管子的电流，使它不超过最大允许值（一般为20mA），以免损坏输出管。输出电流较大时，管子的饱和压降也会随之增大，使用者应当特别注意，仅这个电压和你要控制的电路的截止电压（或逻辑“零”）是兼容的。一般规定，当外加磁场的南极(S 极)接近霍

23、尔电路外壳上打有标志的一面时，作用到霍尔电路上的磁场方向为正，北极接近标志面时为负。锁定型霍尔开关电路的特点是：当外加磁场B正向增加，达到BOP时，电路导通，之后无论B增加或减小，甚至将B除去，电路都保持导通态，只有达到负向的BRP时，才改变为截止态。霍尔传感器A3144是Allegro MicroSystem 公司生产的宽温、开关型霍尔效应传感器，其工作温度范围可达40150。它由电压调整电路、反向电源保护电路、霍尔元件、温度补偿电路、微信号放大器、施密特触发器和OC门输出级构成，通过使用上拉电路可以将其输出接入CMOS逻辑电路。该芯片具有尺寸小、稳定性好、灵敏度高等特点、有两种封装形式，一

24、种是3脚贴片微小型装，后缀为“LH”；另一种是3脚直插封装，后缀为“UA”。 传感器的芯片引脚、内部结构及相关参数如图2.2所示；传感器的性能指标如表2.2和表2.3所示。图2.2霍尔传感器A3144的引脚图及内部结构表2.2霍尔传感器 A3144在VCC=8V全工作温度范围的电特性参数符号测试条件量值最小典型最大单位电源电压VCC工作条件4.524V输出低电平电压VOUTIOUT=20mA,BBOP175400mV输出漏电流IOFFVOUT=24V,BBRP1.010A电源电流ICCBBRP(输出开路)4.49.0mA输出上升时间trRL=820，CL=20pF0.042.0s输出下降时间t

25、fRL=820，CL=20pF0.182.0s表2.3霍尔传感器A3144在VCC=4.524V时的磁特性参数符号测试条件量值单位最小典型最大工作点BOPTA=25C70350mT全工作温度范围35450释放点BRPTA=25C50330全工作温度范围25430回差BhysTA=25C2055全工作温度范围2055(2)刹车踏板角度传感器线性型霍尔传感器A3515A3515霍尔传感器十分敏感，并且有很好的偏移特性。其电压输出在一定范围内与磁感应强度成比例，静态输出电压约为50%的电源电压。可用于线性和旋转位置测量系统，在汽车和工业应用广泛。工作温度要求为-4至+150C ，输出灵敏度为5mV/

26、G。芯片内集成了改进的温度补偿电路、一个小信号高增益放大器以及端到端低阻抗输出级。独有的动态偏移取消技术与内部高频时钟，降低了由设备注塑成型、温度与热应力造成的剩余偏移电压。片内集成了霍尔元件和放大器减少了由微弱模拟信号带来的许多问题，提高了传感器的性能。其引脚图及内部结构如图23所示，主要性能指标如表2.4和表2.5所示。图2.3霍尔传感器A3515的引脚图及内部结构表2.4霍尔传感器 A3515在VCC=5V全工作温度范围的电特性参数符号测试条件量值最小典型最大单位电源电压VCC工作条件4.55.05.5V电源电流ICCB=0,VCC=6V,IO=07.21.0mA静态电压输出VOQB=0

27、,IO=1mA,TA=25C2.4252.5002.575V输出电压VOHB=+X*,IO=1mA4.7VVOLB=-X*,IO=-1mA0.2V输出源电流IOLMB=-X*,VO=0-1.0-1.5mA带宽（-3dB）BW30kHz时钟频率fC170kHz输出阻抗rOIO -2 mA1.0宽带输出噪声（有效值）eOB = 0, BW = 10 Hz 至 10 kHzIO -1 mA, CO = 100 pF400V表2.5霍尔传感器A3515在VCC = 5 V, IO = -1 mA全工作温度范围的性能指标参数符号测试条件量值最小典型最大单位工作温度范围TA-40+150C灵敏度S4.50

28、5.005.50mV/G灵敏度变化量S(T)TA =最大值-2.52.57.5%灵敏度变化量S(T)TA =最小值-9.0-1.31.0%静态偏移电压VOQ(T)温度测定10G静态偏移电压VOQ(V)辐射线测定100%灵敏度变化量S(V)辐射线测定100%正线性相关Lin+100%负线性相关Lin100%对称性100%(3) 单片机AT89C51AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器(FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。AT89C51是一种带2K字节闪存

29、可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中, ATMEL的AT89C51 是一种高效微控制器, AT89C51是它的一种精简版本。AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，芯片引脚如图2.4。其主要特性如下：与MCS-51兼容 4K字节可编程FLASH存储器寿命：1000写擦循环 数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24MHz 三级程序存储器锁定1288位内部RAM 32条可编程I/O线两个16位定时器/计数器 5个中断源可编程串行通道 低能耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路图2.4单片机AT89C51引脚图(4)电压比较器LM311LM311是单通道高速电压比较器。其工作电源电压范围广，包括15V运算放大器和5V电源供应逻辑系统。输出电平兼容与大多数TTL和CMOS电路兼容。可以驱动灯或继电器和开关电压高达50V。所有输入和输出可以系统地中分离。以地、正电源或者负电源为参考的输出可以驱动负载。具有补偿平衡和选通功能。并且输出可以线与连接。如果选低，这输出将处