◆文/江蘇 譚婷

隨著生活水平的大幅度提升，汽車已經(jīng)成為最為常見的交通工具，再加上傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及計(jì)算機(jī)等技術(shù)發(fā)展水平的不斷提高，汽車領(lǐng)域逐步朝著信息化以及智能化方向發(fā)展，尤其是以環(huán)境感知技術(shù)為基礎(chǔ)的輔助駕駛技術(shù)已經(jīng)取得了一定的研究成果，所以具有高度智能化特征的無人駕駛汽車已經(jīng)成為汽車領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢(shì)。無人駕駛汽車可以利用車輛自帶的傳感器獲取道路、車輛位置和障礙物信息，并利用相關(guān)技術(shù)對(duì)汽車的轉(zhuǎn)向與速度進(jìn)行精準(zhǔn)控制，保證車輛行駛安全，該技術(shù)令道路交通系統(tǒng)從傳統(tǒng)的“人-車-路”系統(tǒng)變?yōu)椤败嚕贰毕到y(tǒng)，這樣不僅能夠提升駕駛智能化程度，還可以最大程度避免因交通事故而產(chǎn)生的生命財(cái)產(chǎn)損失。由于無人駕駛汽車路徑跟蹤導(dǎo)航是無人駕駛領(lǐng)域最為重要的研究課題，也是保證汽車安全行駛的必要條件，因此研究無人駕駛汽車路徑跟蹤導(dǎo)航具有重要的研究意義。為了提升無人駕駛汽車路徑跟蹤準(zhǔn)確率與用戶滿意度，降低導(dǎo)航路徑規(guī)劃所用時(shí)間，本文設(shè)計(jì)了一種新的基于線陣CCD的無人駕駛汽車路徑跟蹤導(dǎo)航系統(tǒng)。

一、無人駕駛汽車路徑跟蹤導(dǎo)航系統(tǒng)

1.硬件設(shè)計(jì)

(1)信息采集模塊設(shè)計(jì)

為提升數(shù)據(jù)采集效率與質(zhì)量，本文主要利用線陣CCD進(jìn)行信息采集模塊設(shè)計(jì)，選用的是東芝公司生產(chǎn)的TCD2252D線陣CCD，結(jié)合超聲波傳感器、電子羅盤、加速度傳感器、霍爾傳感器組完成信息采集模塊設(shè)計(jì)。由于CCD圖像傳感器是信息采集模塊最為重要的組成部分，因此需要對(duì)這種傳感器進(jìn)行重點(diǎn)研究。

信息采集模塊在功能上具有相對(duì)獨(dú)立性，為提升其可擴(kuò)展性以便后續(xù)對(duì)該模塊進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，所以本文引入EMP7064S L44-10進(jìn)行時(shí)序發(fā)生設(shè)計(jì)，其時(shí)序仿真圖如圖1所示。

圖1 時(shí)序仿真圖

為了保證信息采集模塊的信號(hào)具有穩(wěn)定性，因此需要保證該模塊具有非常高的采樣與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)效率，因此本文選擇CLK頻率為10MHz的采樣通道。具體如圖2所示。

圖2 信息采樣通道

(2)多源信息集成模塊設(shè)計(jì)

將安裝在無人駕駛汽車中的多個(gè)傳感器信息進(jìn)行集成處理，本文系統(tǒng)主要利用超聲波傳感器檢測(cè)無人駕駛汽車行駛路徑上的障礙物位置。本文所選擇的超聲波傳感器的縱向探測(cè)范圍是50～500cm，橫向探測(cè)范圍大于無人駕駛汽車的寬度，探測(cè)區(qū)域具體如圖3所示。

圖3 超聲波傳感器探測(cè)區(qū)域

在多個(gè)傳感器的支持下，本文所設(shè)計(jì)的多源信息集成模塊將STM32F107作為主控制器，通過混合型信息融合結(jié)構(gòu)進(jìn)行多個(gè)傳感器的信息集成。為提升多源信息集成模塊的數(shù)據(jù)處理效率，將CCD圖像傳感器采集到的圖像信息通過DM642處理后，在將處理好的圖像信息發(fā)送至主控制器，其他傳感器則通過I2C總線將信息發(fā)送至主控制器，信息集成模塊的具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 信息集成模塊結(jié)構(gòu)

(3)汽車路徑跟蹤模塊設(shè)計(jì)

汽車路徑跟蹤模塊主要由無線傳感網(wǎng)、基站、服務(wù)器、客戶端組成。根據(jù)汽車無線傳感網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)的不同將該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為車載節(jié)點(diǎn)與檢測(cè)節(jié)點(diǎn)。其中，車載節(jié)點(diǎn)主要安裝在無人駕駛汽車上，利用該節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)多方通信，該節(jié)點(diǎn)可以周期性地向外發(fā)送車輛信息，以便檢測(cè)節(jié)點(diǎn)對(duì)車輛位置信息進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)主要布置在公路兩側(cè)，因此通過檢測(cè)節(jié)點(diǎn)能夠構(gòu)成分布式檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，在檢測(cè)到車載節(jié)點(diǎn)發(fā)送至系統(tǒng)中的信息后，利用信息集成模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將處理好的信息轉(zhuǎn)發(fā)給基站，基站會(huì)將接受到的信息發(fā)送至系統(tǒng)。而服務(wù)器從系統(tǒng)中獲取無人駕駛汽車的基本行駛信息，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至系統(tǒng)的存儲(chǔ)器內(nèi)，以期為后續(xù)的查詢服務(wù)提供數(shù)據(jù)支持。而客戶端主要通過無線或是有線網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器建立連接，以便進(jìn)行無人駕駛車輛信息查詢以及車輛運(yùn)行軌跡跟蹤等。汽車路徑跟蹤模塊具體執(zhí)行過程如圖5所示。

圖5 汽車路徑跟蹤模塊

(4)汽車導(dǎo)航模塊設(shè)計(jì)

汽車導(dǎo)航模塊是無人駕駛汽車路徑跟蹤導(dǎo)航系統(tǒng)最為重要的模塊，因此需要對(duì)該模塊進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)，因此該模塊具體包括導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、GPS-OEM接收板、顯示器、觸摸屏、存儲(chǔ)器等。其具體組成如圖6所示。

圖6 汽車導(dǎo)航模塊組成

下面需要對(duì)汽車導(dǎo)航模塊的重要組成部分進(jìn)行重點(diǎn)介紹：

①GPS接收板：利用GPS接收板接受衛(wèi)星導(dǎo)航信息以及多源傳感器信息，利用MCS-51單片機(jī)對(duì)所接收到的信息進(jìn)行進(jìn)一步處理。當(dāng)系統(tǒng)判斷GPS接收板所接收到的信息為無效信息的情況下，此時(shí)需要將信息集成模塊輸出的信息作為導(dǎo)航信息，以提升汽車行駛路徑導(dǎo)航的有效性。

②導(dǎo)航計(jì)算機(jī)：本文主要選擇了PC/104型號(hào)的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，原因在于該設(shè)備具有能耗低、體積小以及抗干擾能力較強(qiáng)等多種優(yōu)勢(shì)，再加上其結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性，非常適用于汽車導(dǎo)航模塊[15]。

③GPS-OEM板：本文將復(fù)合12通道GPS接收機(jī)作為GPS-OEM板，原因在于該設(shè)備具有體積小、質(zhì)量低以及功耗低、操作簡(jiǎn)單等多種優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)多源信號(hào)的快速捕捉的同時(shí)降低系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)荷。

④存儲(chǔ)器：本文在進(jìn)行無人駕駛汽車路徑跟蹤導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，穩(wěn)定性是主要考慮的因素，因此在設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器過程中，本文利用多級(jí)緩存技術(shù)，即操作系統(tǒng)和導(dǎo)航軟件存于硬盤，硬盤上設(shè)置CD-ROM緩存區(qū)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分區(qū)存儲(chǔ)，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

⑤人機(jī)接口主要由顯示器與觸摸屏組成，由于在無人駕駛汽車路徑跟蹤導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，其性能要求為高清晰以及多源信息顯示，所以本文主要將TFT-LCD顯示器作為輸出設(shè)備。為了提升操作的智能性，需要將觸摸屏作為輸入設(shè)備，以便相關(guān)人員對(duì)無人駕駛車輛輸入控制指令，提升系統(tǒng)的工作效率。

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行無人駕駛汽車路徑跟蹤導(dǎo)航系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。將透鏡放大倍數(shù)設(shè)為，則被測(cè)物體的尺寸設(shè)為，CCD圖像尺寸為，被測(cè)物體陰影像的兩個(gè)邊界所對(duì)應(yīng)的基數(shù)脈沖值分別用與表示，表示脈沖當(dāng)量，存在以下關(guān)系式：

由上式可知，的值越小或的值越大，線陣CCD圖像傳感器的測(cè)量精度越高。

在實(shí)際中會(huì)存在被測(cè)物體與線陣CCD圖像傳感器像敏元素排列方向不一致的問題，此時(shí)會(huì)存在一個(gè)夾角。假設(shè)、、、分別表示R、B線上被測(cè)物體陰影像左右兩個(gè)邊沿所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)脈沖值，所以路徑橫截面均值的具體計(jì)算公式如下：

則在水平方向上，R行的與B行夾角可以用下述公式計(jì)算得出：

則無人駕駛車輛與行駛方向的夾角可以用下述公式計(jì)算得出：

則無人駕駛車輛行駛路徑寬度的計(jì)算公式如下：

本文主要是將定時(shí)器作為多源傳感信號(hào)捕捉的時(shí)基，此時(shí)定時(shí)器的計(jì)數(shù)值分別用、、表示，則行駛軌跡線中心的計(jì)數(shù)值可以用下述公式計(jì)算得出：

在實(shí)際中，一幀圖像信號(hào)的中心則表示線陣CDD芯片的中心，則該中心對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值可以用下述公式表示：

上述公式中，表示線陣CCD圖像幀數(shù)。當(dāng)?shù)那闆r下，此時(shí)說明CCD中心偏右；當(dāng)?shù)那闆r下，此時(shí)說明CCD中心偏左。因此在無人駕駛汽車路徑跟蹤導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需要根據(jù)該原理對(duì)汽車的行使偏差進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，使無人駕駛汽車車身始終與路邊界保持平行，且可以一直在道路中間行駛，實(shí)現(xiàn)無人駕駛汽車路徑跟蹤導(dǎo)航。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.實(shí)驗(yàn)方案

為了檢驗(yàn)基于線陣CCD的無人駕駛汽車路徑跟蹤導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，需要進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加真實(shí)可行，此次實(shí)驗(yàn)需要在統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行。其中，實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置如表1所示。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境的支持下，將某一大型無人駕駛汽車生產(chǎn)企業(yè)后臺(tái)數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，保證這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以順利輸入仿真實(shí)驗(yàn)軟件。

將目前市場(chǎng)上所設(shè)計(jì)的基于FPGA的汽車路徑跟蹤導(dǎo)航系統(tǒng)、基于Android的汽車路徑跟蹤導(dǎo)航系統(tǒng)以及本文所設(shè)計(jì)的基于線陣CCD的無人駕駛汽車路徑跟蹤導(dǎo)航系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以檢驗(yàn)不同系統(tǒng)的應(yīng)用性能。通過比較不同系統(tǒng)的跟蹤準(zhǔn)確率、導(dǎo)航路徑規(guī)劃用時(shí)以及用戶滿意度作為實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，以檢驗(yàn)不同系統(tǒng)的應(yīng)用性能。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用效果，需要檢驗(yàn)不同系統(tǒng)的無人駕駛汽車路徑跟蹤準(zhǔn)確率，比較結(jié)果如表2所示。

由表2中的數(shù)據(jù)可知，基于FPGA的汽車路徑跟蹤導(dǎo)航系統(tǒng)的無人駕駛汽車路徑跟蹤準(zhǔn)確率最大值為79.7%，基于Android的汽車路徑跟蹤導(dǎo)航系統(tǒng)的無人駕駛汽車路徑跟蹤準(zhǔn)確率最大值為78.2%，本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的無人駕駛汽車路徑跟蹤準(zhǔn)確率最大值為98.7%，是三種系統(tǒng)中跟蹤準(zhǔn)確率最高的，說明這種系統(tǒng)的跟蹤準(zhǔn)確率更高，無人駕駛汽車路徑跟蹤結(jié)果更為精準(zhǔn)。

表2 比較跟蹤準(zhǔn)確率(單位：%)

以上述實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，為進(jìn)一步比較不同系統(tǒng)的應(yīng)用性能，進(jìn)行導(dǎo)航路徑規(guī)劃用時(shí)比較，結(jié)果如表3所示。

表3 導(dǎo)航路徑規(guī)劃用時(shí)(單位：s)

由表3中的數(shù)據(jù)可知，在100次實(shí)驗(yàn)中基于FPGA的汽車路徑跟蹤導(dǎo)航系統(tǒng)的無人駕駛汽車導(dǎo)航路徑規(guī)劃用時(shí)平均值為2.71s，基于Android的汽車路徑跟蹤導(dǎo)航系統(tǒng)的無人駕駛汽車導(dǎo)航路徑規(guī)劃用時(shí)平均值為4.05s，本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的無人駕駛汽車導(dǎo)航路徑規(guī)劃用時(shí)平均值為0.35s，是三種系統(tǒng)中導(dǎo)航路徑規(guī)劃用時(shí)最短的，說明該方法規(guī)劃出無人駕駛汽車行駛路徑的所用時(shí)間更短，效率更高。

令用戶對(duì)三種無人駕駛汽車路徑跟蹤導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)分，滿分為100分，將參與評(píng)分的用戶分為10組，將每組平均分作為該組的最終評(píng)價(jià)結(jié)果，具體比較結(jié)果如圖7所示。

圖7 用戶滿意度比較結(jié)果

綜合分析圖7中的數(shù)據(jù)可知，基于FPGA的汽車路徑跟蹤導(dǎo)航系統(tǒng)的用戶滿意度評(píng)分在74～83之間，基于Android的汽車路徑跟蹤導(dǎo)航系統(tǒng)的用戶滿意度評(píng)分在80～88之間，本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的用戶滿意度評(píng)分始終保持在97以上，說明這種系統(tǒng)的用戶滿意度更高，實(shí)際應(yīng)用效果更好。

三、結(jié)論

到目前為止，信息技術(shù)已經(jīng)在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了廣泛應(yīng)用，尤其是隨著互聯(lián)網(wǎng)以及人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，促使汽車領(lǐng)域不斷朝著智能化方向發(fā)展，因此無人駕駛汽車的誕生已是大勢(shì)所趨。無人駕駛汽車不但可以提升交通運(yùn)行效率，保證行車安全，還可以完成一些人們做不到的任務(wù)，因此無人駕駛汽車路徑跟蹤導(dǎo)航已經(jīng)成為該領(lǐng)域的重點(diǎn)研究課題，所以本文設(shè)計(jì)了一種基于線陣CCD的無人駕駛汽車路徑跟蹤導(dǎo)航系統(tǒng)，主要通過對(duì)系統(tǒng)軟硬件的分別設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)跟蹤導(dǎo)航系統(tǒng)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的無人駕駛汽車路徑跟蹤結(jié)果更為精準(zhǔn)、汽車行駛路徑規(guī)劃時(shí)間更短以及用戶滿意度更高，可以更好地保證汽車自主穩(wěn)定行駛，對(duì)于現(xiàn)代交通領(lǐng)域具有重要的研究意義。