CN203063940U

CN203063940U - 一种无人驾驶汽车装置

Info

Publication number: CN203063940U
Application number: CN 201220724107
Authority: CN
Inventors: 赵轩; 刘瑞; 余强; 贺伊琳; 肖广朋
Original assignee: Changan University
Current assignee: Changan University
Priority date: 2012-12-25
Filing date: 2012-12-25
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2022-12-25

Abstract

本实用新型公开了一种无人驾驶汽车装置，该无人驾驶汽车装置，包括无人驾驶汽车主控制器、车道信息采集模块、高速数字信号处理器、转向控制模块、雷达测速模块、驱动及制动控制模块。车道信息采集模块提取车辆相对于两侧车道线的位置，无人驾驶汽车主控制器根据该位置的坐标值驱动转向步进电机转过一定角度，从而控制转向轴转过一定的角度，根据雷达测速模块输入至无人驾驶汽车主控制器的速度值，控制驱动步进电机转过一定的角度，达到控制汽车车速的目的。制动控制电机以同样的原理根据无人驾驶汽车主控制器的控制信号控制制动踏板的动作，完成汽车的制动过程。本实用新型具有高度智能化、高精度与高可靠性、为构建高效交通运输系统做好准备。

Description

一种无人驾驶汽车装置

技术领域

本实用新型属于智能交通领域，涉及一种无人驾驶汽车装置。

背景技术

21世纪的社会是信息化社会，人工智能与自动控制渗透到日常生活的方方面面，信息技术和电子技术的进步为智能交通的发展提供了良好的基础，智能交通已成为未来交通发展的方向。

传统汽车由驾驶人驾驶，汽车的行驶状况受到人的主观因素影响较大，因此由于驾驶人的不规范操作和误操作引起的城市道路交通拥堵、道路通行流量降低、重大交通事故频发等问题日益严重，给人们的生产生活带来了极大的不便和危害。

随着中国汽车保有量的急剧增加，这些问题愈演愈烈，因此缺乏一套对在途汽车进行实时监控和管理的车联网系统。因此，本专利针对现有问题，设计了一种基于车联网的无人驾驶汽车装置。

实用新型内容

针对上述现有问题，本实用新型的目的在于，提供一套无人驾驶汽车装置，该装置综合采用视频图像处理技术、雷达测速技术和电机控制技术，工作精确度高、使用成本低且适合规模化推广。

该装置实现了车辆行驶的无人驾驶功能，提高了车辆运行的智能化程度，同时有效地监测与管理车辆的行驶状态，切实提高交通安全管理的能力与科技含量，有效地改善道路通行能力，保障交通行业的可持续发展。

本实用新型的基本原理是电子控制单元控制驱动电机，该步进电机控制加速踏板和制动踏板从而保证汽车行驶车速，通过雷达测速系统检测车辆行驶速度，通过使用车载CCD摄像头传感器实时拍摄道路图像，然后经过视频同步分离芯片把图像信号传输到电子控制单元中，通过程序判断车辆是否位于车道中间一定范围内，若偏离车道或有偏离车道的趋势，则控制转向步进电机，使转向轴转过一个角度，调整车辆的行驶方向，实现汽车自动行驶功能。此外，通过装载在车辆上的电子标签以及道路两旁的无线射频等识别技术，实现在信息网络平台上对所有车辆的属性信息和静、动态信息进行利用，并根据不同需求对所有车辆的运行状态进行有效的监管和提供综合服务。

为了实现上述任务，本实用新型采取如下的技术解决方案：

一种基于车联网的无人驾驶汽车装置，包括：道路信息采集系统、雷达测度系统、无人驾驶汽车主控制器、驱动步进电机、转向步进电机、制动步进电机、加速踏板、转向轴和制动踏板；其中道路信息采集系统和雷达测度系统分别与无人驾驶汽车主控制器输入端相连，无人驾驶汽车主控制器输出端分别通过驱动步进电机、转向步进电机、制动步进电机依次对应与加速踏板、转向轴和制动踏板相连。

本实用新型还具有其他技术特点：

所述的道路信息采集系统由车载CCD摄像头和视频同步分离电路组成，其中CCD摄像头安装在车顶部，用以采集道路信息，为控制转向、驱动及制动等系统提供道路信息。

所述的雷达测速系统，采用HY-121车载测速一体机雷达GPS固定流动测速仪。

所述的转向步进电机，接收电子控制单元输出的信号，控制转向车轮转向。转向步进电机采用型号为110BYGH1202。

所述的驱动步进电机，接收电子控制单元输出的信号，转过一定的角度，从而能带动与之连接的加速踏板变化相应的角度。驱动步进电机采用新型号为130BYGH250。

所述的制动步进电机，接收电子控制单元输出的控制信号，转过一定的角度，从而能带动与之连接的制动踏板变化相应的角度。制动步进电机采用的型号为110BYGH1502。

所述的无人驾驶汽车主控制器，其核心为Freescale MC9S12DG128B单片机，接收各传感器输出的信号，控制相应部件的动作。

本实用新型是基于车联网的无人驾驶汽车装置，由电子控制单元根据车辆的实时状态控制汽车的运行，不再需要驾驶人操纵，同时，通过车联网将独立的车辆互联起来，便于统一的检测与管理，有效地解决了道路拥堵和行驶安全问题。具有以下优点：

（1）高度智能化。整个装置以Freescale MC9S12DG128为电子控制单元控制汽车的各个系统，汽车行驶的整个过程不需要驾驶人操作。

（2）高精度与高可靠性。采用摄像头采集路面信息，不受其它电磁装置的干扰；驱动、制动和转向用步进电机控制，有效地提高了控制精确度。

（3）有助于建立高效的交通运输系统。

附图说明

图1为本实用新型的总体结构框图。

图2为本实用新型的主控制器MC9S12DG128B的管脚图。

图3为本实用新型的电机驱动图。

以下结合附图和实例对本实用新型作进一步的详细说明。

具体实施方式

参照图1，本实用新型的一种基于车联网的无人驾驶汽车装置，包括：道路信息采集系统、雷达测度系统、无人驾驶汽车主控制器、驱动步进电机、转向步进电机、制动步进电机、加速踏板、转向轴和制动踏板；其中道路信息采集系统和雷达测度系统分别与无人驾驶汽车主控制器输入端相连，无人驾驶汽车主控制器输出端分别通过驱动步进电机、转向步进电机、制动步进电机依次对应与加速踏板、转向轴和制动踏板相连。

本实用新型采用CCD摄像头依靠支架固定在车辆前部挡风玻璃的内侧,镜头朝向前方偏下，使其角度与高度以实时准确采集道路面信息为最佳，且需具有一定的前瞻性。视频分离芯片、电子控制单元、转向步进电机、驱动步进电机和制动步进电机分别通过螺栓固定在一个绝缘壳体内，绝缘壳体通过支架以及螺栓固定在汽车主驾驶与副驾驶座位之间。

本实施例摄像头传感器采用1/4"SONY机器视觉专用摄像机，该CCD传感器与高速数字信号处理器连接，高速数字信号处理器将采集到的路面车道线信号通过I/O口与无人驾驶汽车的主控制器连接，主控制器根据当前车辆相对于左右车道线的位置控制转向系工作。车道信息采集系统工作的原理及具体过程如下。

CCD传感器采集车道图像，并将采集到的车道图像实时传输到高速数字信号处理器中，高速数字信号处理器对输入信号做进一步的处理。

去除道路图像中的无用点及干扰点。在实际的道路信息图像获取过程中，由于路面情况比较复杂，可能存在污迹、路面不平痕迹等的干扰，将采集到的道路图像进行滤波，采用维纳滤波法进行图像的噪声处理。

由于CCD传感器获取的道路图像对比度不高，所以可以采用直方图灰度变换来提高图像的对比度，因此使用Matlab的图像处理工具箱的madjust灰度变换函数，对图像的灰度值重新进行映射，使之填满整个灰度值所允许的范围。

对图像预处理完毕的车道图像信息进行二值化处理，以方便霍夫变化提取车道线。利用阀值分割法对图像进行分割，用一个或几个阀值将图像的灰度直方图分类，将灰度值在同一个范围内的像素归为同一个物体。

霍夫变换将原始图像中给定的曲线或直线变换成参数空间的一个点，把原始图像中曲线或直线的检测问题，变换成寻找参数空间中峰点的问题，直线的极坐标方程如下：

ρ=xcosθ+ysinθ

利用霍夫变换首先将直线上的点（x,y）转换成二维空间（ρ，θ）上的点，接着将ρ-θ空间离散为多个小格，落入小格的最多的点所在单元格对应于参数空间（ρ，θ）的共同点，（ρ，θ）是图像空间的直线拟合参数。将获得的直线拟合参数变换到图像坐标系中，即是相对于图像坐标的直线方程，也就是在图像坐标系中的左右车道线的方程。

建立实际的道路坐标系，规定y轴与左右车道标识线平行且与左右车道标识线等距，车辆头部所对应的方向为正方向；规定x轴过车辆前轮轮轴中点P并且与y轴垂直；原点O为两轴的交点。

设车辆前轴中心点P的x坐标值为x₀，并以这一坐标轴作为车辆在车道中的横向位置参数x₀。设P点位于y轴右侧时，x₀取正；则P点位于y轴左侧时，x取负。规定θ角为y轴与车辆纵向中轴线方向夹角，并以这一夹角作为车辆在车道中的方向参数。设当车头右偏时θ取正值；则车头左偏时θ取负值。另外，设θ₀为设定好的阀值，b为车辆宽度，x₁为设定的与道路宽度有关的值。x₁的值按下式选定，其中w为车道宽度。

x₁=（w/2）+5

当满足公式（1）时，判断汽车向右方偏离，

当满足公式（2）时，判断汽车向左方偏离。

无人驾驶汽车主控制器根据车辆在当前车道中的位置参数和方向参数，控制转向系统，实现了无人驾驶汽车的自动循迹功能，保证车辆在车道中间行驶。

该实施例的转向驱动电机选用步进电机，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的，通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

无人驾驶汽车主控制器接收信号采集模块的信号，通过一定的算法得到转向系统需要调整量的大小，利用电子控制单元的PWM模块，发送一定占空比的PWM波到转向控制电机的控制端，控制端配置有4个场效应管（S1、S2、S3、S4），型号为IRF3703Mosfet，这4个场效应管由4个TO-220封装组成H型双极模式转换电路进行调压，控制电机转动方向和转速。H型全桥式驱动电路的4只场效应管都工作在斩波状态，S1、S4为一组，S2、S3为一组，当其中一组导通时，另一组必须关断。当S1、S4导通时，S2、S3关断，电机两端加正向电压实现电机的正转，可实现汽车的转向系统向该方向转过一定的角度；当S2、S3导通时，S1、S4关断，电机两端为反向电压，电机反转，可实现汽车的转向系统向反方向转过一定的角度，从而控制汽车的前进方向。电机驱动原理图如图3所示。

汽车的驱动系统采用步进电机控制加速踏板变化，该步进电机工作原理与转向步进电机相同。电子控制单元根据雷达测速模块输入的速度信号，通过PWM模块发送一定占空比的PWM波到驱动控制电机的控制端，使步进电机转动一定的角度，从而带动加速踏板变化一定的角度，控制汽车的行驶速度。

汽车的制动系统采用步进电机控制制动踏板变化。以同样的原理，电子控制单元根据雷达测速模块输入的速度信息与道路信息采集模块采集到的路面信息，通过PWM模块发送一定占空比的PWM波到制动控制电机的控制端，使步进电机转动一定的角度，从而带动制动踏板变化一定的角度，实现汽车的制动。

车速检测系统采用雷达测速。雷达测速主要是利用多普勒效应（Doppler Effect）原理，当车辆向雷达天线靠近时，反射信号频率将高于发射机频率；反之，当目标远离雷达天线而去时，反射信号频率将低于发射机率，如此即可借由频率的改变数值，计算出车辆与雷达的相对速度，为驱动系统及制动系统的工作提供依据。

Claims

1.一种无人驾驶汽车装置，其特征在于：包括：道路信息采集系统、雷达测度系统、无人驾驶汽车主控制器、驱动步进电机、转向步进电机、制动步进电机、加速踏板、转向轴和制动踏板；其中道路信息采集系统和雷达测度系统分别与无人驾驶汽车主控制器输入端相连，无人驾驶汽车主控制器输出端分别通过驱动步进电机、转向步进电机、制动步进电机依次对应与加速踏板、转向轴和制动踏板相连。

2.如权利要求1所述的无人驾驶汽车装置，其特征在于：所述的道路信息采集系统由车载CCD摄像头和视频同步分离电路组成。

3.如权利要求1所述的无人驾驶汽车装置，其特征在于：所述的雷达测速系统，采用HY-121车载测速一体机雷达GPS固定流动测速仪。

4.如权利要求1所述的无人驾驶汽车装置，其特征在于：所述的转向步进电机，接收电子控制单元输出的信号，控制转向车轮转向，转向步进电机采用型号为110BYGH1202。

5.如权利要求1所述的无人驾驶汽车装置，其特征在于：所述的驱动步进电机，接收电子控制单元输出的信号，从而能带动与之连接的加速踏板变化相应的角度，驱动步进电机采用新型号为130BYGH250。

6.如权利要求1所述的无人驾驶汽车装置，其特征在于：所述的制动步进电机，接收电子控制单元输出的控制信号，从而能带动与之连接的制动踏板变化相应的角度，制动步进电机采用的型号为110BYGH1502。

7.如权利要求1所述的无人驾驶汽车装置，其特征在于：所述的无人驾驶汽车主控制器，采用Freescale MC9S12DG128B单片机。