智能汽車技術(shù)及應(yīng)用

1、智能汽車技術(shù)及應(yīng)用智能車輛緒論 智能車輛是在電子信息技術(shù)和其他高新技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的， 它通過智能系統(tǒng)起 到輔助駕駛的作用，使駕駛更為方便，利用多種傳感器和智能公路技術(shù)實現(xiàn)最終達到無 人駕駛。智能汽車的產(chǎn)生與發(fā)展： 對智能車輛的研究始上世紀世紀五十年代初美國一家公司 開發(fā)出的世界上第一臺自動引導(dǎo)車輛系統(tǒng)。在 1974 年，瑞典一家轎車裝配工廠與 Schiinder Digitron 公司合作，研制出一種可裝載轎車車體的 AGVS ，并由多臺該種 AGVS 組成了汽車裝配線， 從而取消了傳統(tǒng)應(yīng)用的拖車及叉車等運輸工具。 .由于 Kalmar 工廠采用 AGVS 獲得了明顯的經(jīng)濟效益，許多西歐國

2、家紛紛效仿 Volvo 公司，并逐步 使 AGVS 在裝配作業(yè)中成為一種流行的運輸手段。 20 世紀 80 年代，伴隨著與機器人技 術(shù)密切相關(guān)的計算機。電子、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，國外掀起了智能機器人研究熱潮， 其中各種具有廣闊應(yīng)用前景和軍事價值的移動式機器人受到西方各國的普遍關(guān)注。智能車輛的研究方向：A：駕駛員行為分析：研究駕駛員的行為方式、精神狀態(tài)與車 輛行駛之間的內(nèi)在聯(lián)系，建立各種輔助駕駛模型，為智能車輛安全輔助駕駛或自動駕駛 提供必要的數(shù)據(jù)，如對駕駛員面部表情的歸類分析能夠判定駕駛員是否處于疲勞狀態(tài)， 是否困倦瞌睡等；B.環(huán)境感知：主要是運用傳感器融合等技術(shù)，來獲得車輛行駛環(huán)境的有用信息

3、，如車流信息、車道狀況信息、周邊車輛的速度信息、行車標志信息等； C. 極端情況下的自主駕駛：主要研究在某些極端情況下，如駕駛員的反應(yīng)極限、車輛失控 等情況下的車輛自主駕駛；D.規(guī)范環(huán)境下的自主導(dǎo)航：主要研究在某些規(guī)范條件下，如 有人為設(shè)置的路標或道路環(huán)境條件較好，智能車輛根據(jù)環(huán)境感知所獲得的環(huán)境數(shù)據(jù)，結(jié)合車輛的控制模型，在無人干預(yù)下，自主地完成車輛的駕駛行為。E.車輛運動控制系統(tǒng)研究車輛控制的運動學(xué)、動力學(xué)建模、車體控制等問題；F.主動安全系統(tǒng)：主要是以防為主，如研究各種情況下的避障、防撞安全保障系統(tǒng)等；G.交通監(jiān)控、車輛導(dǎo)航及協(xié)作： 主要研究交通流誘導(dǎo)等問題；H.車輛交互通信：研究車輛之間

4、有效的信息交流，主要是 各種車輛間的無線通信問題；I.軍事應(yīng)用：研究智能車輛系統(tǒng)在軍事上的應(yīng)用；J系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)：研究智能車輛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組織問題； K.先進的安全車輛：研究更安全、具有更高智 能化特征的車輛系統(tǒng)。智能車輛的研究范圍包括：計算機視覺、計算機視覺導(dǎo)航系統(tǒng)、傳感器數(shù)據(jù)融合。其應(yīng)用背景有：智能交通系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、電子收費系統(tǒng)、智能避撞系統(tǒng)。智能汽車將 向信息化、移動互聯(lián)的方向發(fā)展。關(guān)鍵技術(shù)智能汽車體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計：關(guān)鍵在于如何根據(jù)智能汽車的性能，劃分智能汽車各個 功能子系統(tǒng)的問題，這些子系統(tǒng)之間既相對獨立，又存在信息流動，它們共同實現(xiàn)全系 統(tǒng)的功能。智能汽車的信息采集與處理技術(shù)：汽車在行駛過

5、程中，必須得到的信息包括車輛自 身狀況的信息、道路信息、近鄰行駛汽車的信息及導(dǎo)航定位信息等。這些信息一般被外 界噪聲所干擾，關(guān)鍵是精確、實時、有效地采集到這些信息，并進行處理。智能汽車控制策略的設(shè)計：目前，在智能控制領(lǐng)域內(nèi)，已經(jīng)提出了模糊控制理論、 神經(jīng)控制理論、專家控制理論、分層遞階控制理論等智能控制方案。所有這些智能控制 策略，其核心思想就是模仿人的思維和行動，去完成或部分完成只有人類專家才能完成 的控制任務(wù)。 設(shè)計一個“類人”的汽車控制器， 是智能汽車控制策略研究中的終極方案。但由于汽車駕駛?cè)蝿?wù)的復(fù)雜性，研究設(shè)計這種汽車智能控制器的任務(wù)是十分艱巨的。 智能汽車導(dǎo)駛定位技術(shù)：智能汽車作為一

6、種自動或半自動交通工具系統(tǒng)，在行駛過 程中，需要時時檢測， 根據(jù)所檢測的信息進行避障、 導(dǎo)航。所以說，如何選擇交通路線、 如何識別道路、 如何精確實時地確定自己的地理位置、 如何記錄自己的行車路線等問題， 是當前研究的技術(shù)熱點，而數(shù)字導(dǎo)駛技術(shù)就是解決這些問題的綜合方案。從硬件上講， 車載計算機、控制器、顯示器、數(shù)字地圖、定位系統(tǒng)是必不可少的。智能汽車導(dǎo)航技術(shù)目前，在智能汽車應(yīng)用中比較成熟的導(dǎo)航技術(shù)是 INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)。在眾多 組合導(dǎo)航系統(tǒng)中， INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)更是發(fā)展迅速，在軍用和民用領(lǐng)域均已獲得 廣泛應(yīng)用，而且愈來愈受到重視。就 INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)而言，除了

7、要完成大量的導(dǎo)航解算工作外，還要完成控 制、人機接口、與外部系統(tǒng)的通信等功能。由于導(dǎo)航系統(tǒng)對實時性要求較高，采用單片 CPU 來實現(xiàn)上述功能是不現(xiàn)實的。在研制某彈載 INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)時，針對彈載 導(dǎo)航系統(tǒng)體積小、重量輕、功耗小的特點，設(shè)計了一種嵌入式高速處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采 用 TI 公司的 TMS320VC33 和 TMS320F240 組成雙 DSP 系統(tǒng)，即由兩個 DSP 構(gòu)成一 個主從式系統(tǒng)完成相應(yīng)功能。主從式系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是主機與從機之間的數(shù)據(jù)通信。主 從機之間的數(shù)據(jù)通信主要有串行、并行、 DMA 及雙口 RAM 四種方式。綜合各種通信 方式的優(yōu)缺點，考慮到導(dǎo)航系統(tǒng)實時性高

8、、數(shù)據(jù)量大的特點，下面主要以雙口 RAM 器 件 CY7C028 作為共享存儲器，通過獨特的軟件分區(qū)處理設(shè)計有效地實現(xiàn)了導(dǎo)航系統(tǒng)中 的主計算機與從微型計算機之間的通信。1.雙口 RAM 芯片 CY7C028 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理：uhL.0再制汕科I. «mu k 7V ViH i門丁冷內(nèi)區(qū)哺flc+rmXL2RHER,|rOi>i-.|JUA3>KV*CY7C028是低功耗 CMOS型靜態(tài)雙口 RAM ,可與大多數(shù)高 速處理器配合使用，無需插入等 待狀態(tài)。采用主從模式可以方便 地將數(shù)據(jù)總線擴展成 32位或更 寬。其內(nèi)部功能框圖如右圖1所 示。雙口 RAM芯片CY7C02

9、8作為一種性能優(yōu)越的快速通信器件，對大多CPU的高速 數(shù)字系統(tǒng)中非常適用。其特點是：提供兩套完全獨立的數(shù)據(jù)線、地址線、讀寫控制線， 允許兩個CPU對雙端口存儲器同時進行操作；具有兩套完全的中斷邏輯，用于實現(xiàn)兩 個CPU之間的握手信號；具有完全獨立的忙邏輯，可保護兩個 CPU對同一地址單元進 行正確的讀寫操作。為了避免兩個 CPU對同一地址單元進行訪問時由于地址數(shù)據(jù)爭用 而造成的數(shù)據(jù)讀寫錯誤，CY7C028主要提供了以下幾種工作方式：A. 硬件判優(yōu)方式：雙口 RAM CY7C028具有解決兩個處理器同時訪問同一地址單元的硬件仲裁邏輯。 在雙口 RAM的兩套控制線中，各有一個BUSY引腳。當兩端的

10、CPU不對雙口 RAM的 同一地址單元存取時，可正常存儲；當兩端的CPU對雙口 RAM同一地址單元存取時， 哪個端口的存取請求信號出現(xiàn)后，則禁止其存取數(shù)據(jù)；在無法判定兩個端口存取請求信號 出現(xiàn)的先后順序時，控制線只有一個為低電平。這樣，就能夠保證對應(yīng)于BUSY=H的端口能進行正常存取，對應(yīng)于 BUSY=L的端口不能存取，從而避免了兩個 CPU同時競 爭地址資源而引發(fā)錯誤的可能。B. 中斷判優(yōu)方式:中斷判優(yōu)方式又稱郵箱判優(yōu)方式。 CY7C028 具有兩套中斷邏輯，通過兩個 INT 引 腳分別接收到兩個 CPU 的中斷引腳上，以實現(xiàn) CPU 的握手。在雙口 RAM 的數(shù)據(jù)傳送 中，兩端的 CPU

11、都把雙口 RAM 作為自己存儲器的一部分。當兩個 CPU 需要數(shù)據(jù)傳送 時，假設(shè)左端CPUL向右端CPUR傳送，首先CPUL將需要傳送的數(shù)據(jù)存放到雙口 RAM 某段約定的地址單元中，然后向雙口 RAM的最高奇地址單元OxFFFF即右端口的郵箱 進行寫操作，用以向 CPUR 發(fā)出一個中斷，這樣 CPUR 就進入其相應(yīng)的中斷服務(wù)子程 序，將約定地址單元的數(shù)據(jù)讀出，然后對雙口 RAM 右端口的郵箱進行寫操作，用以清 除該中斷。C. 令牌判優(yōu)方式：令牌判優(yōu)方式是一種快速數(shù)據(jù)交換方式。在此方式中有信令鎖存邏輯， CY7CO28 內(nèi)部提供了八個相互獨立的鎖存邏輯單元，最多可將 RAM 空間分成八個區(qū)段。這

12、些鎖 存邏輯單元獨立于雙口 RAM 存儲區(qū)，并不能控制 RAM 區(qū)、封鎖兩端 CPU 的讀/寫操 作，而是被作為命令，只提供指示邏輯，由兩端 CPU 按約定的規(guī)則，輪流地占用它們 劃定的 RAM 區(qū)，各區(qū)的大小及地址由軟件自由設(shè)定，且左右端操作完全一樣，只要不 超過令牌的限制次數(shù)即可。當左右端同時申請同一令牌時，令牌邏輯裁定誰先占用，從 而保證只有一個端口獲取令牌。 而在占用令牌期間， CPU 可以按最高速無等待存取數(shù)據(jù)， 這對實現(xiàn)高速、多 CPU 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)無疑是非常有利的。但是，為了避免令牌 方式爭用出錯，應(yīng)盡可能使兩端 CPU 分時占用同一 RAM 區(qū)。2.雙口 RAM 在組合導(dǎo)

13、航系統(tǒng)中的應(yīng)用：A :系統(tǒng)總體設(shè)計：導(dǎo)航系統(tǒng)的主要任務(wù)是測量載體的即時位置速度、方向參數(shù)， 具有實時性高、運算量大等待點。因此在導(dǎo)航系統(tǒng)中，計算機設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵之 一。在 INS/GPS 組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，導(dǎo)航計算機的任務(wù)主要有三類：(1)數(shù)據(jù)采集，包括采集慣性測量單元元件輸出信號，接收外部系統(tǒng)校正信息，如GPS輸出信息、初始位置信息等。(2)數(shù)據(jù)處理與運算，包括慣性測量元件的誤差補償、初始對準、導(dǎo)航參數(shù)解 算、組合導(dǎo)航算法實現(xiàn)等。(3)輸出導(dǎo)航數(shù)據(jù)及系統(tǒng)狀態(tài)量，包括輸出導(dǎo)航參數(shù)以及與其 它設(shè)備交換信息等。所有這些任務(wù)，如果都由一個 CPU來完成，那么CPU在進行運算的同時，還要兼 顧系統(tǒng)

14、控制和數(shù)據(jù)輸入輸出，并響應(yīng)頻繁的中斷，必然降低系統(tǒng)運行效率。所以，為了 兼顧系統(tǒng)運行效率，減輕導(dǎo)航計算機負擔，設(shè)計一種以TMS320VC33為主機和以TMS320F240為接口機的雙DSP主從式系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 2所示。場Jylv f 3蔑丄廉五尺聞電抗主機TMS320VC33主要用來定時采樣陀螺、加速度計的數(shù)據(jù)，并完成姿態(tài)陣計算、 組合系統(tǒng)卡爾曼濾波器計算等導(dǎo)航解算。接口機TMS320F240主要完成系統(tǒng)相關(guān)狀態(tài)的檢測/控制，與GPS接收機、彈載計算機及其它外設(shè)的通信等任務(wù)。主機和接口機之 間的通信利用雙口 RAM CY7C028實現(xiàn)。量化器模塊主要是將加速度計輸出的電流信 號轉(zhuǎn)換成主

15、機可直接讀取的數(shù)字量。此外，由于TMS320VC33和TMS320F240的串口資源有限，無法滿足系統(tǒng)需要，系統(tǒng)中采用EXAR公司的ST16C554進行相應(yīng)的串口擴展。此外，谷歌和福特兩家公司正聯(lián)手開發(fā)能預(yù)測目的地及設(shè)計最佳行車路線的高科技 智能汽車。據(jù)悉，福特將利用谷歌Prediction API軟件開發(fā)智能汽車導(dǎo)航系統(tǒng)，這種系 統(tǒng)能通過司機以前去過的地方智能判斷的目的地， 這是汽車行業(yè)與硅谷企業(yè)攜手打造未 來派汽車的最新案例， 同時表明科技行業(yè)對汽車行業(yè)越來越感興趣， 微軟、思科和 IBM 都在開發(fā)與汽車相關(guān)的新技術(shù)。簡單地說，谷歌的這套 Prediction API 軟件能給現(xiàn)有云端數(shù)據(jù)

16、集提供模式匹配功 能，令其可以“預(yù)測”當前事件的潛在后果。一旦采用這款軟件，汽車就能有效地從司 機駕駛行為中獲取經(jīng)驗， 做出相適應(yīng)的判斷。 從理論上講， 如果司機選擇使用這項服務(wù)， 車載電腦便會自動生成駕駛數(shù)據(jù)駕車去過的地方、 時間和路線的加密記錄， 并根據(jù) 你的駕駛行為做出智能調(diào)整。最終，汽車會“記住”你駕車去過的地方和路線。借助于 大量的云信息，該系統(tǒng)可以通過谷歌 Prediction 搜索引擎分析海量數(shù)據(jù)，提前“感知、 預(yù)測”司機的潛在目的地，然后給出最理想化的路線讓司機選擇，以避免堵車和其他問 題。這種智能汽車目前仍處于初級研發(fā)階段， 但福特會在已經(jīng)收集兩年的內(nèi)部駕駛數(shù)據(jù) 中采用谷歌

17、Prediction API 軟件。幾乎可以肯定的是， 再需要幾年時間， 大量的汽車將 會配備這種技術(shù)。我堅信，未來智能汽車中所應(yīng)用的導(dǎo)航技術(shù)會越來越成熟。未來的汽車產(chǎn)業(yè)將發(fā)生 翻天覆地的變化。將來的產(chǎn)業(yè)鏈將不再以汽車制造商為中心，而逐漸向汽車電子設(shè)備提 供商，軟件廠商和通信運營商轉(zhuǎn)移。汽車電子設(shè)備提供商和軟件廠商很可能會整合在一 起，出現(xiàn)兼具軟硬件優(yōu)勢的超大型企業(yè)，它將通過為智能汽車提供綜合性的解決方案而 成為將來智能汽車產(chǎn)業(yè)鏈的中心。從現(xiàn)在的以汽車制造商為中心，逐漸過渡到汽車制造商，汽車電子設(shè)備商，軟件廠 商，通信運營商等多市場主體平等共同參與，再進一步發(fā)展到以提供綜合性解決方案的 大型智慧型企業(yè)為中心，智能汽車產(chǎn)業(yè)格局將上演一場精彩的“三重奏” 。心得體會智能汽車技術(shù)與應(yīng)用這門選修課讓我了解了智能汽車中所應(yīng)用的基本技術(shù)，例如： 智能汽車上裝載的電視攝像機、電子計算機和自動操縱系統(tǒng)相當于人類的眼睛、大腦和 腳。這些裝置都裝有非常復(fù)雜的電腦程序， 所以這種汽車能和人一樣會 “思考”、“判斷”、