【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 立了國家自動(dòng)高速公路系統(tǒng)聯(lián)盟（ NAHSC），其目標(biāo)之一就是研究發(fā)展智能車輛的可能性，并促進(jìn)智能車輛技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化。在亞洲，日本于 1996年成立了高速公路先進(jìn)巡航 /輔助駕駛研究會(huì)，主要目的是研究自動(dòng)車輛導(dǎo)航的 方法，促進(jìn)日本智能車輛技術(shù)的整體進(jìn)步。進(jìn)入 80 年代中期，設(shè)計(jì)和制造智能車輛的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司開始研制智能車輛平臺(tái)。 20 世紀(jì) 90 年代開始，智能車輛進(jìn)入了深入、系統(tǒng)、大規(guī)模 的 研究階段。最為突出的是美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（ Carnegie Mellon University）機(jī)器人研究所完成的 Navlab 系列自主車（ Navlab1—Navlab10）的研究，取得了顯著的成就。 目前， 日本、美國、德國等工業(yè)大國在智能車輛技術(shù)上占據(jù)著明顯的優(yōu)勢(shì)，新近崛起的韓國在智能小車研究方面也逐漸走向世界前沿 。在 世界科學(xué)界和工業(yè)設(shè)計(jì)界中，眾多研究機(jī)構(gòu)研發(fā)的智能車輛 中 具有代表性的有： 德意志聯(lián)邦大學(xué)的研究 1985 年，第一輛 VaMoRs 智能原型車輛在戶外高速公路上以 100km/h 的速度進(jìn)行了測(cè)試，它使用了機(jī)器視覺來保證橫向和縱向的車輛控制。 1988 年，在都靈的 PROMRTHEUS 項(xiàng)目第一次委員會(huì)會(huì)議上，智能車輛維塔（ VITA， 7t）進(jìn)行了展示，該車可以自動(dòng)停車、行進(jìn)，并可以向后車傳送相關(guān)駕駛信息。這兩種車輛都配備了 UBM 視覺系統(tǒng) ， 這是一個(gè)雙目視覺系統(tǒng)，具有極高的穩(wěn)定性。 荷蘭鹿特丹港口的研究 荷蘭鹿特丹港口對(duì) 智能車輛的研究主要體現(xiàn)在工廠貨物的運(yùn)輸。荷蘭的Combi road 系統(tǒng)，采用無人駕駛的車輛來往返運(yùn)輸貨物，它行駛的路面上采用了磁性導(dǎo)航參照物，并利用一個(gè)光陣列傳感器去探測(cè)障礙。荷蘭南部目前正在討論工業(yè)上利用這種系統(tǒng)的問題，政府正考慮已有的高速公路新建一條專用的車道，采用這種系統(tǒng)將貨物從鹿特丹運(yùn)往各地。 日本大阪大學(xué)的研究 日本 大阪大學(xué) Shirai 實(shí)驗(yàn)室研制的智能小車，采用了航位推測(cè)系統(tǒng)（ Dead Reckoning System），利用旋轉(zhuǎn)編碼器和電位計(jì)來獲取智能小車的轉(zhuǎn)向角，完成了智能小車的 精確 定位。 此外 ，斯特拉斯堡實(shí)驗(yàn)中心、英國國防部門、美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、奔馳公司、美國麻省理工學(xué)院、韓國理工大學(xué) 等 對(duì)智能車輛也有較多 先進(jìn) 的研究 成果 。 3 國內(nèi)智能車輛研究現(xiàn)狀 相比于國外，我國 對(duì) 智能車輛的研究起步 比 較晚，開始于 20 世紀(jì) 70 年代 末，在國家“ 863”、“ 973”、“九五攻關(guān)”等高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃的重點(diǎn)支持下，在智能車輛的應(yīng)用、研究方面也取得了較好的發(fā)展 。我國在智能車輛技術(shù)方面的研究總體上 仍 落后于發(fā)達(dá)國家，并且存在一定得技術(shù)差距，但是 經(jīng)過 20 多年的不懈努力與研究， 我們也取得了一系列 顯著 的成果 。 (1) 中國第一汽車集團(tuán)公司和國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院與 2022年研制成功我國第一輛自主駕駛轎車。該自主駕駛轎車在正常交通情況下的高速公路上，行駛的最高穩(wěn)定速度為 13km/h， 最高速度 可 達(dá) 170km/h，并且具有超車功能，其總體技術(shù)性能和指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。 (2) 南京理工大學(xué)、北京理工大學(xué)、浙江大學(xué)、國防科技大學(xué)、清華大學(xué)等多所院校聯(lián)合研制了 軍用室外自主車，該車裝有彩色攝像機(jī)、激光雷達(dá)、陀螺慣導(dǎo)定位等傳感器。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用兩臺(tái) Sun10 完成信息融合、路徑規(guī)劃，兩臺(tái) PC486 完成路邊抽取識(shí)別 和激光信息處理， 8098 單片機(jī)完成定位計(jì)算和車輛自動(dòng)駕駛。其體系結(jié)構(gòu)以水平式結(jié)構(gòu)為主，采用傳統(tǒng)的 “感知 建模 規(guī)劃 執(zhí)行 ”算法，其直線跟蹤速度達(dá)到 20km/h，避障速度達(dá)到 510km/h。 智能車輛研究也是智能交通系統(tǒng) ITS 的關(guān)鍵技術(shù)。目前，國內(nèi)的許多高校和科研院所都在進(jìn)行 ITS 關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備的研究。隨著 ITS 研究的興起，我國已形成一支 ITS 技術(shù)研究開發(fā)的技術(shù)專業(yè)隊(duì)伍。并且各交通、汽車企業(yè)越來越加大了對(duì) ITS 及智能車輛技術(shù)研發(fā)的投入，整個(gè)社會(huì)的關(guān)注程度在不斷提高。交通部已將 ITS 研究列入 “十五 ”科技發(fā)展計(jì) 劃和 2022 年長期規(guī)劃。相信經(jīng)過相關(guān)領(lǐng)域的共同努力，我國 ITS 及智能車輛的技術(shù)水平一定會(huì)得到很大提高。 課題主要 工作 內(nèi)容 本設(shè)計(jì)研究的是基于單片機(jī)的遙控小車系統(tǒng)。 以 51 單片機(jī)為控制平臺(tái)，選擇常見的電機(jī)模型車為機(jī)械平臺(tái)，通過細(xì)化設(shè)計(jì)要求，結(jié)合傳感器技術(shù) 、 電機(jī)控制技術(shù) 、超聲波檢測(cè)技術(shù)等 相關(guān)知識(shí)實(shí)現(xiàn)小車的各種 控制 功能。設(shè)計(jì)完成 由紅外發(fā)射器發(fā)射的紅外光對(duì)小車進(jìn)行無線遙控 ， 接收器將 接 收到的紅外光解調(diào)成電信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的控制， 采用步進(jìn)電機(jī)對(duì)小車的轉(zhuǎn)向進(jìn)行精確的控制，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) 4 小車行進(jìn) ， 采用超聲波傳感器來探測(cè)障 礙 ，并在檢測(cè)到障礙物后自動(dòng)停止。將上述 硬件模塊結(jié)合軟件設(shè)計(jì)組成多功能智能小車 ， 實(shí)現(xiàn)智能控制，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。 本設(shè)計(jì)需要完成以下幾項(xiàng)功能： (1) 紅外遙控功能，實(shí)現(xiàn)小車啟動(dòng)、停止； (2) 前或后直線行進(jìn)； (3) 任意 曲線行進(jìn)； (4) 指示燈指示小車狀態(tài)； (5) 超聲波測(cè)障功能； (6) 遇障報(bào)警功 能。 手動(dòng)控制功能 手動(dòng)控制模式能夠?qū)崿F(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、作轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止等功能，小車行駛過程中越到障礙能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)停止并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。同時(shí)，在轉(zhuǎn)彎和后退時(shí)相應(yīng)的轉(zhuǎn)向燈和倒車燈回發(fā)光，提示 小車狀態(tài)。小車接收到一個(gè)按鍵命令后除執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作外蜂鳴器還會(huì)響一聲，以告知操作者小車已接收到了命令。 超聲波避障功能 小車在前進(jìn)過程中如發(fā)現(xiàn)前方有障礙，或在后退過程中發(fā)現(xiàn)后方有障礙物時(shí)小車都能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)停車，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)告知操作者。本設(shè)計(jì)中將障礙物檢測(cè)距離設(shè)置為 20 厘米，即 20 厘米之內(nèi)的障礙物才會(huì)讓小車發(fā)出上述動(dòng)作，這個(gè)范圍之外的障礙小車不予處理。 本章小結(jié) 本章主要介紹了本設(shè)計(jì)的選題背景，國內(nèi)外智能小車的研究現(xiàn)狀，闡述了設(shè)計(jì)的主要工作內(nèi)容，指出了課題研究的難點(diǎn)與重點(diǎn)。 5 第 2 章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 本設(shè)計(jì) 以 AT89C52 單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)小車行駛過程的控制，無線遙控采用紅外遙控技術(shù)，制作紅外發(fā)射與接收模塊，通過遙控命令控制小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止等動(dòng)作，通過直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車的行進(jìn)，通過步進(jìn)電機(jī)控制小車的轉(zhuǎn)向，并配合超聲波測(cè)障模塊，實(shí)現(xiàn)小車的測(cè)障報(bào)警功能。 在手動(dòng)遙控模式下，可以實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止等功能，若在前進(jìn)過程中前方遇到障礙或是后退過程中后方遇到障礙小車都將自動(dòng)停止，并發(fā)出聲光警告信號(hào)。同時(shí)，在轉(zhuǎn)彎或后退時(shí)小車相應(yīng) 的轉(zhuǎn)向燈和倒車燈會(huì)閃爍發(fā)光，小車接收到一個(gè)按鍵命令后除了執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作外蜂鳴器還會(huì)響一聲，以告知操作者收到了命令。 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)功能模塊的劃分 系統(tǒng)的需求確定之后就需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體的分析和設(shè)計(jì)。 功能模塊化是將系統(tǒng) 劃分成若干個(gè)功能模塊，每個(gè)功能模塊完成了一個(gè)子功能，再把這些功能模塊總起來組成一個(gè)整體 ， 以 實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)要求的整個(gè)的功能。功能模塊獨(dú)立性是通過制定具有單一功能并且和其他功能模塊沒有過多聯(lián)系的功能模塊來實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)功能模塊只涉及該 系統(tǒng) 要求的一個(gè)具體子功能，而且與 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)的其他部分 的接口是簡(jiǎn)單的。獨(dú)立的功能模塊也比較容易測(cè)試和維護(hù)，限制了功能模塊之間由于聯(lián)系緊密而引起的修改副作用。 按照設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)分為以下幾個(gè)基本功能模塊：紅外遙控模塊、顯示模塊、前輪驅(qū)動(dòng)模塊、后輪驅(qū)動(dòng)模塊、超聲波測(cè)距避障模塊等。其中有些模塊的功能由硬件完成，有些模塊的功能由軟、硬件配合完成，些模塊的功能則由軟件、硬件、機(jī)械三部分共同完成。 將系統(tǒng)拆分為上述基本功能模塊后，再根據(jù)各個(gè)模塊所要實(shí)現(xiàn)的功能分別去 6 設(shè)計(jì)，細(xì)化設(shè)計(jì)工作，按照“逐步求精”的思想完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 單片機(jī)數(shù)目的選定 由于系統(tǒng)需要完成的功能 較多， CPU 的負(fù)荷也較重，再加之單片機(jī)內(nèi)的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷、 I/O 口等資源有限，如果選用一片單片機(jī)必將會(huì)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來一些困難。所以可以考慮采用兩個(gè)單片機(jī)構(gòu)成主從式的結(jié)構(gòu)，各分擔(dān)一部分控制與運(yùn)算功能，這樣兩個(gè)單片機(jī)可同時(shí)工作。所謂主從式結(jié)構(gòu)是指從單片機(jī)根據(jù)主單片機(jī)發(fā)出的命令來完成某項(xiàng)功能，并且把結(jié)果報(bào)告給主單片機(jī)，這樣的結(jié)構(gòu)在某種程度上可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)。 主單片機(jī)主要負(fù)責(zé)紅外遙控接收、顯示、小車的運(yùn)動(dòng)以及處理遙控命令等功能；從單片機(jī)主要負(fù)責(zé)超聲 波 測(cè)障功能，在探測(cè)到障礙 物 時(shí)將有關(guān)信息報(bào)告給主單片機(jī)進(jìn)行處理， 并由主單片機(jī)采取相應(yīng)的措施。 本設(shè)計(jì)中采用兩片 AT89C52 單片機(jī)，通過串行接口通信。 系統(tǒng)原理框圖 系統(tǒng)原理框圖如圖 所示： 圖 系統(tǒng)原理框圖 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 按鍵 遙控發(fā)射 遙控接收 顯示模塊 主單片機(jī) 前輪轉(zhuǎn)向 后輪驅(qū)動(dòng) 從單片機(jī) 超聲探測(cè)障礙 7 軟件在一個(gè)智能系統(tǒng)中扮演著舉足輕重的作用，軟件設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的性能。目前已經(jīng)有很多種嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，如： Linux、RTX5 UC/UO 等，可以更有效的利用系統(tǒng)的各種資源，簡(jiǎn)化變成，縮短開發(fā)周期。本設(shè)計(jì)采用 AT89C52 單片機(jī)作為系統(tǒng)控 制核心，單片機(jī)本身的各種資源都有限，所以考慮直接優(yōu)化系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)， 對(duì)系統(tǒng)中各獨(dú)立的功能模塊編寫?yīng)毩⒌能浖绦颍ㄟ^給外部提供了一些接口函數(shù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)其硬件及機(jī)械部件等的高級(jí)操作，達(dá)到“多任務(wù)“、”實(shí)時(shí)性“等的要求。 軟件分層結(jié)構(gòu) 為了便于編程，將軟件邏輯控制層和相應(yīng)的硬件設(shè)備分開是很有必要的，硬件驅(qū)動(dòng)層的軟件負(fù)載直接操作硬件，并且給上層的軟件提供一定的接口，這樣有助于上層的軟件實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能，并且系統(tǒng)的硬件有所改動(dòng)時(shí)也只需改動(dòng)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊即可。 本設(shè)計(jì)中的前輪轉(zhuǎn)向模塊、后輪驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模 塊等都做成了一些獨(dú)立的模塊，并且給外部提供了一些接口函數(shù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)這些硬件設(shè)備或機(jī)械部件的高級(jí)操作。 分層結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示。 多任務(wù)結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)的單片機(jī)程序一般采用單任務(wù)機(jī)制，單任務(wù)系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單直觀、易于控制的優(yōu)點(diǎn)。但是程序只能按照順序依次執(zhí)行，缺乏靈活性，中斷函數(shù)能夠?qū)崟r(shí)地處理一些較短的任務(wù)，在復(fù)雜的應(yīng)用中使用極為不便。 多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)部允邏輯控制層 硬件驅(qū)動(dòng)層 硬件設(shè)備 置、取全局變量 操作硬件 圖 軟件分層結(jié)構(gòu)示意圖 8 許多個(gè)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行 ，較單任務(wù)操作系統(tǒng)更加靈活有效。 為了充分利用單片機(jī)的 CPU、 內(nèi)存等資源 ，本 設(shè)計(jì)采用 多任務(wù)軟件結(jié)構(gòu)，即從宏觀上來看單片機(jī)同時(shí)在做多件事情。分析一般多任務(wù)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的核心是任務(wù)調(diào)度器，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候任務(wù)調(diào)度器將保存當(dāng)前任務(wù)的現(xiàn)場(chǎng)，并且恢復(fù)將要運(yùn)行的任務(wù)的現(xiàn)場(chǎng)，并讓其投入運(yùn)行。簡(jiǎn)單的說，一般的多任務(wù)系統(tǒng)是任務(wù)調(diào)度器循環(huán)的調(diào)用各個(gè)需要執(zhí)行的任務(wù)，更有效的利用系統(tǒng)的各種資源。 本設(shè)計(jì)中采用定時(shí)器每隔一定的時(shí)間中斷一次，在中斷處理函數(shù)中依次調(diào)用各個(gè)任務(wù)所對(duì)應(yīng)的函數(shù)，并且各個(gè)函數(shù)都能在一個(gè)較短的時(shí)間內(nèi)返回，這樣在某段時(shí)間內(nèi)，各個(gè)任務(wù)所對(duì)應(yīng)的函數(shù)都能夠被執(zhí)行到，就好像多個(gè)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行 了。 本系統(tǒng)中軟件的多任務(wù)結(jié)構(gòu)如圖 所示， 定時(shí)器中斷處理函數(shù)就是本設(shè)計(jì)中多任務(wù)的核心，即任務(wù)調(diào)度器。 在主單片機(jī)上有以下五個(gè)任務(wù)： (1) 主任務(wù)： main()開始的任務(wù)，很多功能都要在該任務(wù)中完成； (2) 蜂鳴器發(fā)聲任務(wù)： beep2()， 全局變量 n_beep 表示需要發(fā)出幾個(gè) “嘀 ”聲； (3) LED 顯示任務(wù)： led_disp()， LED 發(fā)光二極管顯示任務(wù)； 系統(tǒng)復(fù)位 初始化 主任務(wù)設(shè)計(jì)成無限循環(huán)結(jié)構(gòu) 定時(shí)器 0中 斷 處理函數(shù) 任務(wù) 1 任務(wù) 2 任務(wù) 3 任務(wù) n 圖 多任務(wù)結(jié)構(gòu)示意圖 9 (4) 后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)任務(wù)： qd_dianji()， 實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)和停止功能； (5) 前輪轉(zhuǎn)向任務(wù)： zx_dianji()，控制步進(jìn)電機(jī)讓 前輪轉(zhuǎn)到指定的角度。 在從單片機(jī)上有以下兩個(gè)任務(wù)： (1) 前超聲測(cè)障任務(wù)： chaosheng_qian()， 由從單片機(jī)的定時(shí)器中斷處理函數(shù) timer0()每隔 64 毫秒調(diào)用一次； (2) 后超聲測(cè)障任務(wù)： chaosheng_hou()， 由從單片機(jī)的定時(shí)器中斷處理函數(shù) timer0()每隔 64 毫秒調(diào)用一次，和 chaosheng_qian()的調(diào)用相差 32 毫秒。 消息驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu) “ 消息 ” 是 程序 運(yùn)行機(jī)制中一個(gè)基本而又重要的概念。消息是一個(gè)報(bào)告事件發(fā)生的通知，消息驅(qū)動(dòng)是圍繞消息的產(chǎn)生與處理展開的，并依靠消息 循環(huán)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。從程序設(shè)計(jì)的觀點(diǎn) 來 看，某條消息的產(chǎn)生可被視為某個(gè)事件的發(fā)生。 考慮到系統(tǒng)中無論是操作者按下一個(gè)按鍵，還是遇到障礙 物 ，這些事件都有一個(gè)共同點(diǎn)，就是系統(tǒng)要對(duì)這些事件做出相應(yīng)的處理 或采取應(yīng)用的措施 。所以為了簡(jiǎn)化編程，讓這些事件在主任務(wù)中能得到統(tǒng)一的處理，可以給這些事件編上號(hào)，然后由一個(gè)消息搜集模塊去等待各種消息。一旦某個(gè)事件發(fā)生，該模塊馬上給主任務(wù)返回該事件的編號(hào)，即消息值，讓主任務(wù)按照消息值分類去處理消息。 在消息搜集模塊