车辆环境感知通信及驾驶行为实验

车辆环境感知通信及驾驶行为实验课程名称：____车联网技术基础________学生姓名：__________于骁____________学生学号：______1120160811__________学生班级：______03111604__________指导教师：__________高利____________机械与车辆学院一、实验信息1.实验名称：车辆环境感知通信及驾驶行为实验2.课程名称：车联网技术基础3.实验时间：2019年11月21日上午4.实验地点：交通运输工程实验室二、实验目的学习物联网概念与发展现状、车联网发展背景和现状、车联网技术研究的必要性分析、人车路环境系统、车联网的基本框架、车联网服务和相关应用、车联网技术体系、我国车联网技术发展现状、交通流参数、车路协同技术、车载通信网络、车载无线通讯技术，综合运用所学知识，进行监控系统及光纤通信实验、车辆环境感知实验、驾驶行为实验。通过对车载信息及车辆运行环境室和驾驶行为实验全程监控场景实时监视、对车辆环境感知传感器认知及深度学习过程了解、道路及周围环境对驾驶员行为的影响测试分析，特别是不同交通环境下的驾驶行为特征、操纵行为特征、驾驶操作时间、脑电、肌电等，通过实验、测试、分析，以便巩固和综合所学知识并提高研究分析能力。三、实验设备系统1.监控系统及光纤通信实验车载远程监控系统实验部分利用多元网络传输的驾驶疲劳状态远程监控预警系统和车载信息及车辆运行环境系统（包括全顺JX6545-H客车1辆，投影及屏幕1套，支撑及转角盘1套，Vega视景软件系统1套，驾驶参数传感器1套）；监控系统1套（包括CCD摄像机3个，图像传输设备1套）；其他设备系统。依据行业标准附件1（汽车货运站（场）级别划分和建设要求（JT/T402-1999））进行物流园区选址及布局规划方法部分按附件2（惠民交通集疏运中心物流分中心基本情况和建设要求大纲（征求意见稿））的标准掌握确定物流园区选址及布局规划的方法，结合壁挂设计图讲解。多元网络传输的驾驶疲劳状态远程监控预警系统克服了现在车载监控预警技术的缺陷和不足，实现了远程监控预警策略的制定和宜人化预警手段、方法的采用。在车载疲劳预警系统的基础上，针对职业驾驶人，建立疲劳状态远程预警监控系统，对其进行了补偿。系统提供了基于双卡CDMA的移动视频监控系统，结合校园局域网络，通过四台网络解码器与视频服务器相接，实现Internent访问；在有线传输中，借助光纤传输，通过矩阵系统接入到TV、DLP、COMPUTER上，实现监控图像信息显示。系统提供了一种职业驾驶人视频图像采集设备，利用车载光线补偿设施，实现对职业驾驶人图像信息采集的补偿，保证采集的视频图像清晰。系统利用GPS接收模块，提供车载预警信息接收设备，实现远程预警，制定预警策略，采用宜人化已经手段和方法。系统由车载无线双卡CDMA移动视频监控系统设备、职业驾驶人视频采集设备、光纤传输设备和远程指挥监控预警中心四部分组成。车载无线双卡CDMA移动视频监控系统设备由硬件设备（双卡CDMA、一体化摄像机、车载显示器、一体化主机、天线和控制面板、车载GPS接收机）和车载软件构成。职业驾驶人视频采集设备实现对职业驾驶人的面部表情的采集。基于双卡CDMA的移动视频监控系统，结合校园局域网络，通过四台网络解码器与视频服务器相接，实现Internent访问；在有线传输中，借助光纤传输，通过矩阵系统接入到TV、DLP、COMPUTER上，实现监控图像信息显示远程监控预警中心的监控大屏上图像传输由光纤传输设备和网络视频编解码器完成。远程指挥监控预警中心有一台远程监控主机、监控管理软件、视频采集卡、监控指挥大屏幕等组成。系统布局合理，结构紧凑，安装、使用方便，易于维护。远程监控预警系统拓扑结构图如图1所示。图1远程监控预警系统拓扑结构控制键盘矩阵解码器解码器解码器解码器光端机光端机画面分割器COMPUTERDLPTV路由器局域网交换机InternetCDMA基站摄像头摄像头摄像头摄像头视频服务器监控客户端监控客户端监控客户端装有车载取证设备的指挥车同轴电缆光纤同轴电缆2.车辆环境感知实验1）双天线定位及惯性导航系统GPS是指利用GPS卫星，向全球各地全天候、实时性地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统。GPS主要由三大组成部分：空间部分、地面监控部分和用户设备部分。GPS系统具有高精度、全天候、用广泛等特点。GPS定位包括伪距单点定位、载波相位定位和实时差分定位。SIMPAK系列接收机是北京诺耕科技发展有限公司自行研制开发的一款性能价格比非常高的GPS接收机。在封装上，SIMPAK系列接收机选用铝合金的外壳，具有体积小、重量轻、安装、携带方便等特点，如图2所示。图2SIMPAK系列GNSS定位系统AHRS是指航姿参考系统，包括多个轴向传感器，能够为飞行器提供航向，横滚和侧翻信息，这类系统用来为飞行器提供准确可靠的姿态与航行信息。航姿参考系统包括基于MEMS的三轴陀螺仪，加速度计和磁强计。航姿参考系统与惯性测量单元IMU的区别在于，航姿参考系统（AHRS）包含了嵌入式的姿态数据解算单元与航向信息，惯性测量单元（IMU）仅仅提供传感器数据，并不具有提供准确可靠的姿态数据的功能。目前常用的航姿参考系统（AHRS）内部采用的多传感器数据融合进行的航姿解算单元为卡尔曼滤波器。AHRS由加速度计，磁场计，陀螺仪构成，AHRS的真正参考来自于地球的重力场和地球的磁场，换句话来说如果AHRS离开了地球这种有重力和磁场环境的时候是没法正常工作的，一般磁场和重力场越正交，则航姿测量效果越好，也就是说如果磁场和重力场平行了，比如在地磁南北极。这里的磁场是向下的，即和重量场方向相同了。这个时候航线交是没法测出的，这是航姿系统的缺陷所在，在高纬度的地方航线角误差会越来越大。（2）激光雷达系统激光雷达是通过发射激光束来探测目标位置的雷达系统，主要用于机器人环境识别、建筑物入侵保护（安防）、自动门/行为方式识别、自动导航车辆（AGV）障碍检测、无人飞行器避障和自主导航。测距时，激光雷达首先靠旋转的反射镜向目标物体发射激光，然后通过测量发射光和从物体表面反射光之间的时间差来确定与目标物体间的实际距离，这种方法也被称为脉冲检测法，在确定了距离之后就可以根据距离和激光发射的角度来推导出物体的实际位置。激光雷达一般有三个组成部分：第一部分是激光发射器，用来发射激光射线；第二部分是扫描与光学部件，用来收集反射点距离和水平角度；第三部分是感光部件，主要用来检测反射光的强度。因此激光雷达主要是通过收集一系列反射点的坐标和光强信息来对扫描面的景物信息做出判断。UTM-30LX为HOKUYO公司的2D激光扫描测距产品，如图3所示。图3UTM-30LX型单线激光雷达R-Fans-16激光雷达传感器是北科天绘公司的16线激光雷达，通过16线360°扫描实现三维探测成像，如图4所示。图4R-Fans-16型16线激光雷达（3）毫米波雷达系统毫米波雷达是一种成本较低、体积小、便于安装使用的传感器，相比于其他雷达传感器，其工作在30~300GHz频域的波段中，波长适中，穿透能力较强，在夜间与雨天均可以较为准确获取障碍物相对于毫米波雷达的距离和速度，能较好的满足在车载条件下前方车辆识别的要求。德尔福ESR毫米波雷达见图5。图5德尔福ESR毫米波雷达（4）视觉传感器及深度学习系统由于近些年机器视觉领域的蓬勃发展，视觉传感器已经成为了目标检测领域不可或缺的重要传感器。视觉传感器具有其他传感器无法比拟的信息量，单帧图像中的信息量是雷达传感器望尘莫及的。通过机器视觉等方法，视觉传感器能够识别出目标的种类信息，因此它在目标检测、车道线检测、交通标志标线识别等方面有着无法替代的重要作用。同时，视觉传感器的成本极为低廉，且成熟的技术，因此它已经被广泛地应用于智能汽车环境感知系统中。视觉传感器的缺点也很多，首先由于单帧信息量大，视觉检测的耗时也比较高，实时性较差。其次，视觉传感器很依赖可见光源，因此沙尘、雨雾天气会对其造成影响，而光线照射的改变则会对其造成重大影响。为了能够尽量节约成本，同时保证相机满足系统应达到的应用条件，实验选用海康威视DS-2CD3T25D-I3相机作为视觉目标检测的传感器，如图5所示。相比于传统的机器学习方法，深度学习适合处理大数据，因此深度学习十分地依赖于高端的硬件设施，因为计算量很大。深度学习中涉及很多的矩阵运算，因此很多深度学习都要求有GPU参与运算，因为GPU就是专门为矩阵运算而设计的；在机器学习方法中，几乎所有的特征都需要通过行业专家在确定，然后手工就特征进行编码，然而深度学习算法试图自己从数据中学习特征；在解决问题时，传统机器学习算法通常先把问题分成几块，一个个地解决好之后，再重新组合起来。但是深度学习则是一次性、端到端的解决。本实验所用训练计算机如图6所示，图6海康威视DS-2CD3T25D-I3相机相比于传统的机器学习方法，深度学习适合处理大数据，因此深度学习十分地依赖于高端的硬件设施，因为计算量很大。深度学习中涉及很多的矩阵运算，因此很多深度学习都要求有GPU参与运算，因为GPU就是专门为矩阵运算而设计的；在机器学习方法中，几乎所有的特征都需要通过行业专家在确定，然后手工就特征进行编码，然而深度学习算法试图自己从数据中学习特征；在解决问题时，传统机器学习算法通常先把问题分成几块，一个个地解决好之后，再重新组合起来。但是深度学习则是一次性、端到端的解决。本实验所用训练计算机如图7所示，图7深度学习训练计算机上图为车辆环境感知实验的仪器连接框图3.驾驶行为实验车载信息及车辆运行环境系统（包括全顺JX6545-H客车1辆，投影及屏幕1套，支撑及转角盘1套，Vega视景软件系统1套，驾驶参数传感器1套），如图8所示；监控系统1套（包括CCD摄像机3个，图像传输设备1套）；加拿大ThoughtTechnologyLtd.公司研究开发的BioGraphInfinit的BioPro5型多导生理反馈测量系统1套（包括ProcompInfiniti生物反馈仪测量仪，脑电、肌电等传感器，驾驶人的面部表情采集系统，Genovel型高级电脑1台，脑电测量电极1个，肌电测量电极1组，多参数生理测量专用打印机1台）；其他设备系统。图8车载信息及车辆运行环境系统实验平台实验平台硬件系统硬件部分包括全顺JX6545-H客车1辆，投影及屏幕1套，支撑及转角盘1套，VegaPrime视景驱动软件系统1套，驾驶参数传感器1套；监控系统1套（包括CCD摄像机1个，硬盘录像机1个，图像传输设备1套）（1）车辆及驾驶舱车辆及驾驶舱如图9所示。爱普生/EMP820(EPSON)大屏幕投影3m驾驶员血压、心电、脉搏率等生理心理指标量及车辆制动、方向角等驾驶操纵信号采集传感器系统惠普XW8000工作站VEGA三维软件声响系统（模拟汽车和交通噪声）驾驶员（配有相应的测量仪器）图9模拟驾驶三维实景仿真系统车辆及驾驶舱车辆及驾驶舱是以车载信息与驾驶环境实验室的江铃全顺牌轻型客车（JX6545-H）为主体建设。（2）驾驶员驾驶参数传感器驾驶员驾驶参数传感器主要有：车速传感器、转向盘转角传感器、车辆加速传感器、方向灯检测传感器、制动踏板传感器及加速踏板传感器等。车速传感器主要有磁电式、光电式、霍尔式三种类型，信号形式为磁电式交流信号、霍尔数字信号或光电式数字信号，接口形式有模拟量和数字量。转向盘转角传感器主要有绝对值转角和相对值转角传感器两种。前者采用电阻分压原理，信号为两路电压信号；后者有光电感应式转换成方波信号，电磁感应式转换成方波信号以及电阻感应式转换成方波信号或连续的模拟输出三种信号形式。车辆加速传感器主要有三轴和双轴两种加速传感器，接口形式为数字或模拟形式，基本线性参数有量程、抗冲击、温度范围、频率和灵敏度。方向灯检测传感器有电容式、霍尔式、磁电压和压电压几种类型，参数有输入电源、额定电源和相对温度，接口形式为开关量，信号形式为0-1。制动踏板传感器有制动踏板力和位移传感