智能车辆导航技术的研究现状与发展趋势.pdf
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1、目录 引言.1 1 智能车辆导航系统概述.1 1.1智能车辆的定义及概述.2 1.1.1智能车辆的研究意义.2 1.1.2智能车辆的产生与发展.3 1.2智能车辆中几个关键技术.5 1.2.1感知技术.5 1.2.2决策技术.5 1.2.3控制技术.5 1.2.4车辆定位与路径规划.5 1.2.5其它.6 1.3智能车辆导航技术.6 1.3.1卫星定位导航技术(GPS).6 1.3.2航迹推算技术(DR).7 1.3.3地图匹配技术(Map Matching).7 1.3.4视觉技术(VP).7 1.3.5组合定位导航系统.8 2 视觉导航技术.8 2.1机器视觉.8 2.1.1机器视觉系统组
2、成.8 2.1.2机器视觉工作原理.9 2.2道路检测.9 2.2.1基于特征的道路检测.10 2.2.2基于模型的道路检测.10 2.3障碍物检测.11 2.3.1基于特征的障碍物检测.11 2.3.2基于光流场的障碍物检测.11 2.3.3基于立体视觉的障碍物检测.12 2.4检测系统的设计.12 2.4.1原理.12 2.4.2硬件电路.13 2.4.3软件设计.16 2.5代表性系统.24 3GPS导航技术.24 3.1GPS构成及原理.24 3.1.1GPS构成.25 3.1.2GPS基本原理.26 3.2GPS特点.27 3.2.1定位精度高.27 3.2.2观测时间短.27 2
3、3.3GPS在汽车导航中的应用.28 3.4GPS技术在导航仪中的应用举例.28 4 组合导航技术.28 4.1DR/DMAP.28 4.2GPS/DMAP.29 4.3GPS/DR.29 4.4GPS/DR/DMAP.30 4.5GPS/DR/DMAP/VP.30 5 智能车辆导航技术的发展前景探讨.33 5.1提高 GPS的精度和鲁棒性.34 5.2提高惯性传感器的精度.35 5.3建立更优的地图匹配方法、.35 5.4完善视觉系统,实现多环境、高可靠性视觉追踪.36 5.5发展新型的定位技术.36 5.6在降低系统成本的情况下,采用多传感器信息融合理论和方法从整体上提高系统的精度和可靠性
4、.36 6 总结.36 参考文献:.38 英文摘要.39 1 智能车辆导航技术的研究现状与发展趋势 摘要:介绍了智能交通系统中导航服务的实现环节“车辆导航系统”的定义、分类,以“GPS导航”及“视觉导航”为重点对其系统框架和核心技术进行了归纳与分析,在障碍物检测部分主要设计了一种以 8051单片机为核心的结构简单、精度较高、测距较长、可靠性较高的汽车障碍物检测报警系统,该系统适合空气能见度低,汽车倒车及晚间行驶等情况下汽车低速行驶过程时使用。并介绍了组合定位导航技术,最后,对智能车辆导航技术的未来发展提出了自己的见解。关键词:车辆导航 GPS 视觉技术 障碍物检测 引言 道路交通是一个城市的主
5、要基础设施之一。随着城市人口基数的膨胀,城市化建设的加速、私家车在大中城市的进一步普及,使得城市交通出现了更为拥挤、阻塞等现象,给城市居民出行带来许多不便。复杂的道路交通已成为城市规模扩展的瓶颈。怎样提高道路交通设施的利用率,确保驾驶员在复杂的道路交通网中高效地、正确地选择行驶路线是城市道路交通发展中关注的焦点。车辆导航系统是集卫星定位技术(GPS)、地理信息系统(GIS)、数据库技术、机器视觉技术等为一体的综合应用系统.以 GPS接收机作为地面接收系统,城市电子地图为基础数据库,以 WINDOWS、VISUAL BASIC为开发平台,只需司机给出目标地址,通过系统的协同工作可显示该城市的电子
6、地图和车辆所在位置,实时规划出一条最佳的旅行代价的路线。基于机器视觉的智能车辆导航是智能车辆系统的关键。它主要完成道路和障碍物检测任务,控制车辆在道路上安全行驶。通过汽车上的导航系统终端,驾驶人员可以得到及时的导航信息、公共信息以及定制的个性服务信息等。车辆导航系统带来的社会效益,主要体现在引导驾驶行为,保障交通安全优化流量分配,缓解交通拥堵减少出行焦虑,提高旅行质量合理安排路线,节约资源消耗降低交通公害,改善城市环境等方面,同时其对相关产业的带动作用也十分巨大。1 智能车辆导航系统概述 车辆导航技术的发展得益于现代电子、计算机技术的迅速进步。80 年代日本推出了采用彩色显示器及由 CD-RO
7、M存储数字地图的新金属组成的自主导航系统。90 年代初,全球定位系统 GPS的成功更为现代导航技术的发展、一用注入了强大的生命力。目前,现代汽车导航产品已经走过了第一代自助式导航和第二代多媒体导航两个阶段,基本都采用 GPS作为主要的定位方法。第一代自助导航产品由 GPS和液晶显示器两部分构成。内置的 GPS天线会接收卫星定位信息,由此测定汽车当前所处的位置。导航系统本身装有储存电子地图信息的CD-ROM,通过 GPS卫星信号确定的位置坐标与此相匹配,便可确定汽车在电子地图中的 2 准确位置。在此基础上,将会实现行车导航、路线推荐等多种功能。驾驶者只须通过观看显示器上的画面、收听语音提示,操纵
8、显示器上的按键即可实现上述功能,从而轻松自如地驾车。由于地图存储于本地,所以在路径的计算方面速度较快,但因此不易于更新、升级。第二代多媒体导航系统是在第一代的基础上增加了多媒体播放的功能,一般具有GPS卫星导航定位、路线规划以及 VCD/DVD、电视等功能。多媒体导航的基本原理和第一代基本相同,可以算作是第一代的升级产品,从技术上并没有实现突破性的发展。由于无线通信技术的快速发张,导航系统与无线通信的结合已成为有目共睹的一个发展趋势,车载导航器将来会演变成为具有无线通信功能的信息终端。日本网络 ITS协议事务局长时津直树曾说“车载导航会成为各种服务信息的处理核心”。将 GPS导航与无线通信结合
9、实现联网功能的导航系统,除导航之外还可以赋予汽车更多的信息内容,被认为是“第三代导航系统”。第三代导航系统的导航功能实现可以说是革命性的,一是可有效利用实时交通信息实现“疏堵式”导航,自动避开堵车路段;二是由于通信功能的应用,还可以增加安全控制、远程检测、求助救援的服务内容。这样,不仅可以大大提高汽车的综合性能,提高行车质量,减轻驾驶者的负担,而且还可以使驾驶者始终保持与外界的紧密联系。第三代导航系统更符合中国市场对导航、安全、信息等多样化的需求,作为一个新亮点,将成为 21 世纪汽车发展中不可阻挡的潮流和趋势。第三代导航系统最终将成为汽车产品最基本、最普遍的特征之一。当前研究最多的导航技术之
10、一机器视觉技术,因其具有检测范围广、信息容量大(结构化或者非结构化道路环境均能提供丰富的信息)、类似于人类驾驶决策且成本低廉等诸多优势,受到了越来越多的重视。为实现车辆的自主驾驶,视觉技术应具备实时性与鲁棒性等特点。为保证视觉系统的实时性和鲁棒性,可以采用高性能的硬件设备,但研究高效的识别算法也是至关重要的。在导航技术中,引导磁钉或引导电缆技术通过在车道下埋设磁钉或电缆来为智能车辆提供导航信息。其优点是具有较好的环境适应能力,它在雨天、冰雪覆盖、光照不足、无光照的情况下都可以提供可靠的导航信息。其不足之处在于探测范围小,且需要对现行的道路设施做较大的改造。1.1智能车辆的定义及概述 智能车辆(
11、Intelligent Vehicle)又称轮式移动机器人,是一个集环境感知、规划决策、自动驾驶等多种功能于一体的综合系统。它致力于提高汽车的安全性、舒适性和提供优良的人车交互界面,是目前各国重点发展的智能交通系统一个重要组成部分,也是世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力。1.1.1智能车辆的研究意义 发展智能车辆有助于提升驾驶安全性,是智能交通系统的关键组成部分。随着经济 3 的发展,车辆拥有量的增加,非职业驾驶员人数的增多,交通事故的发生更加频繁,交通事故已经成为现代社会的第一公害。由各种原因引起的驾驶员注意力不集中(Lack of Attention)是交通事故频发的重要原因
12、,与驾驶员自身相关的交通事故中 90%是由驾驶员注意力不集中造成的。在美国警察局统计的交通事故中,约 30%的交通事故是追尾碰撞,约 20%的交通事故是由于车道偏离(Lane Departure)引起的。在此情况下,利用高新技术发展具有辅助驾驶或者自动驾驶功能的智能车辆成为解决问题的关键手段之一。德国 Daimler-Benz公司 1992年的研究报告指出,如果驾驶员能多 0.5秒的警告时间,则 60%的追尾事故可以避免,如果再多 1 秒的警告时间则 90%的追尾事故可以避免。美国国家高速公路交通安全部(NHTSA:National Highway Traffic Safety Adminis
13、tration)预测碰撞警告系统能阻止 37%-74%的追尾碰撞。因此,通过发展智能车辆来增加交通安全性不仅是必要的,也是可行的。智能车辆有助于减轻驾驶员的劳动强度和提高驾驶员的舒适性。如自适应巡航控制,自动跟随驾驶,自动泊车系统都可以大大减轻驾驶员的劳动强度。发展智能车辆的好处还包括优化使用交通设施、提高机动性、使旅行时间和能量消耗最小化等。智能车辆在军事上和太空探测上有重要的意义。美国国家研究委员会(NCR:National Research Council)曾预言:“20 世纪的核心武器是坦克,21 世纪的核心武器是在人的监督下计算机控制的无人作战系统”。为此,从 80 年代开始美国国防
14、部高级研究计划局(DARPA:Defense Advanced Research Projects Agency)专门立项,制定了地面无人作战平台的战略计划。目标是研制出一台可以在崎岖地面上沿规划的路线自主导航及躲避障碍,并在必要时重新规划路线的智能车辆。智能车辆在前沿阵地无人侦察、野外巡逻、扫雷、救护等领域也有良好的应用前景。智能车辆的研究可以大大促进其它学科的迅猛发展。智能车辆是典型的高技术集合体,研究智能车辆对相关学科有极大的促进作用,如对智能控制、人工智能、机器视觉和传感器技术的促进。1.1.2智能车辆的产生与发展 智能车辆的出现除了技术上的进步使其成为可能外,来自工业应用、智能交通系
15、统和军事方面的需求为智能车辆的发展起了很大的推动作用。1 智能车辆的发展起步于工业应用 智能车辆的研究可以追溯到 50 年代初美国 Barett Electronics公司研制的世界上第一台自动引导车辆系统(AGVS:Automated Guided Vehicle System),小车跟随一条钢丝索导引的路径行驶,并具有一个以真空管技术为基础的控制器。该系统于 1954年在South Carolian州的 Colombia市的 Mercury Motor Freigh公司投入运行。尽管这只是一个运行于固定线路上的拖车式运货平台,但它却具有了智能车辆最基本的特征即无人驾驶。早期研制 AGVS的
16、目的是为了提高仓库运输的自动化水平,AGVS的应用领域仅局限于仓库内物品的运输。在 20 世纪六、七十年代,瑞典的 Volvo公司与 Schiinder-Digitron公司合作研制 4 成功一种可装载轿车车体的AGVS,并将其用到了汽车装配线上。从此,AGV在工业上得到了广泛的应用,例如到 1987年仅仅通用汽车公司就有 1662台 AGV。2 智能交通系统的发展大大推动了智能车辆的发展 在客观上,“智能交通系统”的发展大大促进了智能车辆的发展。智能交通系统的发展大致上经历了三个阶段:6070 年代为其第一个阶段,主要成果有日本的综合汽车交通控制系统、电子线路引导系统以及德国的类似系统。19
17、801994年为智能交通发展的第二阶段,日本 1984年开始了道路/车辆通讯系 统(RACS:Road and Automobile Communication System)项目的研究,它是汽车自动导航系统的基础。与此同时,欧洲开始了两项研究计划:一是 1986年启动的,以汽车制造商为主导,涵盖 13 个汽车制造商、几个政府研究机构、19 所大学的 PROMEtheus(Program for a European Traffic with Highest Efficiency and Unprecedented Safety)计划欧洲高效安全道路交通计划;二是由欧共体 1989年发起的欧洲
18、交通安全和道路系统计划,即 DRIVE计划(Dedicated Road Infrastructures for Vehicle safety in Europe)。1990年开始美国开始实施智能车/路系统计划(IVHS:Intelligent Vehicle/Highway System)。在这个阶段,智能车辆技术取得了突破性的发展,如美国CMU发展的 Navlab系统、意大利 Parma大学发展的 ARGO汽车、德国的 VaMP等都是在这一阶段得到大力发展的。从 1994年开始到现在是 ITS发展的第三个阶段,美国从 1994年起有联邦高速公路 局(FHWA:Federal Highway
19、 Administration)组成国家高速公路系统联盟(NAHSC:National Advanced Highway System Consortium)推动为期八年的先进高速公路系统(AHS:Advanced Highway System)计划,1997年该计划被 NHTSA(National Highway Traffic Safety Administration)所主导的智能车辆开发(IVI:Intelligent Vehicle Initiatives)计划取代,继续推动智能车辆的研发工作。这个阶段的特点是将先进的信息技术、数据传输技术、控制技术以及计算机处理技术等有效地综合运用
20、于整个运输管理体系,使人、车、路及环境密切配合,从而建立起一种在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的综合管理系统。3 智能车辆在军事上和和航航天天探探测上的应应用用推动了智能车辆的发展 美国对用于军事上的智能车辆倾注了很大的热情,以用来发展智能侦察车和无人作战平台,美国国防部曾立项研究自主地面车辆(ALV:Autonomous Land Vehicle),和智能侦察车 DEMO3,并取得了相当的成功。在太空探索方面,美国国家航空和航天局(NASA:National Aeronautics and Space Administration)研制的火星机器人索杰纳于 1997年成功登上火星
21、进行科学探测,这是一个六轮的自主移动机器人。2004年 1 月,美国研制的火星车机遇号和勇气号再次登上火星,直到现在,这两辆火星车仍然在工作。在太空探测领域研制的智能车辆在可靠性上比用于交通运输系统的智能车辆提出了更高的要求。5 1.2智能车辆中几个关键技术 1.2.1感知技术 人类在驾驶汽车时所接受的信息几乎全部来自于视觉,交通信号、交通标志、交通图案、道路标志等均可以看作是环境对驾驶员的视觉通讯语言。同时,人类在驾驶汽车时,通过对周围路面场景的观测来决定采取什么样的操作。因此,选择机器视觉作为感知路面场景的传感器是一种很自然的选择。机器视觉在智能车辆中的应用如图 1.2所示。视觉系统在智能
22、车辆中主要用来识别车辆周围的交通环境,如确定车辆在车道中的位置和方位、车道的几何结构、检测车辆周围的障碍物如车辆和行人、识别交通标志和交通信号等。当机器视觉用于智能车辆时必须具备实时性、鲁棒性和实用性三方面的技术特点。实时性是指视觉处理系统的数据处理必须与车辆的高速行驶同步进行;鲁棒性是指智能车辆对不同的道路环境如高速公路、市区标准公路、普通公路等,不同的路面环境如路面及车道标线的宽度、颜色、纹理、动态随机障碍与车流等,以及变化的气候条件如日照及景物阴影、黄昏与夜晚、阴天与雨雪等均具有良好的适应性;实用性是指智能车辆在体积和成本等方面能够为普通汽车用户所接受。智能车辆系统可靠运行的前提是通过各
23、种传感器准确的捕捉环境和车辆自身的状态信息,并加工处理,随后发出预警或者自动操控车辆。研究如何将传感器传来的信息加以有效的处理、分析,并准确的确定环境和车辆自身的状态是非常重要的。然而到目前为止,没有任何一种传感器能保证在任何情况下能提供完全可靠的信息,采用多传感器融合技术,即将多个传感器采集的信息进行合成,形成对环境特征的综合描述的方法,能够充分利用多传感器数据间的冗余和互补特性,获得我们需要的、充分的信息。目前,在智能车辆领域,除了视觉传感器外,常用的还有激光雷达、毫米波雷达、声纳、红外探测、磁导引、GPS等传感器。1.2.2决策技术 在辅助驾驶或者自动驾驶技术中,需要依据感知系统获取的信
24、息来进行决策判断,进而向驾驶员发出警告或者对车辆进行控制。例如,在车道偏离警告系统和碰撞警告系统中,需要预测主车辆和其它车辆未来一定时间内的状态。先进决策技术包括模糊推理、强化学习、神经网络和贝叶斯网络等技术。1.2.3控制技术 对自动驾驶车辆或者辅助驾驶车辆来说,利用环境感知信息进行规划决策后需要对车辆进行控制,比如对路径的自动跟踪,此时性能优良的控制器成为了智能车辆必不可少的部分,成为智能车辆的关键。智能控制代表着自动控制的最新发展阶段,是应用计算机模拟人类智能,实现人类脑力和体力劳动自动化的一个重要领域。智能控制是一个新兴学科,包括递阶控制系统、专家控制系统、模糊控制系统、神经控制系统和
25、学习控制系统等 5 个方面。1.2.4车辆定位与路径规划 6 车辆定位导航系统应用车辆自动定位技术、数字地图、通信技术,为车辆提供路径引导、无线遥控等功能。在车辆定位导航系统中,定位是实现导航功能的前提和基础,车辆定位技术大致上可分为三类:惯性导航、无线电定位和卫星定位。路径规划是智能车辆信息感知和车辆控制的桥梁,是智能车辆自主驾驶的基础,可分为全局路径规划和局部路径规划。全局路径规划是在已知地图的情况下,利用已知局部信息如障碍物位置和道路边界,确定可行和最优的路径,它把优化和反馈机制很好的结合起来。局部路径规划是在全局路径规划生成的可行驶区域指导下,依据传感器感知到的局部环境信息来决策车辆当
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