智能小车研究综述

第３０卷第４期２０１７年１０月镇江高专学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＺｈｅｎｊｉａｎｇＣｏｌｌｅｇｅＶｏｌ．３０　Ｎｏ．４Ｏｃｔ．，２０１７智能小车研究综述陈　江（镇江高等专科学校现代教育技术中心，江苏镇江　２１２０２８）摘　要：智能小车是一个具有多种功能的综合性系统，其功能主要包括感知周围环境，对驾驶不同等级的辅助、规划并决策，它作为智能交通中的重要部分，有着很广泛的应用前景和领域。阐述智能小车的研究背景与研究意义，并详细论述国内外智能小车的研究现状。关键词：智能小车；研究综述；智能移动机器人中图分类号：Ｕ４６　　　　　　　　文献标志码：Ｃ　　　　　　　文章编号：１００８－８１４８（２０１７）０４－００５８－０３　收稿日期：２０１７－０６－０９作者简介：陈　江（１９６２—），男，江苏镇江人，高级工程师，主要从事教育技术研究。　　智能小车是能够感知周围地理环境，并通过内在已有的程序对周围环境做出反应的一种智能移动机器人。智能小车作为高科技集成体，不但融会了软件、传感器、电子、计算机硬件、机械、人工智能等学科的知识，而且触及很多科学前沿领域的相关技术。智能小车在科研、民用、军用方面大量应用，同时为道路交通安全提供了新的思路。１　研究背景　　智能机器人技术的快速发展是科学技术发展的必然结果，电子技术、制造技术、计算机技术等相关应用技术为它提供了技术保证［１］，同时，它对社会经济发展有独特的影响力。智能机器人的发展归功于第二次世界大战后各国对经济的投入，而智能机器人的研究成果又明显提高了自己国家的经济发展水平。例如日本，战败后开始汽车工业，受国力的限制，迫切需要一种机器人来进行大规模的生产，提高生产效率，从而降低人们的劳动强度，这也是人类文明进步的一种表现。智能机器人可以替代人们进行有危险性和笨重的体力劳动，达到人们对不可预知的世界探索与建造的目的，在科技发展过程中不可或缺。２　研究目的和意义　　经济复苏以来，随着计算机、微电子技术的快速发展，智能小车顺应市场需求而生。它不但可以按先前设定好的形式在一种环境里自动运作，而且不需要人用主观意念控制管理，还可以用于科学实验。智能小车是多种高新技术的集成体，不但融会了软件、传感器、电子、计算机硬件、机械、人工智能等学科知识，而且触及当下很多科学前沿领域的相关技术，具有较高的市场价值和重要的现实意义［２］。智能小车，也可以看作轮式机器人（ＷｈｅｅｌｅｄＲｏｂｏｔｓ），用途广泛，特别是人类难以正常运转的极端环境，如无人生产线、堆栈、服务机器人、航空航天等领域。前端控制部分在ＴＸ１平台上完成对小车的运动控制。智能小车的前端控制部分主要负责信号的处理和控制信号的输出，控制智能小车上电机的运转方向与速度，同时接收上位机设备的控制命令，控制小车运动。智能小车是利用通信、信息传输、导航、遥感、人工智能、自动控制等高端技术实现对周围环境的感知、规划和智能驱动的高新技术综合体，在科研、民用和军用方面大量应用，也为处理道路交通安全提供了新的思路。它涉及电子、机械学、光学、力学等方面的知识，在国家或地方大学生电子设计竞赛中经常会出现智能小车集光、机、电于一体的课题研究。简单的智能小车，在各种传感器相互协同下，利用已经开发好的系统可以实现自行行走，如前进、后退、左转、右转、加速、减速、避障等。·８５·３　研究现状３．１　国外研究现状国外智能车辆研究始于２０世纪５０年代，其发展过程大概可分为３个阶段。智能车辆研究的初始阶段大约是２０世纪５０年代。世界上第一个自动导引车系统ＡＧＶＳ是由美国巴雷特电子公司在１９５４年研发的。该系统只是一个基于拖车的货运平台，运行在实线，但它具有最基本的功能———无人驾驶。早期开发ＡＧＶＳ的目的是为了提高仓储和运输的自动化水平，但其适用范围仅限于货物运输的仓库。随着计算机应用和传感器技术的发展，智能车辆的研究快速发展。第二阶段从２０世纪８０年代末开始。世界主要发达国家对智能汽车进行了行之有效的研究。１９８６年欧洲的普罗米修斯计划开始在这一领域探究。在亚洲，１９９６年成立巡航／辅助驾驶学院，旨在研究车辆自动导航的方法，促进智能汽车技术在日本的全面进步。在美洲，美国于１９９５年成立了国家公路系统（ＮＡＨＳＣ），其目标之一是研究智能汽车发展的可能性，促进智能车辆技术的发展。第三阶段始于２０世纪９０年代。智能车辆进入大规模系统研究阶段。其中最引人注目的是卡内基梅隆大学的机器人研究所完成ｎａｖｌａｂ１ｎａｖｌａｂ１０Ｎａｖｌａｂ系列研究并取得了显著成效［３］。第一台自主智能小车是ＮｉｌｓＮｉｓｓｅｎ，ＣｈａｒｌｅｎＲｏｓｅｎ等人用了很长时间研制而成的，这台智能小车被命名为ｓｈａｋｅｙ。２０世纪初，美国ＤＡＲＰＡ部门设立了地面无人作战项目，拉开了世界范围内智能小车研究的序幕。２０世纪５０年代，世界首个自主导引车的智能系统ＡＧＶＳ由美国ＢａｒｒｒｔｔＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ开发和研究。ＡＧＶＳ通常装备有自动引导装置，能够按照预先设定好的路线行驶，通过电脑控制器判断行进路线［４］。它产生的原因只是为了提高仓库运输的效率。计算机应用和传感技术的飞快发展使得智能车辆的技术有了新的发展。计算机技术、传感器技术、信息技术等迅猛发展，智能小车作为各学科领域的交点不断涌现新的研究成果，在控制理论、执行功能上有了突破。美国俄亥俄州立大学开发了车身包含很多传感器的智能车辆，小车在前进过程中可以根据传感器返回的数据调整车身，其中传感器有激光传感器、陀螺仪、雷达系统等，实现了车辆和信息的融合。奔驰汽车有限公司和德国慕尼黑联邦国防大学合作完成ＶＡＭＯＲＳ系统。车辆最大的亮点是可以通过计算机控制车辆的前进、后退、停止等。车辆的探测系统包括视觉传感器和测速传感器。车身用的是奔驰５００型轿车车身，车子运行时，车身上搭载的系统和传感器会一直传输数据给计算机，从而发出不同的指示。日本大阪大学研究的车身同样包含很多传感器，主要用来获取车辆的坐标、移动距离等参数，计算智能小车下一时间的准确位置。这些数据是由加速度计、数字罗盘、陀螺仪等传感器获取的。荷兰鹿特丹港口研究的ＡＧＶＳ开始是为了提高货物的运输效率，但随着时间的流逝，研究上升到智能小车在预先设计的轨道上行驶，通过避障传感器完成远距离的无人运输任务。意大利ＭＯＢＬＡＢ研究的智能小车配备多台彩色摄像机。小车运动时通过摄像机采集外部信息，并发送给计算机，检测系统运行的轨迹，计算机对收到的信息进行分析。卡内基机器人研究所用的是Ｐｏｎｔｉａｃ跑车，控制系统选择了ＮＡＶＬＡＢ的系统，车上装配了视觉传感器和ＧＰＳ系统来感知外部，并将得到的数据交给计算机处理，它可以在复杂的环境中找到无碰撞路线［５］。谷歌团队希望通过无人车技术可以缓解交通意外和环境污染。无人车可以通过激光传感器确定外部障碍和距离，通过ＧＰＳ数据获取无人车的位置，计算机得到数据后快速处理并以相对应的运动形式返还给无人车。３．２　国内研究现状随着经济的快速发展，国内市场的不断扩充，相关需求不断提高，我国在这方面的科研有新的进展，有基于ＴＸ１智能小车研究、关于ＲＯＳ机器人程序设计的研究等［６］。在时代潮流下，很多高等院校积极开展该项目的研究。尽管我们的技术水平不能与发达国家相媲美，但发展潜力很大。我国无人机的研究取得突破是在近２０年间，得益于国家政策。机器人领域受到重视，国内很快就形成了千人级别的科研团队和一些高水平的科研基地。在国家“８６３”计划期间，我国的智能小车技术取得了令人瞩目的成就。１）２００３年，国防科技大学和中国第一汽车集团公司成功研制自主驾驶的智能车。虽然与国外的智能车存在差距，但是总体水平很高。它可以在正常的交通情况下完成必要的加速和减速，还能实现·９５·超车功能，为以后的自主驾驶奠定了基础。２）航空事业迅速发展，智能车在航空领域的作用越来越明显。“中华牌”月球车代表中国智能机器人的最高水平，在２０１３年乘坐“嫦娥三号”执行探月任务，效果很好。月球车可以完成导航、路线选择、数据传输等工作，其研制任务交由航天科技集团第五研究院完成。３）南京理工大学与清华大学等合作研究的智能车在军事领域上有了突破。由车身上的陀螺惯导定位、激光雷达等传感器，结合内部的多台ＰＣ机与单片机来感知与判断外部环境，以完成车辆的定位与自动驾驶。４）清华大学研究的智能小车所用的系统ＴＨＭＲ得益于国家“８６３”计划最终开发成功。这个系统外部集成了超声波、ＧＰＳ等传感器，内部由１台ＳｕｎＳｐａｒｋ，２台ＰＣ４８６和多台８０９８单片机组成计算机系统，整个系统采用传统的“感知－建模－规划－执行”算法对小车进行路径规划和导航控制。５）吉林大学自主研制的ＪＬＵＩＶ智能车系统是在国家自然科学基金的资助下开发完成的，系统的主要功能包括感知周围的环境、识别小车的行走路径、处理采集的图像等。在实际操作过程中有很好的环境适应能力。６）智能交通ＩＴＳ系统。ＩＴＳ系统的诞生原因很多，如人口不断增加，交通压力越来越大，随之产生的交通安全、交通负荷问题急需解决。该系统是调剂和控制高速公路上的汽车，从而使交通达到一个很好的运行状态。在２００４年ＩＴＳ大会首次展览中获得成功。目前我国已有一支高水平的ＩＴＳ技术研发团队。智能小车在未来的生活中扮演着重要的角色，其理论和使用技术的研究意义重大。４　智能小车发展预测　　智能小车可以按照预先设定的模式在一个环境里自动运作，不需要人为管理，可用于科学勘探等。智能小车能够实时显示时间、速度、里程，具有自动寻迹、寻光、避障功能，可程控行驶速度，准确定位停车，远程传输图像。美国电气和电子工程师协会（ＩＥＥＥ）预测［７］，２１世纪中叶前，智能汽车将占据全球汽车保有量的７５％，交通规则、基础设施将随之发生剧变，智能汽车可能颠覆当前的汽车交通运输产业运作模式。汽车行业著名咨询机构ＩＨＳ发布预测报告称，“通过电脑系统实现无人驾驶的智能汽车”的发展速度正在赶超纯电动汽车，２０２５年左右将走进寻常百姓家，２０３５年无人驾驶的智能汽车的销量将达到１１８０万辆，占同期全球汽车市场总销量的９％。以往在科幻大片中才能见到的无人驾驶汽车离我们的现实生活越来越近。参考文献：［１］卞秀辉．基于ＷｉＦｉ的智能移动机器人控制系统设计［Ｊ］．工业控制计算机，２０１６（４）：１５２－１５３．［２］丛?．基于神经网络的智能小车视频监控系统设计［Ｄ］．武汉：华中科技大学，２００９：１－１７．［３］周奇峰，佘明辉．计算机控制智能小车的软件设计［Ｊ］．电子技术，２０１４（６）：８６－８９．［４］沈维佳．多传感器小车的控制系统设计与研究［Ｄ］．南京：南京理工大学，２０１５：１－７，５５－５６．［５］张磊．智能小车控制系统的设计［Ｄ］．长春：吉林大学，２０１６：１－７．［６］朱丹峰，葛主冉，林晓雷．基于Ａｎｄｒｏｉｄ平台的无线遥控智能小车［Ｊ］．电子器件，２０１３（３）：４０８－４１２．［７］２１世纪经济报道．智能汽车的八个预测，新商业模式层出不穷［ＥＢ／ＯＬ］．（２０１３－０３－０２）［２０１７－０５－２５］．ｈｔｔｐ：／／ａｕｔｏ．ｑｑ．ｃｏｍ／ａ／２０１３０２２３／００００１８．ｈｔｍ．〔责任编辑：卢　蕊〕ＲｅｓｅａｒｃｈｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃａｒＣＨＥＮＪｉａｎｇ（ＭｏｄｅｒｎＥｄｕｃａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｅｎｔｅｒ，ＺｈｅｎｊｉａｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ２１２０２８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃａｒｉｓａｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈａｖａｒｉｅｔｙｏｆｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｅｔｈｅｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｕｒｒｏｕｒｄｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ａｉｄｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｒｉｖｉｎｇｌｅｖｅｌｓ，ｐｌａｎｎｉｎｇａｎｄｄｅｃｉｓｉｏｎｍａｋｉｎｇ．Ａｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒｔｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ，ｉｔｈａｓａｖｅｒｙｗｉｄｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔａｎｄｆｉｅｌｄ．Ｔ