无人控制智能小车系统的设计与实现文献综述

 2022-10-29 08:10
  1. 文献综述(或调研报告):

智能车辆是智能交通系统的重要构成部分,其研究的主要目的在于降低日趋严重的交通事 故发生率,提高现有道路交通的效率,在某种程度上缓解能源消耗和环境污染等问题[11]。智能车辆当中用到的技术,也可以用在智能小车的研发当中。智能车辆在美国等发达国家的开发和研制已经有了一定的时间,积累了较多的经验。1954年美国Barret Electronics公司研制成功第一台自动引导车辆系统,该车在固定路线上运行,能够完成货物的自动运输,标志着智能车辆的诞生[14]。2012年5月谷歌X实验室研发的无人车拿到了美国首个自动车辆许可证,谷歌说,这些车辆比有人驾驶的车更安全,因为它们能更迅速、更有效地作出反应。国内对智能车辆的研究开展的比较晚,虽然已经有了相当的经验,但是与国际智能车辆的研究还有一定的差距。西安交通大学人工智能与机器人研究所与吉林大学汽车动态模拟国家重 点实验室从2001年开始 ,展开了汽车辅助驾驶的合作研究 ,完成了道路偏离警告系统硬件框架设计、道路检测和识别算法、系统软件结构的设计工作 ,并在西安和长春两地的高速公路上进行了实验,取得较好的实验效果[14]。

智能车辆中涉及的关键技术主要有传感器技术和各种智能算法。这些技术在智能小车的系统的研发过程中也会涉及到。智能车辆避障和自主行驶的过程中,需要感知外部环境信息,这就需要通过各种传感器来采集数据,只有采集到的数据可靠,系统才能做出正确的决策。

智能车辆环境感知的主要手段有:雷达、摄像头、高精度的GPS。雷达是一种被动传感器,能够测量目标距离,速度,方位等,不需要复杂的设计与计算。摄像头则属于主动传感器,摄像头采集到的视频数据通过计算机视觉等方法,提取有用的信息(例如,提取出车道线,信号灯等信息)。摄像头成本较雷达便宜,能够获取更多的信息,但是对光照等环境因素比较敏感。智能化算法主要有:数据融合,视觉算法,滤波算法,控制决策算法等。数据融合是将多传感 器信息源的数据和信息加以联合、相关及组合,获得更为精确的位置估计。文[1]介绍了一种采用超声波传感器和红外传感器相结合来感知外界环境信息的方法。将传感器采集到的各种数据利用T-S模糊神经网络进行融合,取得了不错的避障效果。视觉算法主要是利用计算机视觉相关技术,提取出有用的信息,文章[7][8][15]都涉及到了利用计算机视觉方法控制小车避障/循迹的方法。主要思路是:从图像数据中提取路径信息和相对位置信息用于控制智能小车行进。智能车辆的发展面临的主要问题有硬件价格昂贵,激光雷达,毫米波雷达,摄像头等硬件价格较高,不利于推广。智能车辆的安全性目前也没能得到很好的保障,虽然相关产品已经可以在公路上自主行驶,但可能还不足以在复杂的环境下保障安全,面对突发状况时可能会出现问题。

增强现实技术(Augmented Reality,简称 AR),是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术,这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。增强现实是在虚拟现实的发展过程中应运而生的,它的诞生一方面是应运了时代的发展,另一方面是为了弥补虚拟现实完全脱离现实而独自呈现的不足。自1990年波音公司的研究员Thomas Caudell创造增强现实以来,越来越多的研究所、高校以及企业都开始对增强现实展开大量的研究,并取得了一定的科研成果。相对发达国家来说,我国的虚拟现实起步较晚,大概在20年代90年代初,这样增强现实相对也晚于别的国家。但是近年来,我国政府和科学界都给予高度重视,并制定了相应的科研进展计划,不断追赶先进技术。各大高校对增强现实技术也展开了研究并取得了一定进展。华中科技大学对基于增强现实的遥操作关键技术进行了研究,提出了一种基于视觉的增强现实跟踪注册方法和基于实时定标策略的虚实配准方法;浙江大学以基于定位标记的视频检测为基础,从增强现实环境中的阴影生成方法和光线检测算法入手,提出以场景管理为核心的增强现实软件框架ARSGF。

增强现实技术比较核心的技术的主要有:显示技术和注册技术。增强现实系统设计最基本的问题就是实现虚拟信息和现实世界的融合。显示技术是增强现实系统的基本技术之一。可以把增强现实的显示技术分为以下几类:头带显示器、显示投影式、手持式显示器和普通显示器[10]。注册跟踪技术是增强现实系统的核心技术,也是目前制约增强现实技术应用的技术问题之一。注册跟踪技术就是使虚拟场景与真实世界精确对齐的方法,实现虚实场景的完美结合。注册技术实现方式主要有:基于跟踪器的注册技术和基于视觉的注册技术。跟踪的主要目的是记录真实世界观察者的位置和方向,以保证虚拟空间和现实空间的连续性。而基于视觉的注册技术主要是通过分析摄像头采集的图像,识别标识物(实体标签)或自然特征(无标签),来获取摄像机和目标的相对位置和方向,从而使虚拟环境和现实环境相结合。

增强现实在近20年来取得了比较大的发展,在人工智能、CAD、图形仿真、虚拟通讯、遥感、娱乐、模拟训练等许多领域带来了革命性的变化。但目前增强现实还有很多技术方面的难题,如AR设备的便携性,功耗,显示技术不成熟等。而且目前的大多数系统都是运用于预知的环境中,而在非预知的环境中的增强现实系统比较少,实现起来比较困难。增强现实对实时性要求很高,虚拟环境必须实时的生成并准确的绘制到现实场景上,因此还需要不断提高注册算法的效率。

[1] 张咪咪 基于多传感器信息融合的智能小车避障 来源:计算机系统应用 (Computer Systems& Applications), 2012, 11: 94-97。

[2] 王海波 基于PWM调速的智能小车控制系统实现 来源:科技广场 (Science Mosaic), 2011, 11: 144-147。

[3] 赵龙 智能小车的设计 来源: 企业技术开发:中旬刊, 2012, 07: 7-8。

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