智能车辆全册配套最完整精品课件2.ppt
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1、智能车辆全册配套最完整智能车辆全册配套最完整 精品课件精品课件2 智能车辆 主要内容 智能车辆概述 车辆卫星定位原理与应用(GPS+北斗+GLONASS) 现场总线控制技术(CAN、LIN) 车载无线通信技术(GPRS+ZIGBEE+WIFI+UWB) 汽车电控单元设计(MCS51/ARM Cortex) 车辆智能控制单元设计(分组设计、答辩) 考核方法 针对上课讲述的内容查阅资料写相关报告,每 个专题5001000字左右,课程结束前交纸质纸质 材料材料; 分成几个小组(23人/组),设计一个和智 能车辆相关的作品(论文、实物都可以); 最终成绩:同学互评报告成绩出勤情况。 互评成绩由每个人得
2、分的平均值和给分的方差 构成; 参考资料 v陈慧岩,无人驾驶汽车概论,北京理工大学出版社2014.7 v韦巍,智能控制技术(第2版),机械工业出版社2016.1 v刘基余,GPS卫星导航定位原理与方法(第2版),科学出版社, 2008.6 vSimon Haykin著,神经网络与机器学习,机械工业出版社,2016.1 v郁磊,MATLAB智能算法30个案例分析(第2版),北京航空航天大 学出版社,215.9 v王建等,汽车现代测试技术,国防工业出版社,2013.5 参考资料 v刘基余编著,GPS卫星导航定位原理与方法(第二版),科学出版社, 2008 v马忠梅,马岩等,单片机的C语言应用程序设
3、计,北京:北京航空航 天大学出版社,1997.3 v日社团法人编,董国良等译,智能交通系统,人民交通出版社, 2000.6 v张守信编著,GPS卫星测量定位理论与应用,国防科技大学出版社, 1996.7 v美赵亦林著,谭国真译,车辆定位与导航系统,电子工业出版社, 1999.4 v刘光云,韩丽斌编著,电子地图技术与应用,测绘出版社,1996.11 vhttp:/ vhttp:/ 智能车辆 北航交通学院 汽车工程系 王建 8 目 录 绪 论 智能车辆研究历史和现状 智能车辆构造和设计 智能车辆主要关键技术 智能车辆电子控制技术 目前智能车辆研究方向 存在问题与发展方向 9 绪论 ITS包括以下七
4、个方面: 先进的交通管理系统(ATMS-Advanced Traffic Management systems) 先进的出行者信息系统(ATIS-Advanced Traveler Information Systems) 先进的公共交通系统(APTS-Advanced Public Transportation Systems) 先进的乡村运输系统(ARTS-Advanced Rural Transportation Systems) 商业车辆运营(CVO-Commercial Vehicle Operation) 自动公路系统(AHS-Automated Highway System) 先
5、进的车辆控制和安全系统(AVCSS-Advanced Vehicle Control 距离分辨率可达0.lm;速度分 辨率能达到10m/s以内. 隐蔽性好、抗有源干扰能力强 :激光直线传播、方向性好、光束非 常窄. 低空探测性能好:只有被照射的目标才会产生反射,完全不存在地物 回波的影响. 激光雷达的特点 135 激光雷达工作时,发射机向空间发射一串重复周期一定的高频窄脉 冲。如果在电磁波传播的途径上有目标存在,那么激光雷达就可以 接收到由目标反射回来的回波。由于回波信号往返于雷达与目标之 间,它将滞后于发射脉冲一个时间,基于此时间差计算距离。 激光雷达的测距 136 如图是激光雷达工作时的俯
6、视扫描面示意图,其中激光雷达为逆时 针扫描。以激光发射器为原点建立坐标系,X 轴定义为水平向右,Y 轴定义为水平向前,Z 轴是按照右手原则确定。 一次扫描可以采集n个激光反射信息(距离、角度和强度信息)。 再通过距离和角度,即可定位每个激光反射点的位置。 激光雷达的位置确定 137 激光雷达的测速 138 各车用传感器比较 种类优点缺点用途 视觉 探测范围广,检测信息量大, 可以遥测等 计算量大,系统实时性差; 易受环境气候等影响;无法 获得深度信息 路径识别与跟踪,障碍 物识别,驾驶员状态监 测,驾驶员视觉增强等 超声波 数据处理简单,快速,价格低 探测波束角过大,方向性差; 分辨率低,作用
7、距离短 近距离障碍物探测 微波 可直接获得距离、速度,气象 适应性好 分辨率较低 障碍物探测,深度信息 获取,测速 毫米波 探测距离远,技术成熟应用较 早;同微波相比,体积小,重 量轻;波束窄,具有更高的分 辨率;带宽大,抗干扰能力强 同微波相比,作用距离较近, 大气传输损耗较大 激光 与视觉相比,可直接获取环境 的三维信息;与雷达相比,方 向性好,体积小,波束窄,成 本低;无电磁干扰;精度高 数据噪声较大,受环境影响 大,距离成像速度较慢 障碍物探测,深度信息 获取,距离成像 红外线 环境适应性好;体积小,重量 轻,功耗低;与超声波相比, 探测视角小,方向性较强,探 测精度有所提高 分辨率低
8、,作用距离短障碍物探测,红外成像, 红外夜视等 139 2014年5月28日谷歌发布了一款自己设计的无人驾 驶汽车。谷歌采用了Velodyne(威力登)公司的车顶激 光测距系统,这一系统使用64个激光,以每分钟900 次的速度发出光束,产生的点云可以提供给汽车360 度的视角。百度无人驾驶汽车车身上,部署了毫米波 雷达、视频等感应器,其车顶还安置了一个体积较大、 价值70万余人民币的64位激光雷达。 激光雷达的应用 LiDAR传感器的高精度扫 描,适用于复杂环境探测, 使得无人驾驶汽车可以在人 车混杂的道路上无限接近 “零事故”驾驶。 廉价的固定光束红外激光雷达 141 倒车雷达(Car re
9、versing aid System)也叫“泊车辅助装置”, 是汽车在停车或者泊车时候的安 全辅助装置,它能够以声音或图 像等直观的方式显示车辆周围的 障碍物情况,可以扩大驾驶者的 视野,帮助驾驶者及时发现车辆 周围的障碍物,提高驾驶的安全 性。 目前,在可视倒车系统中做得出色的当属沃尔沃S80所配备的智能可 视倒车安全系统,采用了一种非常小巧的摄像头,它集成了感光器、数 字信号处理器、放大器、补偿器和电源电路,并采用防振防水设计,防 水能力可以达到在1m深的水下24小时镜头内无雾气。这种摄像头采用了 CCD传感器,成像快,分辨率高,色彩还原逼真,图像清晰,并具有背 光补偿功能,在昏暗的地方也
10、能够清晰地看到汽车周围的物体,有利于 安全地倒车。 智能车辆主要关键技术 142 磁性导航技术 磁性导航技术(AGVSAuto Guided Vehicle System ),利用路面下埋设的磁钉与机器视角相结合,可以 实现车辆的道路跟踪。目前已有商用的磁车道线在使用,有的 正在设置。由于磁钉必须安置于路面下,需要在道路建设时预 先设置,这在某些情况下也限制了这种传感器的使用。 美国和日本在20世纪90年代中期,提出在道路中间铺设 磁块的方式来进行导航,并于1996及1997年在公路上做 过实验。 美国加州进行的PathProgram 项目即是在高速公路上, 采用安装磁性铁钉来实现道路边界的标
11、识 美国明尼苏达州的高速公路自动扫雪车也采用磁性参照 物的导航方式 目前在工业生产中广泛应的AGVS大都采用这种磁性导航 的导航方式。 智能车辆主要关键技术 143 高精度的数字地图和GPS技术 GPS系统也是一种可全天候工作的系统,与数字地 图相结合,可以提供道路曲率、车道外形以及车道边线 等信息,厘米级的GPS还可用于检测车辆的位置, 以便 实现精确的车辆或道路跟踪。GPS系统的不足是在有些 情况下,如当车辆在市区街道行驶, 由于林阴及路边高 层建筑的影响等因素会造成GPS信号丢失,从而影响它 的使用。 法国雷诺汽车公司准备在辅助驾驶系统上应用数字地 图实现车辆导航 美国的DEMO 德国的
12、UBM 智能车辆主要关键技术 卫星定位系统 美国GPS 欧洲Galileo(伽利略卫星导航系统) 俄罗斯Glonass(格洛纳斯全球导航系统) 中国北斗Compass “印度区域导航卫星系统”逐渐成形 日本加紧建造“准天顶卫星系统” 其他定位技术 指南针;罗盘; 独立定位技术:推算定位(Dead Reckoning)是典型的独立定位技术; 地面无线电定位技术(基站三角定位、 以色列ITURAN技术) 以色列 Ituran 147 测量数据处理技术 数据相关和融合技术 不同传感器有不同的特性和不同的使用范围,现在还没 有一种适用于智能车辆使用的全能传感器。另外,单个传感 器的信息都有一定的局限性
13、,根据其作出判断容易产生虚警。 因此,为了提高对目标的识别和估计能力,提高测量的可靠 性,就要利用数据相关技术,对分布在不同位置的多个同类 或异类传感器所提供的局部不完整观察量进行数据融合,从 而消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾,充分利用 各传感器数据的互补性,降低量测值的不确定性,确定符合 实际的测量值,形成对系统环境相对一致的感知描述,从而 提高系统决策的正确性。 目前已有人利用激光雷达与毫米波雷达,或毫米波(激光) 雷达与CCD摄象机的信息进行融合处理,实验表明该方法提 高了对目标的探测和跟踪能力以及对目标状态的估计精度。 但是,对一个实际系统而言,增加传感器的数目,在提高 系统
14、的性能的同时也会增加系统的成本,所以必须综合考虑 系统的性价比。 智能车辆主要关键技术 148 滤波估计技术 智能车辆系统在实现车辆行驶智能化时,主要参考的是 各类传感器测量得到的有关己车与前车或障碍物的相对距离、 相对速度、相对减速度等运动学参数的数据,而这些数据在 测量的过程当中由于传感器本身的热噪声、大气干扰和工作 条件扰动等因素的影响,绝大多数都存在测量误差,所以行 之有效的滤波算法对于智能车辆系统性能的发挥和提高起着 非常重要的作用。 Kalman滤波技术自上世纪60年代出现以来,经过众多领 域的实践应用,已显示出了它在解决此类问题上的优势,并 在智能车辆系统各单传感器和融合中心的数
15、据处理中也得到 了广泛的应用。 但是,由于Kalman滤波要求精确已知的模型和噪声统计 特性,而这些条件在实际应用时往往不能事先确定,所以研 究Kalnlan滤波中模型和噪声统计特性的在线自适应方法是该 领域目前的一个研究重点;另外,由于实际应用Kalman滤波 时的量测方程多是非线性方程,而常规的扩展Kalman (EKF: Extend Kalman Fihering)方法有时会导致很大的滤波误差,所 以研究符合实际的非线性滤波方法是该领域的另外一个研究 重点。 智能车辆主要关键技术 149 通信技术 车辆的行驶除与其自身有关外,也受行驶环境的影响,为了安全行 驶,提高道路的利用率,有必要
16、及时将前方路况信息(如交通状况,路 面性能,路面特征等),前方车辆的运动特征,下一步的动作等通过车 路或车车通信系统及时告诉己车,以便己车及时采取相应的措施。 并且,与传感器的工作状态不同,通信系统的工作不易受环境与气候变 化的影响,可以全天候的工作。 因此,研制和发展简便易行,工作可靠的车路或车车通信系统 是智能车辆系统研究的另一重要方向。 智能车辆主要关键技术 150 智能车辆无线通信系统基本需求如下:智能车辆无线通信系统基本需求如下: 应用环境:室外,大范围空旷地区 通信带宽:保证高速数据通信,足够传输视频数据用于视频安全 监控 移动性:要求系统能保证移动点(智能车辆)的通信连接稳定性
17、多用户需求:通信节点多,包括:智能车辆、车站和视频监控点 通信链路:实现所有通信节点之间一点对一点,一点对多点数据 通信 灵活性:通信节点可以随时进入和退出系统 安全和抗干扰:保证系统通信安全和通信传输抗干扰 智能车辆主要关键技术 151 主要无线通信技术参数比较主要无线通信技术参数比较 智能车辆主要关键技术 152 基于大范围室外环境,可以将红外技术、蓝牙技术排除,其最大传 输距离仅10m左右。 基于通信带宽要求,可以将手机通信技术包括GSM,CDMA排除。 基于多用户需求,可以将主要应用于面向大众服务的,模拟电视传 输技术、无线电传输技术排除,因为他们无法实现通信用户自行开发。 基于灵活性
18、,受国家对无线传输的波段管制,如果需要连入某些特 定网络,必须提出申请或交纳费用。因此模拟电视和数字电视传输技 术不予考虑。 3G、4G业务已经进入市场,由于其主要用于手机增值服务开发,目 前通信成本过大。 而对Wimax技术,目前国家对其并未准入,同时国家考虑将其作为 城际无线网络解决方案,因此政府可能监管其通信波段,因此目前无 法使用。 智能车辆主要关键技术 153 Meshwork技术,是对于智能车辆应用中,最合适的技术手段。 目前已经投入使用的几套智能车辆演示系统,均采用此项技术,作 为系统无线通信解决方案。但是由于此项技术由美国公司开发,用 在美国军方的战场单兵指挥系统之中,因此美国
19、对该技术进行封锁 保密。 WIFI和Zigbee两种技术,满足一定的智能车辆交互系统要求。 WIFI与与Zigbee技术参数比较技术参数比较 比较两种通信技术,WIFI在传输距离和速度上均好于 Zigbee,且移动性移动性强,非常适用于智能车辆实时移动连接 的要求。而且Zigbee属于激活激活/休眠休眠工作方式,在不连接时 的休眠,保证了其功耗急剧降低。但是,对于智能车辆应 用,通信必须实时处在工作状态,因此,其低功耗优势无 法体现。 智能车辆主要关键技术 154 802.11p 802.11p 无线局域网标准,用于智能交通ITS。 已由IEEE于2010 年7月颁布。 IEEE 802.11
20、p(又称WAVE,Wireless Access in the Vehicular Environment)是一个由IEEE 802.11标准扩充的通信协议,主要 用于车载电子无线通信。它本质上是IEEE 802.11的扩充延伸,符 合智能交通系统(ITS,Intelligent Transportation Systems)的相 关应用。应用层面包括高速车辆之间以及车辆与ITS路边基础设施 (5.9千兆赫频段)之间的数据交换。IEEE 1609标准则基于IEEE 802.11p通信协议的上层应用标准。 802.11p将被用在车载通讯(或称专用短距离通讯,Dedicated Short Ran
21、ge Communications,DSRC)系统中,这是一个美国 交通部(U.S. Department of Transportation)基于欧洲针对车辆 的通讯网路,特别是电子道路收费系统、车辆安全服务与车上的 商业交易系统等应用而规划的中长距离继续传播空气介面 (ContinuousAir interfaces - Long and Medium Range,CALM) 系统的计划。该计划最终的愿景是建立一个允许车辆与路边无线 接取器或是其他车辆间的通讯的全国性网络。 DSRC即Dedicated Short Range Communications(专用短程通信技术) nDSRC是
22、一种高效的无线通信技术,它可以实现在特定小区 域内(通常为数十米)对高速运动下的移动目标的识别和双 向通信,例如车辆的“车-路”、“车-车”双向通信,实时传输 图像、语音和数据信息,将车辆和道路有机连接。 nDSRC设备的研发是智能交通系统(ITS)研究中的一个重要 课题,广泛地应用在不停车收费、出入控制、车队管理、信 息服务等领域,并在区域分割功能即小区域内车辆识别、驾 驶员识别、路网与车辆之间信息交互等方面具备得天独厚的 优势。 nDSRC技术在智能交通系统中的应用,不断改善和提高人们 的交通出行效率: n建立车-路之间的连接:根据路况情况实时提供优化的驾 驶路线,缓解交通压力。 n建立车
23、-车之间的连接:提示车与车之间的安全距离,提 前预警通行前方的事故,提高交通安全的系数。 迄今为止,DSRC技术比较成熟的两个应用是AVI和ETC。 在AVI应用中的DSRC设备属于射频电子标签(RFID),其主要应用在生 产线货物标识、海关车辆通关、集装箱自动识别等场合。这些情况下, 仅要求AVI设备具有简单的RFID功能。 在ETC应用中,早期的系统多采用记帐方式的后付款模式,也仅仅要求 ETC设备具有简单的读写功能即可,但随着技术的应用和发展,ETC设备 逐渐采用更加灵活、安全和低运营风险的付费方式(例如金融电子钱 包),并逐渐制定出一套为之服务的DSRC标准。 DSRC技术应用 DSR
24、C技术的特点 1通信距离一般在数十米(10m30m); 2工作频段:ISM5.8GHz、915MHz、2.45GHz; 3通信速率:500kbps/250kbps,能承载大宽带的车载应用信息; 4完善的加密通信机制:支持3DES、RSA算法;高安全性数据传输机制, 支持双向认证及加/解密; 5应用领域宽广:不停车收费、出入控制、车队管理、车辆识别、信息 服务等; 6具备统一的国家标准,各种产品之间的互换性、兼容性强; 7具备丰富的技术支持,产品多样化、专业化。 DSRC技术的特点 158 目 录 绪 论 智能车辆研究历史和现状 智能车辆构造和设计 智能车辆主要关键技术 智能车辆电子控制技术 目
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