4．未来智能车系统
车载信息技术是无线电技术与微处理器技术的汇聚,即利用计算机和卫星通信等信息技术来实现智能车辅助驾驶、In2ternet 网上登录、实时交通信息查询等。通过应用电子信息技术,使车辆实现高智能化,极大地改善车辆人机系统的安全性,避免事故的发生和减少伤害程度。从此角度出发,以系统工程的观点来看待智能车信息系统,可以划分为环境识别子系统、状态判断子系统、车辆控制子系统、司机—车载计算机交互界面子系统[6 ]等。这些子系统之间的框架结构如图2 所示。
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,可以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、温度控制、电视、车辆状态(1) 便携式GPS 定位与导航:便携式卫星导航集成了卫星定位技术(GPS) 、地理信息管理(GIS) 和互联网技术,以电子地图为基础,通过GPS 接收卫星信号,能够完成智能路径规划、全程语音提示、电子地图浏览、卫星定位导航等功能。GPS 主要由卫星与接收器两部分构成。卫星向地面广播编码位置与时间信号,而接收器则负责接收这些信号,实现全天候、大范围、多车辆的实时动态定位、调度、监控,改进车辆运行管理,增强突发事件的反应能力,提高车辆运行率和行车安全度,并为应用的行业规避经营风险,提高经济效益。其经济廉价、精度定位、全球覆盖的魅力,使其迅速超越传统的定位手段,成为需要定位、定姿、定时的首要选择。(2) 视觉子系统:视觉子系统是智能汽车的图像信号检测机构,由摄像头、图形卡等硬件设备和图像处理软件组成。它主要依靠安装在前、后保险杠及车身两侧的红外线摄像机,对汽车前、后、左、右的一定区域进行不停地
扫描和监视,根据捕获图像和计算位置,实时采集、处理环境场景,对物体大小、 形状和动作进行分析,判断出障碍物运动的方向、姿态、速度、加速度等信息,并将辨识数据提供给决策系统进行分析决策使用。(3) 微波多普勒雷达探测系统:车载微波探测雷达由窄波束天线、集成化发射机和接收机以及数字信息自理装置等组成。利用目标对电磁波的反射(或称为二次反射) 现象来发现目标,并测定其位置及速度等参数,综合判断车辆行驶的潜在危险性,及时将探测结果提供给一级决策系统。微波单片集成电路(MMIC) 的最新发展,使固态收发模块在雷达中的应用达到实用阶段[7] 。集成接收机、发射机及高性能数字信号处理器(DSP) ,使价格低廉、高性能的便携式车载探测雷达的实现和普及成为现实。(4) 决策系统:决策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,再由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。(5) 通讯系统:通讯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讯[8]。目前大多数采用无线数字通讯。为了提高通讯的质量,要精心设计通讯电路及通讯协议。蓝牙技术为车载通讯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传递数据。(6) 控制系统:智能车控制系统车辆动力学稳定性与汽车的横摆运动密切相关。智能车控制系统主要是通过制动力控制汽车的横摆运动,根据各传感器输入到计算机的信号推测驾驶员所期望的汽车转向运动,对发动机输出扭矩和各车轮制动力进行控制,以减小汽车转向时的过度转向特性,以及抑制因后轮侧滑所引起的急旋转运动发生,提高汽车操纵响应能力和紧急躲避障碍能力。(7) 显示系统:它包括底视显示系统、顶视显示系统和控制中心显示系统。底视显示系统显示汽信息、车载移动办公、导航、网站浏览、娱乐等。乘客通过连接在座椅上的通讯接口,也能享受这些功能。
5．信息融合对智能车系统的改进
多传感器信息融合技术充分利用多个传感器资源,通过对这些传感器及其观测信息的合理支配和使用,把多个传感器在时间和空间上的冗余或互补信息依据
某种准则进行组合,以获取被观测对象的一致性解释或描述。OODA 环在信息融合
[8]
系统中极具代表性,包括四个处理阶段:观测、定向、决策和行动。下面通过引
入OODA 环的模型,建立基于信息融合的智能车系统模型,如图3 所示。
智能车系统中信息融合方法的引入信息融合是一种数据综合和处理技术,是许多传统学科和新技术的集成和应用,如通讯、模式识别、决策论、不确定性理论、信号处理、估计理论、最优化技术、计算机科学、人工智能和神经网络等。近年来,不少学者又将遗传算法、小波分析技术、虚拟技术引入到信息融合 。下面就相关融合方法与智能车系统结合做简单描述[9]。(1) 数据层融合,直接对数据源操作:如加权平均、神经元网络等。主要是通过图像处理和识别以及多传感器集成等技术,得到环境中汽车、人和其他障碍物的位置(得到速度、加速度则更好) ,预测下一步(或下几步) 其位置的变化,从而为决策的形成奠定基础。(2) 特征层的融合,利用对象的统计特性和概率模型进行操作:如卡尔曼滤波、贝叶斯估计、多贝叶斯估计、统计决策理论等。主要是根据环境中形势与已有的知识进行关联,识别现在环境中形势的特征。(3) 决策层的融合:主要是根据各种特征的关联概率,以及该策略的成功概率、风险程度、能量消耗等综合因素,采用基于规则推理的方法(如模糊推理、证据推理、产生式规则等) ,最后形成一个决策。
6．总结
信息融合技术给智能汽车带来了更加光明的前景,信息融合技术使得车辆能够利用多传感器集成技术以及融合技术,结合环境信息、交通状况信息做出一个最优决策,实现车辆自动感知前方的障碍物,及时采取措施进行避让;通过对前方信号的识别,自动停车或继续运行;通过对路标的自动识别,避免违章行为等,从而可以大大降低车辆事故的发生,同时减轻司机驾驶的负担,尽量降低司机疲劳驾驶的可能性。但需说明,车辆的智能化功能包括很多方面,而本文仅仅阐述了基于信息融合技术在实现智能车系统的应用领域,也仅仅介绍了与信息融合技术相
关的车辆智能化功能模块,并就相关融合方法的引入做了简单描述。尽管车载信息技术的发展前景非常广阔,但要将它们彼此无缝地链接还有一些技术问题有待解决,如软件和硬件技术方面还需实现技术的飞跃,多媒体的接口问题,电子设备的物理连接,改进无线电通讯系统,解决无线电通讯的带宽问题,以及开发价格相对合理的软件技术等。另外,为了实现彼此设备的兼容,还要制定统一的工业标准。虽然技术的障碍还不少,但攻克这些难关的日子已经指日可待。
参考文献
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[3] 胡汉才， 单片机原理与接口技术，清华大学出版社，1999.4；SCM Principle and Interface Technology, Beihang University Press, 1999.4
[4] 于京；张景璐，51系列单片机C程序设计与应用案例，北京：中国电力出版社，2006 [5] 电子系统设计，浙江大学出版社2000；Electronic System Design, Zhejiang University Press, 2000
[6] 王艳, 基于51单片机的红外遥控小车设计和制作, 机电信息2010,12:4-5.
[7 王建平，袁申，韩俊博，孟庆丰，刘军萍，郭新朋，红外遥控小汽车设计，机电技术，2011,3: 89-91.
[8] 周剑; 胡锦; 郑子明; 阮正坤; 基于at89s51单片机的防碰撞智能车, 硅谷,2009,19:11-12. [9] 朱向庆，陈志雄，一种语音控制的自主寻迹与避障智能小车设计，计算机测量与控制，2011，19(7)：1674-1677.