1 引言

随着电子技术的成熟与人工智能的不断进步，汽车的无人驾驶技术正在被许多科研院所、企业、高校作为战略项目进行深入研发。百度、Google起步较早，凭借其所具有的高精度地图、高GPS定位等现有技术，在开发过程中具有一定的优势。京东、顺丰等也成立了无人驾驶配货车的研发事业部门，全力打造未来快递的智能配送。同济大学、清华大学、上海交通大学、长安大学和武汉理工大学等高校也拥有无人驾驶研发团队[1]。尤其在2016年，长安大学与教育部、中国移动通信集团公司、清华大学签署了共建车联网教育部—中国移动联合实验室，并在2017年10月完成占地28万m2的长安大学车联网与智能汽车试验场，以提供专业的无人驾驶车辆的开发与测试环境，无人驾驶方向的研究正在如火如荼地进行中。目前，在无人驾驶车辆的研究中，各研究单位大部分都是通过对现有的车辆进行改装，在转向系统、制动系统和控速系统等方面进行升级，再借助激光雷达、毫米波雷达和双目摄像机等实现对环境的感知，通过GPS定位系统实现车辆的无人驾驶。本课题组长期从事无人驾驶方面的项目研究，具有丰富的无人驾驶车辆的改装升级经验，在无人驾驶车辆的开发与测试中，独立设计的无线的遥控与自主切换的无人驾驶车辆控制系统，能够采集车辆的传感器信号，并回传给遥控器，并具有通过遥控器实现车辆的紧急制动、遥控行驶和进入自主的无人驾驶模式等功能。在无人驾驶汽车的项目研究中，能够极大程度的保证开发与测试环境的安全，并且为整个开发与测试环节带来很多的方便，在无人驾驶车辆的开发和测试过程中具有重要意义。

2 控制系统总体设计方案

无人驾驶试验车辆一般由自动挡配置的车辆改装而成，主控系统需要接收车辆行驶过程中的车速信号、转向信号、制动信号，并完成对控速系统、转向系统和制动系统的控制。在改装过程中，通过3个大力舵机完成机械方面的改装，车速的提取可以通过安装旋转编码器进行采集，再传递给主控系统。无线遥控系统包括模式切换部分、转向信号输入采集部分、控速信号输入采集部分、制动信号输入采集部分、监控显示部分和虚拟挡位信号输入采集部分等[2]。主控系统与无线遥控系统通过SPI通讯实现全双工的信息传递。控制系统的框架如图1所示。

本次设计中主控系统与遥控系统都采用NXP的32位单片机K60作为核心处理器，主要用到K60的ADC模块、GPIO模块、FTM模块和SPI通讯模块等。主控系统与遥控系统通过NRF24l01模块实现信息的互发互收。相互通信的信号包括：车速控制信号、转向控制信号、制动控制信号、故障紧急制动信号、遥控与自主切换信号等。

3 主控系统设计

主控系统的功能是实现对无人驾驶车辆内部传感器信号的采集以及实现对无人驾驶车辆三大执行机构的控制[3]。主控系统核心处理器选用NXP的MK60DN512芯片，主控系统有两种工作模式：遥控模式与自主模式，两种模式可以通过遥控器的模式选择实现切换功能，接下来在具体模式下介绍主控系统的控制方式。

素养考查分析：该题是2018年理科数学填空题的最后一题，为求解函数的最小值问题，题目非常的简短，看似简单，其实需要考生熟练掌握函数的单调性、函数求导运算、函数最值等相关知识，以及较强的数学运算求解能力．做好这题的关键是找准解题的方法，其中一种解法是利用函数的单调性求其最小值．

  

图1 控制系统框架图

3.1 自主模式

在圆弧类工件轮廓测量过程中，空间圆弧拟合是至关重要的一步[1-3]。在通过轮廓特征提取及匹配，获得轮廓点空间三维坐标后，需进一步通过空间圆弧拟合得出圆弧半径、圆心坐标等相关信息。空间圆弧拟合的精度将对最终测量结果产生重要影响。

由此可见，新时期以素质教育为背景的阅读教育理念、教学方式和重点都面临着重大变革，而它们的调整与转变是以理顺我国教育体制、机制，教育目标彻底转向培养合格公民为前提的。

在制动方面，自主状态下，制动信号主要取决于激光雷达与双目相机的分析结果，在检测到障碍物并得到与车辆的距离信息后，主控系统控制制动舵机进行相应的制动动作。自主模式如图2所示。

2) 沸溢火灾主要发生在原油储罐和固定顶储罐，虽极少发生但危害极大，尽快扑灭火灾是防止储罐沸溢最有效的措施。

在转向方面，无人驾驶车辆的行驶轨迹一般由系统提前设定，按照规划的路径完成避障行驶，汽车在行驶过程中通过GPS能够进行准确定位，实时分析自身与预定轨迹的行驶偏离，核心处理器再通过输出PWM波调节转向舵机使车辆实现轨迹跟随[5]。

吴小红的手机就是这时响起来的。接完电话我就知道该去上班了，我得去跟吴小哥谈谈三十年前的古家庄。自从接了工作，这样主题重复的谈话已经持续了十多次。吴小红在电话里说，吴小哥最大的问题就是经常混淆过去和现在。

  

图2 自主模式行驶图

3.2 遥控模式

主控系统在接收到遥控指令的情况下进入遥控模式。遥控模式的主要目的是为自主模式的研发与测试提供便利。在遥控模式时，主控系统接受由遥控器传递的控速信号、转向信号和制动信号，可以通过遥控方式实现无人驾驶试验车辆的远距离遥控。遥控系统与主控系统通过增强型NRF24l01进行通讯，遥控距离可达1 000 m。同时，遥控模式也是为自主模式做的准备工作，两种模式区别在于一种是按照自主避障跟随的方式行驶，一种是按照人为主观意图无线遥控运动，但两种模式都需要通过主控系统控制三大执行机构完成相应的动作。三大执行机构是在原自动挡汽车的基础上改装的，因此对改装后三大机构的测试是不可或缺的，在实际做自主的无人驾驶试验之前，通过在遥控模式下对三大机构的测试，可以做好自主模式前的准备工作。

无人驾驶试验车辆的试验过程具有一定的危险性。在自主模式下，如果无人驾驶试验车辆未按照规划的轨迹行驶或者是未进行有效的实现避障动作，就需由自主模式迅速切换到遥控模式[6]。因此，遥控模式在无人驾驶试验的过程中，无论是在试验便捷性方面，还是在安全性方面，都具有着特别重要的意义。遥控自主关系如图3所示。

  

图3 遥控自主关系图

4 遥控系统设计

遥控系统的主要功能是实现人为信号的输入，包括模式选择信号、转向输入信号、控速输入信号、制动输入信号和挡位切换信号，将这些信号进行采集并同步发送给主控系统，同时接受来自主控系统反馈回的车速信号和故障信号等，并在遥控系统的显示模块实时显示各状态的参数。遥控系统也选用NXP的MK60DN512芯片作为核心处理器，也配备NRF24l01无线通讯模块，与主控系统实现信号的互发互收。

4.1 模式选择

两种模式的切换由一路开关控制，在开关接上时，由电路给控制器MK60DN512提供低电压；在断开时提供高电压。通过控制器的一路GPIO口检测这一电压，在检测到高电压时，遥控器绿灯亮，为遥控模式，遥控器向主控系统发送模式指令0；在检测到低电平时，遥控器红灯亮，为自主模式，遥控器向主控系统发送模式指令1。

主控系统首先检测遥控器发送的模式指令，在接受到自主模式指令的情况下，自动切换到自主模式。主控系统根据 NMEA-0183协议解析差分GPS的GGA信号以获取车辆位置及航向角信息，并将经纬度信息转换成空间距离信息，使用跟随预瞄控制模型实现无人驾驶汽车的轨迹跟随功能。解析激光雷达的UDP数据包以获取车辆周围环境的三维点云或者分析双目相机空间深度图，建模并识别道路路沿，判断可行驶区域以及检测道路上的障碍物，实现无人驾驶汽车的避障功能[4]。

4.2 转向输入

制动部分分为遥控模式下的自动制动与自主模式下的触发制动。自动制动信号来自于AD控速信号值，在中间值128附近的一段范围（108～148），制动舵机工作，制动力度与（具体采样值与128）的差值成反比，在控速摇杆处于中间位置时，制动舵机将达到最大的制动力度。触发制动是自主模式下，车辆出现偏离轨迹或避障失效，通过紧急制动按钮迫使车辆停车并自动切换到遥控安全模式，触发制动原理同模式选择原理相同，通过K60的GPIO功能实现高低电平的采集，本次设计中制动开关按下检测到低电平，定义为触发制动状态。

4.3 控速输入

控速信号的输入与转向信号的输入方式相同，也通过一个单向摇杆的电位器来实现，两端也接3.3 V电压，通过K60处理器的另外一路AD通道采集这一电压信号，定义8位精度，得到0～255的数值，128为其中间位置的采集值。这样（127～0）即可表示控制车辆前进，（128～255）即可表示控制车辆倒退，具体值与128的差值可表示控制车辆运行的速度。通过NRF24l01，向主控系统同步传输这一8位精度的AD控速信号值。

4.4 制动输入

转向信号通过一个单向摇杆的电位器实现，两端接3.3 V电压，摇杆处于不同位置时会输出0～3.3 V电压，处于中间位置时输出1.65 V电压。通过K60处理器的ADC模块采集这一电压信号，定义8位精度，得到一个0～255的数值，128为其中间位置的采集值。这样（127～0）即可表示控制车辆左转，（128～255）即可表示控制车辆左转，具体值与128的差值可表示控制车辆转向的幅度。遥控器通过NRF24l01向主控系统同步传输这一8位精度的AD转向信号值。

4.5 挡位切换

档位的设置是方便以不同的速比遥控试验车辆，通过一个三位开关实现切换，开关处于每一个位置会导通一路高电压，利用核心处理器K60的三个通道的GPIO去读取这一开关量，在三路分别检测到高电压时对应1挡、2挡、3挡。通过NRF24l01将档位信号发送给主控系统，进而以不同的程度去控制油门舵机，实现不同的遥控实行速比。

在控速方面，通过K60核心控制器的FTM模块输出PWM波控制油门舵机实现车辆的运动，车速信号通过安装在汽车后轮上的旋转编码器采集并反馈给主控板，主控系统通过PID闭环调节油门舵机，使汽车稳定在预先设定的行驶速度，行驶速度的设定随汽车转向盘转角的增加而减小。

4.6 监测显示

在主控系统与遥控系统中，各自的以及相互传递的变量比较多，为了能够直观实时观察各变量的状态，本次设计中采用山外的ILI9431液晶屏，将当前速度、当前转向盘转角、当前挡位、当前模式、当前制动状态、当前遥控器与主控系统的连接状态、故障诊断代码等都通过液晶显屏显示出来，并且实时地刷新各状态参数。在自主模式下，检测是否接受到有效的GPS信号和雷达双目信号，在正常状态下发送safe状态信号给遥控系统并显示状态。

5 无线回传与安全性设计

信号的无线回传通过变量同步的方法实现。变量同步即是主控系统与遥控系统双方彼此定义相同的变量与相同的变量缓存区，在需要收发信号时通过传递变量值到对方缓存区，通过读取缓存区的值并赋值给变量完成该信号的同步。同步如图4所示。

部分二胡演奏者在表演时换把动作都呈现出不协调的现象，整个过程僵硬机械，且略显疲软，这些都是由于对换把动作的原理和程序不了解所导致的。也正是由于换把动作的不协调会在一定程度上影响手指按音位置，无法准确把握音准，表演时的表情和动作无法感染观众。

遥控的一个最主要目的是确保整个开发试验环境的安全，但在遥控系统与主控系统出现连接异常断开的时候，必须有紧急的安全保护措施。在本次设计中，遥控系统和主控系统分别检测对方是否发过来的信号，定义int变量duankai，在未接收到信号时，duankai++；在接受到信号时duankai清零。通过在主函数中运行这一子函数，经过调试，当duankai＞50 000时，确定连接中断，主控系统在断开连接的情况下进行安全制动，遥控系统在显示器上显示断开连接状态。

  

图4 变量同步原理图

6 总结

本次设计的无人驾驶试验车辆遥控与自主切换控制系统，应用于本课题组的无人驾驶车辆有关项目的研发与调试，稳定性良好，为无人驾驶汽车项目的研发提供了便捷的开发测试环境，并且保证了整个开发环境的安全。图5为无人驾驶汽车与无人配货车的试验图。

  

图5 试验图

本次提供的无人驾驶试验车辆遥控与自主切换的实现方案对整个无人驾驶方向的研究具有重要的实践意义。

参考文献

[1] 马腾.无人车自动泊车引导系统的研究.西安工业大学，2016

[2] 潘凯.基于MPC555的混合动力电动汽车整车控制器硬件系统设计.汽车工程,2005(1):20～23,27

[3] 张卫忠.基于仿人智能控制的无人地面车辆自动驾驶系统研究.中国科学技术大学，2014

[4] 徐子睿.基于工业互联网的井下车辆视频采集、定位与避障技术研究.北京交通大学

[5] 韦腾舟.无人驾驶城轨车辆精确停车控制策略研究.兰州交通大学，2016

[6] 辛煜.无人驾驶车辆运动障碍物检测、预测和避撞方法研究.中国科学技术大学，2014