无人驾驶车辆技术专题研究(2)

2019-01-26 21:35

系统实施过程比较繁琐,且不易维护,变更运营线路需重新埋设导航设备。视觉导航就不存在这个问题。视觉导航的优点是车载计算机可以在试验样车偏离目标车道前,事先知道并预防其发生,同时当在高速公路使用时,不需要对现有的道路结构做变化,并且在混合交通中,也可使用;其缺点为,当风沙、大雾等自然因素致使能见度过低或路面上的白色标线不清晰时,导航系统会失效。但由于视觉导航对基础设施的要求很低,被公认为是最有前景的定位方法。

车辆控制技术是无人驾驶汽车的核心,主要包括速度控制和方向控制等几个部分。无人驾驶其实就是用电子技术控制汽车进行的仿人驾驶。通过对驾驶员的驾驶行为进行分析可知,车辆的控制是一个典型的预瞄控制行为,驾驶员找到当前道路环境下的预瞄点,根据预瞄点控制车辆的行为。目前最常用的方法是经典的智能PID算法,例如模糊PID、神经网络PID等。

除以上两个方面,无人驾驶汽车作为智能交通系统的一部分,还需要一些其它相关技术的支持,如车辆调度系统、通讯系统和人机交互系统等,最终得以实现整个交通系统的高效、安全。

4.1标准化与体系结构技术

智能无人驾驶汽车作为一种全新的汽车概念和汽车产品,将会成为汽车生产和汽车市场的主流产品。为了规范智能无人驾驶汽车的研究、设计、开发、生产和销售,避免将来可能发生的混乱局面和减少不必要的损失,应该在智能无人驾驶汽车出现之初,就抓紧相关标准的研究制定工作。智能无人驾驶汽车的标准化研究,应包括如下工作内容:系统功能标准;系统结构标准;质量与可靠性要求技术指标;信息与控制系统数据库技术指标;信息采集、处理与传输标准;导驶与定位技术规范;通信技术规范;智能无人驾驶汽车应用软件技术规范;安全、舒适性、环保、能耗技术规范;人机界面技术规范;与现行汽车技术规范体系衔接问题等。

智能无人驾驶汽车的体系结构,是研究智能无人驾驶汽车系统所包含的子系统及其用户所需要的功能,各个子系统所应具备的功能,以及各子系统之间的相互关系和集成方式,既相对独立,又存在信息流动。智能无人驾驶汽车体系结构的设计必须包含实现用户功能的全部子系统的设计。智能无人驾驶汽车的体系应

该阐述车辆的结构体系,列出用户服务功能,定义实现用户服务功能的各个子系统,研究各个子系统之间的通信方式和组织方式,最为重要的是根据系统功能要求建立智能无人驾驶汽车系统的信息模型。

4.2自动控制系统技术

智能无人驾驶汽车控制系统是汽车智能化的决策者和执行者,是整车电控系统的核心。由于汽车驾驶任务的复杂性,智能化的汽车控制器,必须采用综合智能控制策略,以提高汽车操纵响应能力和紧急躲避障碍能力。由于交通环境的复杂性、交通信息的多边性、交通任务的多样性等原因,研究设计智能无人驾驶汽车控制器的任务是十分艰巨的。汽车智能控制器一方面具有学习、自适应、自组织等仿人的智能化特点,同时又能克服人工驾驶汽车固有的缺陷。智能控制理论的研究已经有30年的历史,已经提出了模糊控制理论、神经控制理论、专家控制理论、分层递阶控制理论、粗集控制、可拓控制等智能控制方案,并正向综合智能控制策略的方向发展。所有这些智能控制策略,其核心思想就是“模仿人的思维和行动”,完成或部分完成只有人类才能完成的控制任务。智能无人驾驶汽车控制系统必须以现代微电子技术为核心来设计系统硬件,以智能控制理论为基础来设计软件控制策略,以信息技术为支撑来设计系统框架。

智能无人驾驶汽车控制系统立足于主动安全控制,以微型计算机为控制核心的电子系统,通常由8个功能不同的子系统组成,包括紧急制动辅助系统、车距控制系统、限速识别系统、并线警告系统、泊车辅助系统、夜视仪系统、周围环境识别系统及综合稳定控制系统等。

(1)制动辅助系统是在车辆雷达传感器的配合下进行自动车距控制。传感器的作用是提供前方车辆或者其它障碍物的距离信息,若系统认为通过紧急制动可以减少碰撞事故发生的可能,就会开始紧急制动以降低事故发生的可能性。

(2)并线警告系统是通过车载照相机探测根据车道之间的分界线来判别车辆的位置。如果车辆明显脱离正确的行驶路线时,在可能偏离路面之前,系统就会对驾驶员发出警告。

(3)限速识别系统进行交通信号识别,会在车辆内的显示屏上显示标识。目前有两种用于识别限速的系统,一种是通过导航仪接收数字无线广播信息的系

统;另一种是限速标识本身发射无线信号的系统。

(4)车距自动控制系统具有逐步停车功能,在必要时可以使汽车自动地完成停止,可以发出碰撞警告,在前面有显著障碍时进行制动,可以判别前方的路况,在进入弯道时进行制动控制。

(5)综合稳定控制系统的作用是在任何给定的条件下,综合控制车上所有的主动元件(驱动、制动、操纵系统等),对车辆进行持续控制,这种控制可以很轻易地个性化。这意味着,车主只需按动按钮,车载软件就能够使车辆的动力输出从偏重追求速度变成偏重驾驶舒适性。

(6)泊车辅助系统可以帮助驾驶员自动泊车或者接收系统的辅助帮助系统进行泊车,当车辆达到停位时,系统会自动探测存在空间和障碍物的尺寸,一旦它确定了这些数字,就会自动地计算理想的泊车操纵,驾驶体验只需要按下泊车辅助系统的按钮,只需脚踏油门而无需进行手柄操纵即可以5km/h以下的车速自动倒入车位。

(7)周围环境识别系统通过采集车辆全部的传感器数据来创造一个虚拟的车辆外部环境模型,数据以影像方式显示,并且帮助驾驶员判断出某些危险。

(8)夜视仪系统使用红外线单元来判断步行者或者任何可能的危险源,通过判别步行者和他们的位置或与车辆之间的距离,通知信息系统做出决策。

4.3信息及通信技术

智能无人驾驶汽车的最主要目标是将信息技术运用到汽车上,用实时、全面、有效的信息流来驱动汽车系统的运行。因此,研究智能无人驾驶汽车系统的信息环境模型、信息源特征、信息采集原理与技术、信息处理方法与技术、高效的信息传输技术与子系统,就显得尤其重要。汽车在行驶过程中,必须得到的信息包括车辆自身状况信息、乘客和货物信息、道路信息、近邻行驶汽车的信息及导航定位信息等,分为语音信息、图象信息、文字信息、数据信息等。在信息处理方面,精确、实时、有效地采集行车和状态信息,采取抗干扰技术,对信息进行在线处理。

通信系统的任务就是保证信息的准确快速传输。在智能无人驾驶汽车与智能无人驾驶汽车之间、智能无人驾驶汽车与交通监控中心之间、智能无人驾驶汽车

与道路附属设施之间、智能无人驾驶汽车与其它信息系统之间,都存在着大量的文字、语音、数据、图像等信息的实时交换。通信系统是智能无人驾驶汽车系统获取和传递信息的神经中枢。必须研究适合于智能无人驾驶汽车信息交换的通信系统结构形式、软件技术、传输介质、编码纠错技术等。通信系统保证各模块之间以及车载体与控制中心之间的高质量通信,目前大多数采用无线数字通信,为了提高通信的质量,要精心设计通信电路及通信协议,蓝牙技术为车载通信系统提供了很好的解决方案,它将取代目前多种电缆连接方式,以低成本的近距离无线连接为基础,通过嵌入式微电子芯片,使所有相关设备在有效范围内完成相互交换信息、传递数据的工作,使各种电子装置在无线状态下相互连接数据。

4.4信息决策及显示技术

信息决策及显示系统主要是根据现场的情况,如交通状况信息、环境信息完成决策或分类任务,安排汽车行走路线。在此基础上根据一定的准则和决策的可信度对上述结果进行融合,再有策略库进行汽车动作部署,做出最优决策(如车辆优化调度、路径规划、汽车加减速、超车及停车等),以便具有良好的实时性和容错性,使在一种或几种传感器失效时也能工作。策略应根据经验进行提取,并存在知识库中。知识库还应有一个学习智能体,用于不断丰富策略。各种智能算法如神经网络、模糊算法、遗传算法等也可以应用到构造策略库以及策略选择过程中,系统根据采取的对策,决策汽车的任务和动作。显示系统包括底视显示系统、顶视显示系统和控制中心显示系统。底视显示系统显示汽车行驶速度、发动机转速、发动机状态、车门状态(锁死/微开)、燃油状态,还监控转向盘上用来选择合适娱乐工作模式的各按钮状态;顶视显示系统安装于汽车挡风玻璃上,可为驾驶员传递路况信息、卫星导航信息;控制中心显示系统的液晶显示触摸屏能够为驾驶员提供各种信息界面显示,如电话、电视、车辆状态信息、车载移动办公、导航、网站浏览、娱乐等。

4.5导航与定位技术

导驶定位技术就是通信与信息技术、传感器技术、自动车辆定位技术及计算

机技术的综合应用。其硬件有车载计算机(控制器)、显示器、CD机、数字地图、定位系统等。车辆数字导驶技术研究已经取得了一些结果,但是要安全彻底解决问题,还应做很多研究。智能无人驾驶汽车导航定位系统的任务是对行驶中的智能无人驾驶汽车进行实时导航定位,在车辆内显示目的地地图,确定车辆位置,选择合适的行车路径。系统包括在车辆上安装导航定位仪,通常有惯性导航仪、无线电导航仪、GPS导航定位仪、GPS/DR/GIS组合导航定位仪等,以及电子地图数据库或地理信息系统INFOMAP等。必要时,车辆同交通监控中心可以通信,同时使用数据库记录车辆及途径道路的历史状况信息。该子系统研究涉及GPS技术、DR技术、GIS或电子地图技术、数据库技术、显示技术、以及接口技术和应用软件技术。

4.6车辆主动防碰撞控制系统技术研究

基于多传感信息融合的车辆主动防碰撞控制系统,就是根据多传感器接收到的车辆前方目标信息和本车的状态信息,利用多源信息融合技术,识别出本车前方车辆的距离和速度等状态信息,并进行碰撞危险估计的。基于多传感信息融合的车辆主动防碰撞控制系统是一种主动式的防撞、防抱死的汽车安全系统,它使反应时间、距离、速度三个方面都能得到优化控制,可减少驾驶员的负担和判断错误,对于提高交通安全性将起到重要作用,能有效地避免大部分汽车事故的发生。同时也为提高使用车速、增加道路通行能力、实现自动化驾驶等奠定了良好的基础。

4.6.1行车环境监测技术研究

行车环境监测包括环境探测和车况探测两个方面。环境探测系统由测量车间距离和前面车辆方位的毫米波雷达、激光雷达、CCD摄象机及能够判断路面状况的道路传感器所组成。车辆的周边传感技术是实现汽车防碰撞的关键技术。传感器性能的优劣将直接影响整个系统的性能,提高传感器的可靠性,可减少系统的虚警率。微波传感器(雷达)的性价比较高,因此一般选择工作于毫米波的微


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