自动驾驶中多传感器集成同步控制器设计与实现

发布时间：2020-11-03 06:29

　　 多传感器数据的高精度同步采集是自动驾驶的关键技术之一。随着全球先进技术的支持和推动,自动驾驶已成为当今研究的热点,众多企业及高校对自动驾驶的研究都十分重视,例如Google、Uber等国外大型科技公司于2005年相继推出了自动驾驶汽车,另有百度、图森未来等国内顶尖科技公司于2013年开启了自动驾驶研究的项目。而当前应用于自动驾驶的多传感器数据采集的系统大多采用多个模块集成,因此存在着总体成本高、时间同步精度低、体积较大、组装相对繁琐等缺点。本文针对上述问题设计了一种以FPGA为核心处理芯片的高集成度多传感器数据同步采集控制器。针对同步控制器的高集成度、高时间精度和多传感器数据同步采集与控制,本文具体研究工作如下:(1)建立高精度时钟基准。以高稳石英晶振作为同步器的时钟源,并结合GPS的PPS脉冲和NEMA数据对其进行校准,充分利用GPS的PPS脉冲长期稳定性和高稳石英晶体短时稳定性高的优势,建立整个测量时间范围内的高精度时间基准。(2)实现多传感器的同步。根据各传感器特性,分别对惯性导航单元、相机等传感器采用主动同步,三维激光雷达采用授时同步,车轮编码器采用被动同步,以纯硬件方式采集各传感器数据并打上精确的时间标签作为同步对齐的标志,实现多传感器原始数据的高精度同步。(3)完成同步控制器整体硬件电路的原理图和PCB设计与调试。设计了惯性导航单元、车轮编码器、差分GPS、三维激光雷达等多传感器数据采集电路;千兆网、USB3.0、USB2.0、mSATA、TF卡等高速接口与存储电路,并对整个硬件电路进行调试,实现对多传感器数据的采集、传输与保存。(4)完成各传感器控制和数据同步采集的FPGA程序的编写与调试。以FPGA芯片为载体并结合外部硬件电路,通过硬件描述语言建立高精度时间基准;设计了SPI接口控制并采集惯导数据;设计了UART接口对三维激光雷达同步授时,实现FPGA与TX2指令交互以及编码器、相机的同步数据的传输;设计了CY7C68013A芯片的控制程序将并行数据转USB串行数据,实现FPGA与TX2之间大量传感器原始数据的高速传输。将同步控制器安装于测试车辆上进行的自动驾驶测试,其实验结果表明,该同步控制器能够实时为自动驾驶提供GPS、三维激光雷达、惯性导航单元、车轮编码器、相机等多传感器高精度同步原始数据。使用该同步控制器的自动驾驶定位精度可达到土10cm,同步控制器系统绝对时间精度可达±1 μs。该同步控制器还具有体积小、重量轻、造价低、集成度高、数据处理速率快以及扩展性强等优点,目前已经成功应用在深圳智绘科技有限公司、中国农业科学院等机构的园区自动驾驶项目中,在电力巡检、高精度定位、导航及移动测量等诸多领域也具有广阔的应用前景。
【学位单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP212;TP276;U463.6
【部分图文】：

时间精度、高集成化和高同步性的多传感器集成同步控制器??１．２国内外研究现状??自动驾驶车辆，又叫做自主车、智能驾驶车辆、滚轮型移动机器人等，涵盖了??科学认知、人工智能、机器人技术和车辆工程等多个学科的知识，是绝大多数的新??型自动化技术综合实验和完美受体，也是如今最领先的科技发展最主要的风向标之??一。他不仅包括方法和关键技术的突破，也包含丰富的理论与实际相验证的问题，??其最大的研宄意义不仅仅只是涉及到的核心科学问题，更多的是在其应用前景和发??展战略上有着极其重大的价值和意义，同时被社会与科技发展界密切的关注［９】。??１．２．１国外研究现状??二十一世纪初期，以谷歌公司为首在官方微博中宣布了开始对自动驾驶汽车开??发计划。该自动驾驶汽车的外部核心装置主要包括了安装于车顶的６４线激光雷达，??安装于前挡风玻璃上的摄像头，安装在驾驶车辆前后保险杠内的４个雷达传感器，??以及ＧＰＳ模块、惯性测量单元和车轮编码器等。通过激光雷达为自动驾驶车辆提供??２００英尺以内的精细３Ｄ地图，并结合高分辨率地图实现自动驾驶对行驶过程中的??一一．?、微?—??

图丨．２?Ｗａｙｍｏ自动驾驶车??除此之外，大都数的自动驾驶数据采集系统，也采用本地传感器模块进行高级??数据处理，并在一定程度上进行决策反应，全分布式系统只将对象数据或元数据（描??述对象特征／识别对象的数据）发回到中央融合ＥＣＵＩＭ。如图１．３所示。??

车辆前装置采用车规级，以及采用激光雷达与相机等各传感器的技术方案??进行融合。除了国内很多实力很强的高校进行着自动驾驶技术的探索，国内的百度、??长安等企业的自动驾驶汽车也走在了国内研发的前列。图１．４为红旗ＨＱ３车??辆。??ＷＲＭ１??必：：翻處藝丨?Ｍｉ１＇??图１．４红旗ＨＱ３车辆??１．２．３自动驾驶多传感器集成技术现状分析??从国内外的自动驾驶发展情况可知，无论是国外还是国内的自动驾驶研发团??队，都会以多传感器集成作为主要研宄技术应用于自动驾驶领域。对此项技术安森??美半导体汽车策略和ＯＥＭ市场拓展副总裁Ｌａｎｃｅ?Ｗｉｌｌｉａｍｓ也提出了应用于自动驾??４??
【参考文献】

相关期刊论文 前3条

1 刘瑞芳;丁卫平;曾海燕;;基于CY7C68013A的无线多路温度采集系统的设计与开发[J];电子技术;2015年11期

2 黄翔;江道灼;;GPS同步时钟的高精度守时方案[J];电力系统自动化;2010年18期

3 李泽文;姚建刚;曾祥君;邓丰;楚湘辉;;基于数字锁相原理的GPS高精度同步时钟产生新方法[J];电力系统自动化;2009年18期

相关博士学位论文 前2条

1 陈小宇;多传感器高精度同步方法及其在移动测量的应用[D];武汉大学;2013年

2 陈长军;车载移动测量系统集成关键技术研究[D];武汉大学;2013年

相关硕士学位论文 前1条

1 余欢;基于双目视觉/MIMU的组合导航系统关键技术研究[D];北京理工大学;2016年

本文编号：2868221