第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品一等奖2

1中学组一等奖优秀作品无人驾驶车辆在实际应用中的可行性探讨...............................2新一代城市车辆定位和交通传感监控管理系统...........................6震级10.0..........................................................11无人机航测相机自动控制器..........................................162第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品（中学组）科技小论文无人驾驶车辆在实际应用中的可行性探讨作者：张加炘指导教师：李娱（大连市第八高级中学，大连沙河口116021）【摘要】无人驾驶，在科技日新月异的今天已经不是一个新鲜的事儿了。无人驾驶系统早已在世界很多城市的轨道交通中得到广泛的运用。如丹麦的哥本哈根、新加坡、德国的纽伦堡等已经投入使用运营，但这种无人驾驶系统还仅限于在城市的轨道交通中应用，如地铁、轻轨等有轨的交通工具，它与真正的无人驾驶汽车还有相当一段距离，要想实现汽车的无人驾驶，要比现在的轨道交通工具的无人驾驶系统复杂的多，因为真正的汽车的无人驾驶要考虑行车路线是不固定的，路面状况是不确定的，要有对突发事件的判断等等。在系统中要设计诸如：如果采集和分析即时的路面状况的模块，如何自动控制汽车的运行的模块等等。而开发无人驾驶汽车系统毫无疑问是有重大意义的，这不仅由于无人驾驶车辆系统在现代交通中可提供更舒适的出行方式、节省人工，高可靠性、减少事故等优点，还可使其应用于军事领域，掌握战争的主动权，减少人员伤亡。本系统由六大模块组成：一、路面信息的采集模块；二、全球定位系统；三、路面信息的存储模块；四、采集模块与存储模块信息的对比运算模块；五、驾驶指令模块；六、机械传动控制模块。【关键词】汽车无人驾驶（PilotlessAutodriving）、北斗卫星导航系统（BeiDou（COMPASS）NavigationSatelliteSystem）、路面信息采集(RoadSurfaceInformationSearching)1.路面信息采集模块这个模块的功用在于采集即时路面信息，也可称为环境感知，车辆行驶过程中，路面可能出现的各种障碍，如：红绿灯，各种行车线，行车标志，行人与动物，其它运行中的车辆，地面凹陷等等，这些路面即时信息需要即时通知车辆的对比运算模块，使车辆在高速运行中做出及时的判断，如汽车行驶过程中的急停，前进，后退，加速等行车方式做出判断。这种路面信息的采集必需及时、准确、快速，否则对于正在高速运行中的汽车来说，后果是不堪设想的，这其中尤其重要的是对交通标志的识别。交通标志可分为主标志和辅助标志二大类，这些标志3中每个标志代表着不同的含义和指令，车辆要准确判定这些意义和指令。交通标志的识别是计算机视觉中通用物体识别与检测的一个特殊情况，一方面可以借鉴计算机经典视觉识别的算法，另一方面又对实用性、准确性等提出了更高的要求。那么怎么解决即时信息的采集呢？我们设想可以用摄像机和激光雷达的方式进行采集，在汽车的各处安装多个摄像机，采集来自不同方向的路面即时信息，并且摄像机不是只限定固定方向，在主要部位与特殊部位的摄像头应该可以转动，另外如需应用于军事行动，如：侦察，汽车应安装远红外摄像头，利于夜间在黑暗中的行驶及信息采集。2.全球定位系统这个模块用于组合导航及全局路径规划。本系统利用北斗全球定位系统，由属于北斗的卫星网，向地球不断发射定位及时间信号，在地球上的任何一个北斗接收机，只要接收到其几颗卫星的信号，并经过计算处理后，就可以报出该接收机所在的准确地理位置（经度、纬度、高度）、时间和运动状态（速度、航向），北斗定位系统将提供准确的车辆行驶过程中的地理位置。3.路面信息存储模块该模块用于存储即时的路面信息。车辆行驶中，短时间内就会产生大量的路面信息，这些信息必须有停留的空间和时间，这就需要有一个相当容量的存储空间，用于存储尚在使用中的路面即时信息。在路面信息采集模块中，即时采集到的信息对于正在行驶中的车辆并不全部有用，其中有大量与车辆行驶无关的信息，但仍需要存储并经过判断、运算后，才能得出有关与无关的结论，并且有些即时信息不是即时无用，后续就不会有用的信息，这部分信息可能会在车辆行驶一段时间后仍然有用。如：由安装在车尾部的摄像机采集到的车辆后侧的路面状况，车辆在行驶中，某车离行驶中的车辆的距离，数秒后该车与行驶中车辆的距离，对于行驶中的无人驾驶车辆做出急停、加速、减速等判断都是十分重要的。所以路面信息的存储需要一个相当容量的存储空间，对于该空间信息的清除，可以通过定义时间和经过运算后判断某信息为无效、存储空间已满自动清除最初的信息的方式予以删除。4.采集模块与存储模块信息的对比运算模块通过路面即时信息采集到信息，加上全球定位系统提供的信息，进入信息存储模块，但这些信息并不能直接应用于车辆的行驶，还要进行一个数模信号的转换过程，将摄像机、激光雷达等信息采集工具提供的模拟信号转换为计算机系统能够识别的数字信号后，再经过对比运算模块的数据运算处理，才能对车辆的行驶发出正确的指令。运动规划与决策是智能无人驾驶车辆的核心模块，主要任务是充分利用环境感知模块获取的动态环境信息和导航模块提供的全球定位导航信息，进行实时局部运动规划，提供无人驾驶车辆的行驶的参考轨迹，同时根据即时路况与车辆的实际性能、状态，通过对比运算模块，给出无人驾驶车辆的行为决策结果与控制输入，指导车辆安全、可靠、实时地完成车辆自主驾驶的任务。4为了使无人驾驶车辆能有类人的驾驶表现，在运动规划与决策模块，即路面信息采集与存储模块信息的对比运算模块的设计过程中，需充分结合我们人类的认知、推理、决策等行为习惯、能力和表面方式，充分考虑人类在车辆驾驶过程中的注意力转移方式、决策方式、驾驶意图的体现等方面。并最终设计出简单、可行、完备和稳定的运动规划与决策系统。作为无人驾驶车辆行驶的核心模块，运动规划与决策模块总体上就包括三大系统。1、高层行为决策系统：它负责对民航信息和环境感知信息的高层理解，对获取的有所信息进行分类与整理，构成规则，进而得到不同的环境感知意图、导航意图以及行车模式。2、运动规划系统：在不同行车模式下，实现地理坐标下期望生成的运动轨迹。3、底层无人驾驶车控系统：根据车辆当前的实际运动位置与期望运动的位置，通过模糊推理的方式，实现对汽车方向盘、刹车、油门等行为的决策。行为决策系统主要包括无人驾驶车辆行为模式的状态与规划管理，主要实现对无人驾驶车辆行为模式的分类。同时通过信息的预处理，给出导航意图和环境感知意图，进一步指导导航模块的路径规划，提供环境感知模块的注意力方向。在车辆行驶过程中，有如下行为模式：点火、熄火、换挡、变速（刹车与油门）、转弯、其他（灯光、喇叭等），这些行为模式的选择都需由决策系统进行分类和规划。运动规划系统主要实现在既定的地理坐标下期望生成的运动轨迹，即行车路线的规划与选择，通过环境感知系统及导航定位系统提供的数据和信息，选择和规划最佳的行车路线。底层无人驾驶车控系统，要实现对汽车的机械传动的控制。5.驾驶指令模块经过对比运算模块处理后的数据形成指令，赋值给驾驶指令模块，并通过驾驶指令模块发出具体的指令给车辆的机械控制系统，以掌控车辆的运行。车辆的运行由行为决策系统通过对信息的预处理，给出了导航意图和环境感知意图，并进一步规划了导航模块的路径，并提供环境感知模块的注意力方向，有了这些原始动作，就可通过驾驶指令模块将这些指令形成具有单一属性的不可再分的最小动作单元。并将这些最小动作单元形成具体的指令给车辆的机械控制系统，完成诸如：点火、熄火、加油、刹车、倒车、转弯、提速等等具体的驾驶行为模式。6.机械传动控制模块一辆汽车，在行驶过程中有多种驾驶模式：点火、熄火、方向、刹车、车速控制、倒车等多种行车模式，对于行驶中的无人驾驶车辆来说，选择哪一种行为模式，不仅要得到驾驶指令模块的指令，还要通过机械传动控制模块的控制才能有效完成行为模式的选择。5无人驾驶车辆上的机械控制模块与现在许多运营中的自动控制系统原理是一样的，利用计算机的语言中的条件语句可以完成。虽然无人驾驶的人工智能型车辆相比于无人驾驶的轨道运行系统，其复杂程度不可同日而语，但通过一系列的研究和学习，得出结论，无人驾驶的车辆在实际应用中是具有可行性的，并且研制开发无人驾驶的智能型车辆是有重大的意义的，这不仅对于民用，更对于军事应用有着重大的意义。好莱坞巨星施瓦辛格曾经主演过一部电影《第六日》，在这部电影的开头，就表现了一辆无人驾驶的智能汽车通过声音指令，自动选择行车路线，送二个飞机驾驶员去机场上班的画面。说明在若干年前，我们就在设想着研制和开发无人驾驶的智能车辆，在未来，无人驾驶的智能车辆可否成为现实生活中的常态交通工具呢？经过研究，通过论文的论证，虽然其结构、系统的复杂程度难以想像，但科技发展到今天，许多系统已具备一定的规模，未来只要将这些已成规模的系统细化并联系起来，相信实现车辆的类人化无人驾驶指日可待。6第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品（中学组）科技项目建议书新一代城市车辆定位和交通传感监控管理系统作者：黄可聪指导教师：黄勇（北方交大附中高一（3）班，北京海淀100081）【项目内容摘要】提出如下的思路和方案：把北斗导航卫星的导航信息和新一代移动通讯技术相结合，利用北斗卫星的导航和授时广播信息，借助的4G或3G技术的高速宽带传输通道，构建和新一代城市车辆定位和城市交通传感监控管理系统。系统包括两部分：（1）车载交通导航管理机，其中整合了北斗导航技术、新一代移动通讯技术、语音技术。能够将车辆移动的位置信息通知给城市交通管理部门的专用传感站，接收通用或个性化的交通指挥疏导信息。（2）城市车辆定位信息传感站点群和交通监控管理部分。传感站点群由城市交通传感站、区域交通传感汇聚中心站、城市交通传感中心站组成。城市交通传感站在一个有限且有效的范围内呼叫经过车辆的车载交通导航管理机，接收车辆定位信息和识别车辆，并将信息汇集逐级发送给区域交通传感汇聚中心站、城市交通传感中心站，形成实时城市交通监测信息。城市交通管理部门可利用其进行城市交通监测管理、指挥和疏导。创新和特色在于提出了车载交通导航管理机和城市交通传感站及构建传感站群的方案。【关键词】交通传感站；车载交通导航管理机；城市交通管理；北斗导航1．北斗卫星导航系统概述北斗卫星导航系统是中国自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。根据建设目标，建成后北斗卫星导航系统系统具有独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠、覆盖全球等特点。建成后的北斗卫星导航系统将向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，包括开放服务和授权服务两种方式。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户，提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息[1]。目前，我国的北斗卫星导航系统已成功发射七颗北斗导航卫星。根据建设规划，2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。72．北斗导航数据数据的应用任务可以预见，随着北斗卫星导航系统的建设，在国内使用北斗卫星方便地获取北斗导航、授时信息以及获得相应的通讯服务将逐步得以实现，成熟的北斗卫星导航设备也将逐步投入实用。而推广北斗系统应用、提升北斗卫星数据的应用层次和应用水平，则是今后需要面对的重要任务。同时，在科学技术迅猛发展形势的下，各种新技术不断涌现。那些经过不断检验、完善，具有广泛的用户群体和广阔市场前景的具有生命力的技术，也将在今后发挥出重要的作用。3G、4G通讯技术就是这样的技术代表。3．新一代城市车辆定位和交通监控管理系统本项目计划建议书是把北斗卫星导航的导航信息和新一代移动通讯技术相结合，利用北斗卫星的导航和授时广播信息，借助4G、3G的高速宽带