基于电磁信号的智能车路经检测定位设计综述报告

基于电磁信号的智能车路经检测定位设计综述报告 组员刘雪扬，李奇，张鹏，杨从为，孙东旭 指导教师张文斌 1智能车辆及磁定位技术发展概况 智能车辆作为解决当前交通问题的一个重要发展方向，逐渐引起人们的重视。通过对智 能车的研究提高了大学生的动手能力、创新精神和团队精神，具有重大的现实意义。智能车 研究的综合性很强，是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感、电子、 电气、计算机和机械等多个学科交叉的科技创意性研究，这对进一步深化高等工程教育改革, 培养学生从事科学、技术研究能力和技术创新能力具有重要意义。 智能车研究涵盖了经典和最新的控制理论、模式识别、传感技术、电子工程、电气工程、 计算机、机械及车辆工程等多个学科，更由于它体积很小、质量轻，因此对生产实践具有重 大意义。其中，实现智能车的一个关键技术就是车辆的导航方式，也就是车辆路径识别方法。 现有的智能车导航方式有基于CCD图像导航、基于光电传感器导航和基于电磁信号导航几 种方式。磁导航方式因为基于不受道路条件和气候条件的影响，其实用性前景也最被看好。 基于磁信号导航的自动驾驶导航方式有两种利用磁带导航（将磁带贴在道路两旁），基于 磁道钉导航（将磁道钉埋置于国产中性线下）。 国外发达国家从20世纪70年代开始进行智能车辆研究，其中美国是世界上研究无人驾 驶车辆最早、水平最高的国家之一。2005年，美国研制的无人驾驶汽车就能穿越沙漠、通 过黑暗的隧道、越过泥泞的河床并需要在崎岖险峻的山道上行驶，还能绕过无数个障碍。日 本在2000年开发出无人驾驶公共汽车。这套公共汽车自动驾驶系统主要有道路诱导、车队 行驶、追尾防止和运行管理等方面组成。安装在车辆底盘前部的磁器传感器将根据埋设在道 路中间的永久性磁石进行导向，控制车辆行驶方向。智能车项目在欧洲的发展已经初具成效, 研制出的无人驾驶智能能汽车已能在错综复杂的城市公路系统中行驶，能够灵活换档、加速、 转弯、刹车甚至倒车。 目前，我国智能车的研究还处于初级阶段，整体研究工作和水平与美国欧洲相比还有一 定的差距。但是国内多次智能车竞赛的成功举行对我国智能车研发从实验室走向现场交流探 索阶段，推动和促进无人驾驶车辆验证平台的创新与发展具有重大意义。郑南宁院士说，“以 这种智能车未来挑战的比赛形式，给我们每个智能车研究团队创造了一个互相借鉴、学习交 流的平台，我们要利用比赛的平台，来提升我国智能车研究的整体能力和水平，并参与到国 际同行的共同竞技中去。”总的来看，限于我国的基础设施水平和经济实力，我国智能车辆 的研究与工业发达国家有一定的距离。在一定时间内大范围开发、实施智能车辆的应用还不 太现实。但无论是从学科发展、理论研究的角度，还是从发展汽车工业及相关产业，以及市 场竞争的角度看，超前研究都是必要的。通过对某一方面或某些方面进行深入、细致的研究, 将会为我国甚至世界在智能车辆研究上提供有力的理论和技术支持，相信未来的智能车辆必 将更加成熟。 智能车辆的自主驾驶和智能导航的研究已取得了许多进展，但仍存在些未解决的问题 和有待深入研究的工作。 ①系统的硬件平台无论在小型化、通用性还是在用户的可承受性方面，仍需要做进一步 的改进。 ②系统的鲁棒性和实时性有待进一步提高，在非良好或恶劣条件下系统的可靠性需要加 强和提高。开发新型传感器或按照一定融合策略构造传感器阵列以弥补单个传感器的缺陷, 以及研究新的融合方法完善探测结果,将有助于自主驾驶和导航系统的轻型化、通用化、用 户可承受性，因而传感器融合技术将是重要的研究方向。 视觉导航由于受到现有计算设备运算能力和存储容量的限制及图像处理技术的限制， 使系统的实时性较差，因此磁定位技术的研究就显得很重要。 智能车辆磁定位技术以磁信号为诱导控制车辆行走,其最大的优点是磁性材料具有良好 的环境适应性，不受天气等自然条件的影响，它对雨天、冰雪覆盖、光照不足甚至无光照的 情况都可适应。因此，对磁定位技术的研究不仅具有一定的学术意义，也同时具有重要的实 际意义。 磁定位技术根据诱导信号的产生方式不同分为信号电缆、磁带、道路磁钉及磁钉与磁带 混合定位4种。 1）信号电缆 1996年，美国在内华达州汽车测试中心WesTrach试验场上进行的无人卡车驾驶试验中， 采用的是在跑道两边埋设电缆并对电缆通100毫安电流产生磁场，在卡车上设置天线的方式 来完成车道保持功能，四辆三拖挂车队在以65Km/h进行了自动控制运行试验。 2）磁带 美国3M公司利用自己公司生产的磁带，在97和98年进行了几个磁带导航的演示，并 在自动扫雪车系统中得到了应用。作为信号发生源的磁带由50的硼铁材料混合丁腊橡胶 复合而成，平均厚度为1.0mm,宽度为102mm,磁带沿着道路轨迹埋设在路面下作为横向 位置导航系统的参考。由Honeywell公司制造的三维的磁力计被用来测量磁带的三个方向的 磁场大小，从而实现车辆的自动导航。 3）道路磁钉 道路磁钉方式是磁定位中最常用的，如1997年，在美国圣地亚哥市，10辆别克车在磁 钉传感器和高灵敏度的雷达装置的导航下进行了智能公路系统的试验展示。陶瓷材料的磁钉 （直径2.4cm,长10cm）和一些铉;制磁钉（直径2.5cm,长2.5cm）以1.2米的间隔埋设在 一条八英里长的路线上。三维的磁通门传感器安装在车辆的前后保险杠上，用来测量磁钉的 信号。 4）磁钉与磁带混合 目前，采用这种定位方式的例子还不多，主要是日本运用了磁钉和磁带联合定位，具体 方法是在跑道中央埋设磁钉，在车辆前保险杠上安装磁传感器来接收信号；在跑道两旁埋设 磁带，在车辆两侧安装相应的磁传感器接收信号，车载计算机根据3个传感器信息进行航向 控制。 2研究内容和预期目标 2.1针对现在的研究现状，我们项目研究的主要内容为 1）首先研究智能车背景和发展状况以及定位系统，并重点研究磁定位系统技术。 2）研究无人驾驶智能车平台，然后分析磁定位系统设计基本要求，并给出该系统的设 计方案。 3）主要分析磁道的磁场分布，讨论目前所用的主要磁定位算法及改进方式，并讲述磁 道编码技术。 4）主要进行磁定位系统的硬件及软件设计，包括选择合适的磁阻传感器，设计合理的 磁尺结构，完成相关电路和底层控制器及上位机软件等设计。 5 主要进行磁定位系统的仿真试验和实际环境试验，对整个系统的可行性等反面进行 验证。 6 对智能车磁定位系统的设计进行了简要的总结，并提出了今后需要进一步探索和改 进的方向。 2.2预期成果 设计出合理基于磁诱导信号的智能车道，以此来控制智能小车运行。设计并优化磁检测 装置，研究准确可靠的控制算法，进而设计出磁定位智能车原型。具体如下 1 在国内期刊发表磁定位控制方面论文1〜2篇。 2 争取申请一项专利。 3 按照项目要求对该项目进行鉴定。 参考文献 [1] 张营.智能车辆磁定位技术研究，上海交通大学学位论文，2008. 2. 5-8. [2] 王春发.智能车辆的发展现状及前景预测，科学论坛，123-124. [3] 王宏，何克忠，张皴.智能车辆的自主驾驶与辅助导航