德州學(xué)院 宋致強(qiáng) 張長坤

微波技術(shù)與無人駕駛

德州學(xué)院 宋致強(qiáng) 張長坤

現(xiàn)有的無人駕駛汽車更多的是檢測靜止的障礙物或道路的坡度信息，對周圍行駛中的汽車的檢測力度不夠，容易發(fā)生交通事故。本文主要介紹了采用微波傳感器檢測，可以檢測到運(yùn)動(dòng)障礙物的運(yùn)動(dòng)速度、距離、方向、角度信息，也可以探測到靜止障礙物，以便于更加清晰、有效地躲避不同狀態(tài)的障礙物。

無人駕駛；微波傳感器；障礙物

1 研制背景及意義

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，無人駕駛汽車已不再新鮮。2015年德國奔馳汽車公司在聯(lián)邦8號公路上測試了無人駕駛卡車。奔馳公司負(fù)責(zé)人表示，這種無人駕駛卡車有望在兩年內(nèi)投入市場,無人駕駛汽車不再是傳說[1]。目前許多現(xiàn)代科技被運(yùn)用于無人駕駛汽車，不止從視覺、聽覺等識別技術(shù)應(yīng)用在無人汽車系統(tǒng)研發(fā)中，有些汽車運(yùn)用全球定位系統(tǒng)和激光傳感器充當(dāng)汽車的眼睛。通常，道路交通的實(shí)際情況往往比較復(fù)雜多變，無人駕駛的汽車還不能靈活應(yīng)對，對人為駕駛也存在隱患?，F(xiàn)有的無人駕駛汽車更多的是檢測靜止的障礙物或道路的坡度信息，對周圍行駛中的汽車的檢測力度不夠，容易發(fā)生交通事故。微波傳感技術(shù)的運(yùn)用就可以為無人駕駛提供一個(gè)不同的思路，讓無人駕駛更加有效，以提高安全系數(shù)。

2 微波傳感無人駕駛裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

微波傳感技術(shù)已經(jīng)在許多工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到應(yīng)用。在國內(nèi)，微波技術(shù)已經(jīng)用于玻璃纖維、化工產(chǎn)品、保溫材料、木材等干燥，食品、醫(yī)療霉菌、干燥和焙烤，并在醫(yī)療、環(huán)保、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域也有所應(yīng)用[2]。該技術(shù)與無人駕駛有機(jī)的結(jié)合是一種不錯(cuò)的嘗試。微波傳感技術(shù)的運(yùn)用使汽車行駛變得更加安全有效。

2.1 微波傳感器的運(yùn)用

圖1 微波檢測距離原理圖

微波傳感器的原理是利用微波特性來檢測一些物理量的器件。包括感應(yīng)物體的存在、運(yùn)動(dòng)速度、距離、角度等信息。

其主要由微波振蕩器和微波天線組成。微波振蕩器是產(chǎn)生微波的裝置。構(gòu)成微波振蕩器的器件有速調(diào)管、磁控管或某些固體元件。由發(fā)射天線發(fā)出的微波，遇到被測物體時(shí)將被吸收或反射，使功率發(fā)生變化。若利用接收天線接收通過被測物體或由被測物反射回來的微波，并將它轉(zhuǎn)換成電信號，再由測量電路處理，就達(dá)到了微波檢測物體的存在、運(yùn)動(dòng)速度、距離、角度的目的。

2.2 無人駕駛裝置的設(shè)計(jì)

圖2 無人駕駛汽車結(jié)構(gòu)示意圖

本設(shè)計(jì)更加智能化體現(xiàn)在對信息的搜集與處理上：如果遇到行人或可運(yùn)動(dòng)的障礙物時(shí)，若在安全許可距離內(nèi)，首先發(fā)出鳴笛指令，鳴笛系統(tǒng)發(fā)出鳴笛，作為提醒；如果距離太近，則汽車同時(shí)向鳴笛系統(tǒng)、電子油門系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)發(fā)出指令，鳴笛系統(tǒng)做鳴笛警告提醒的同時(shí)，電子油門系統(tǒng)減小油門，制動(dòng)系統(tǒng)降低車速，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作。

3 無人駕駛汽車道路行駛的階段

道路行駛是無人駕駛汽車最為重要的階段：路況檢測、信息的有效處理與安全指令的發(fā)出，哪個(gè)環(huán)節(jié)都可能會(huì)出現(xiàn)突發(fā)狀況，必須做好各種情況的設(shè)計(jì)。

3.1 道路檢測裝置的設(shè)計(jì)

該檢測裝置主要包括微波傳感器檢測系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)和聲音檢測系統(tǒng)。

上述的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)定位汽車的位置，并給出從出發(fā)地到目的地的最優(yōu)路徑。GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)位于車身的前方。上述的微波傳感器系統(tǒng)用于發(fā)出監(jiān)測信息，檢測車輛周圍的動(dòng)態(tài)和靜止汽車或障礙物的信息。微波傳感器系統(tǒng)設(shè)置于車身的前后方各一個(gè)。上述的聲音檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)分別接收其他車輛的鳴笛信息和微波傳感器反饋的信息。聲音檢測系統(tǒng)，微波數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)分別設(shè)置于車身的前后方各一個(gè)。各個(gè)檢測系統(tǒng)分別對定理位置、超車情況、其它車輛的行駛信息進(jìn)行搜集。

圖3 障礙檢測示意圖

3.2 處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是由相應(yīng)的電腦處理器進(jìn)行處理，該系統(tǒng)主要功能是把監(jiān)測到的信息進(jìn)行處理、判斷、優(yōu)化，經(jīng)過分析對比做出相應(yīng)的執(zhí)行指令。

3.3 執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

執(zhí)行系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)子系統(tǒng)：鳴笛系統(tǒng)、電子油門系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理后，執(zhí)行系統(tǒng)接收到響應(yīng)的執(zhí)行指令，執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行執(zhí)行。

（1）電子油門系統(tǒng)：當(dāng)汽車收到減速信號時(shí)電子油門系統(tǒng)由ECU（電控單元）—數(shù)據(jù)總線—伺服電動(dòng)機(jī)—節(jié)氣門執(zhí)行單元。

（2）制動(dòng)系統(tǒng)：當(dāng)汽車收到減速信號時(shí),鼓式制動(dòng)器盤式制動(dòng)器或工作—汽車減速。

（3）電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

當(dāng)汽車需要轉(zhuǎn)向時(shí)—傳感器ECU—旋轉(zhuǎn)方向—助力電流大小—電動(dòng)機(jī)—轉(zhuǎn)向軸。

傳感器把采集到的車速、轉(zhuǎn)角信息輸送給ECU，ECU決定電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和助力電流大小，把指令傳遞給電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)將輔助動(dòng)力施加到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，這樣實(shí)時(shí)調(diào)整的轉(zhuǎn)向助力便得以實(shí)現(xiàn)。

4 無人駕駛裝置的工作過程

第一，檢測階段。無人駕駛汽車程序啟動(dòng)后，首先是由GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)選擇最佳的形式路徑，以確保行駛路程相對短并且路況不是太復(fù)雜。在行駛的道路上，微波傳感器系統(tǒng)向四周發(fā)出探測信號，檢測車輛周圍汽車的行駛速度、距離、方向，角度信息和靜止障礙物的信息。由聲音檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)接收檢測到的路況信息，將信息反饋到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

第二，數(shù)據(jù)處理優(yōu)化階段。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)模塊可以根據(jù)接收到的分析出周圍汽車的行駛速度、距離、方向，角度信息，和其他車輛的欲超車信息等。把信息分析處理、判斷、優(yōu)化做出合理的指令。

第三，汽車執(zhí)行階段。根據(jù)處理器發(fā)出的指令，傳導(dǎo)到各個(gè)子系統(tǒng)執(zhí)行。如果有車輛想超車，汽車減速右行，如果有障礙車輛，發(fā)出鳴笛警告，進(jìn)行合理安全的躲避等。

對于各種情況汽車必須做出有效安全的應(yīng)答，如圖4所示。

圖4 無人駕駛裝置的工作過程

5 結(jié)論

無人駕駛汽車是未來汽車發(fā)展的方向，人類在不久的將來會(huì)用上智能型無人駕駛汽車。那是一種將探測、識別、判斷、決策、優(yōu)化、優(yōu)選、執(zhí)行、反饋、糾控功能融為一體，會(huì)學(xué)習(xí)、會(huì)總結(jié)、會(huì)提高技能，集微電腦、微電機(jī)、綠色環(huán)保動(dòng)力系統(tǒng)、新型結(jié)構(gòu)材料等頂尖科技成果為一體的智慧型汽車[3]?？刂茻o人駕駛的技術(shù)也在不斷創(chuàng)新與融合，而微波傳感技術(shù)可以檢測到運(yùn)動(dòng)障礙物的運(yùn)動(dòng)速度、距離、方向，角度信息，也可以探測到靜止障礙物，能夠更加清晰、有效地躲避不同狀態(tài)的障礙物。細(xì)化了無人駕駛中途的可操作性，對途中其他行駛中的車輛進(jìn)行有效的檢測、預(yù)測、避讓等，提高了安全系數(shù)。對復(fù)雜的實(shí)際路況情況進(jìn)行分析與應(yīng)對，做出更合理安全的避讓措施。并且微波傳感技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，還未運(yùn)用在汽車領(lǐng)域，本文是結(jié)合微波傳感技術(shù)可以檢測運(yùn)動(dòng)障礙物的運(yùn)動(dòng)速度、距離、方向，角度信息的優(yōu)勢，為無人駕駛提供了一種新思路。該產(chǎn)品處于概念設(shè)計(jì)階段，相信隨著技術(shù)的成熟該設(shè)計(jì)必將很快實(shí)現(xiàn)。

[1]柴野.無人駕駛汽車不再是傳說[N].光明日報(bào),2015年10月06日.

[2]陳國盛.微波技術(shù)論文[D].湖北師范大學(xué),2015年.

[3]喬維高,徐學(xué)進(jìn).無人駕駛汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及方向[N].上海汽車,2007年07月.