陳 江

(鎮(zhèn)江高等專科學(xué)校 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212028)

智能小車研究綜述

陳 江

(鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212028)

智能小車是一個(gè)具有多種功能的綜合性系統(tǒng)，其功能主要包括感知周圍環(huán)境，對(duì)駕駛不同等級(jí)的輔助、規(guī)劃并決策，它作為智能交通中的重要部分，有著很廣泛的應(yīng)用前景和領(lǐng)域。闡述智能小車的研究背景與研究意義，并詳細(xì)論述國內(nèi)外智能小車的研究現(xiàn)狀。

智能小車；研究綜述； 智能移動(dòng)機(jī)器人

智能小車是能夠感知周圍地理環(huán)境，并通過內(nèi)在已有的程序?qū)χ車h(huán)境做出反應(yīng)的一種智能移動(dòng)機(jī)器人。智能小車作為高科技集成體，不但融會(huì)了軟件、傳感器、電子、計(jì)算機(jī)硬件、機(jī)械、人工智能等學(xué)科的知識(shí)，而且觸及很多科學(xué)前沿領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)。智能小車在科研、民用、軍用方面大量應(yīng)用，同時(shí)為道路交通安全提供了新的思路。

1 研究背景

智能機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，電子技術(shù)、制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等相關(guān)應(yīng)用技術(shù)為它提供了技術(shù)保證[1]，同時(shí)，它對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有獨(dú)特的影響力。智能機(jī)器人的發(fā)展歸功于第二次世界大戰(zhàn)后各國對(duì)經(jīng)濟(jì)的投入，而智能機(jī)器人的研究成果又明顯提高了自己國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。例如日本，戰(zhàn)敗后開始汽車工業(yè)，受國力的限制，迫切需要一種機(jī)器人來進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，從而降低人們的勞動(dòng)強(qiáng)度，這也是人類文明進(jìn)步的一種表現(xiàn)。智能機(jī)器人可以替代人們進(jìn)行有危險(xiǎn)性和笨重的體力勞動(dòng)，達(dá)到人們對(duì)不可預(yù)知的世界探索與建造的目的，在科技發(fā)展過程中不可或缺。

2 研究目的和意義

經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇以來，隨著計(jì)算機(jī)、微電子技術(shù)的快速發(fā)展，智能小車順應(yīng)市場需求而生。它不但可以按先前設(shè)定好的形式在一種環(huán)境里自動(dòng)運(yùn)作，而且不需要人用主觀意念控制管理，還可以用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)。智能小車是多種高新技術(shù)的集成體，不但融會(huì)了軟件、傳感器、電子、計(jì)算機(jī)硬件、機(jī)械、人工智能等學(xué)科知識(shí)，而且觸及當(dāng)下很多科學(xué)前沿領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)，具有較高的市場價(jià)值和重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

智能小車，也可以看作輪式機(jī)器人(Wheeled Robots)，用途廣泛，特別是人類難以正常運(yùn)轉(zhuǎn)的極端環(huán)境，如無人生產(chǎn)線、堆棧、服務(wù)機(jī)器人、航空航天等領(lǐng)域。前端控制部分在TX1平臺(tái)上完成對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)控制。智能小車的前端控制部分主要負(fù)責(zé)信號(hào)的處理和控制信號(hào)的輸出，控制智能小車上電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向與速度，同時(shí)接收上位機(jī)設(shè)備的控制命令，控制小車運(yùn)動(dòng)。

智能小車是利用通信、信息傳輸、導(dǎo)航、遙感、人工智能、自動(dòng)控制等高端技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的感知、規(guī)劃和智能驅(qū)動(dòng)的高新技術(shù)綜合體，在科研、民用和軍用方面大量應(yīng)用，也為處理道路交通安全提供了新的思路。它涉及電子、機(jī)械學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等方面的知識(shí)，在國家或地方大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)智能小車集光、機(jī)、電于一體的課題研究。簡單的智能小車，在各種傳感器相互協(xié)同下，利用已經(jīng)開發(fā)好的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自行行走，如前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、加速、減速、避障等。

3 研究現(xiàn)狀

3.1國外研究現(xiàn)狀

國外智能車輛研究始于20世紀(jì) 50年代，其發(fā)展過程大概可分為3個(gè)階段。

智能車輛研究的初始階段大約是20世紀(jì)50年代。世界上第一個(gè)自動(dòng)導(dǎo)引車系統(tǒng)AGVS是由美國巴雷特電子公司在1954年研發(fā)的。該系統(tǒng)只是一個(gè)基于拖車的貨運(yùn)平臺(tái)，運(yùn)行在實(shí)線，但它具有最基本的功能——無人駕駛。早期開發(fā)AGVS的目的是為了提高倉儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化水平，但其適用范圍僅限于貨物運(yùn)輸?shù)膫}庫。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用和傳感器技術(shù)的發(fā)展，智能車輛的研究快速發(fā)展。

第二階段從20世紀(jì)80年代末開始。世界主要發(fā)達(dá)國家對(duì)智能汽車進(jìn)行了行之有效的研究。1986年歐洲的普羅米修斯計(jì)劃開始在這一領(lǐng)域探究。在亞洲，1996年成立巡航/輔助駕駛學(xué)院，旨在研究車輛自動(dòng)導(dǎo)航的方法，促進(jìn)智能汽車技術(shù)在日本的全面進(jìn)步。在美洲，美國于1995年成立了國家公路系統(tǒng)(NAHSC)，其目標(biāo)之一是研究智能汽車發(fā)展的可能性，促進(jìn)智能車輛技術(shù)的發(fā)展。

第三階段始于20世紀(jì)90年代。智能車輛進(jìn)入大規(guī)模系統(tǒng)研究階段。其中最引人注目的是卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的機(jī)器人研究所完成navlab1-navlab10 Navlab系列研究并取得了顯著成效[3]。

第一臺(tái)自主智能小車是Nils Nissen，Charlen Rosen等人用了很長時(shí)間研制而成的，這臺(tái)智能小車被命名為shakey。20世紀(jì)初，美國DARPA部門設(shè)立了地面無人作戰(zhàn)項(xiàng)目，拉開了世界范圍內(nèi)智能小車研究的序幕。20世紀(jì)50年代，世界首個(gè)自主導(dǎo)引車的智能系統(tǒng)AGVS由美國Barrrtt Electronics開發(fā)和研究。AGVS通常裝備有自動(dòng)引導(dǎo)裝置，能夠按照預(yù)先設(shè)定好的路線行駛，通過電腦控制器判斷行進(jìn)路線[4]。它產(chǎn)生的原因只是為了提高倉庫運(yùn)輸?shù)男省Ｓ?jì)算機(jī)應(yīng)用和傳感技術(shù)的飛快發(fā)展使得智能車輛的技術(shù)有了新的發(fā)展。

計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息技術(shù)等迅猛發(fā)展，智能小車作為各學(xué)科領(lǐng)域的交點(diǎn)不斷涌現(xiàn)新的研究成果，在控制理論、執(zhí)行功能上有了突破。

美國俄亥俄州立大學(xué)開發(fā)了車身包含很多傳感器的智能車輛，小車在前進(jìn)過程中可以根據(jù)傳感器返回的數(shù)據(jù)調(diào)整車身，其中傳感器有激光傳感器、陀螺儀、雷達(dá)系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)了車輛和信息的融合。

奔馳汽車有限公司和德國慕尼黑聯(lián)邦國防大學(xué)合作完成VAMORS系統(tǒng)。車輛最大的亮點(diǎn)是可以通過計(jì)算機(jī)控制車輛的前進(jìn)、后退、停止等。車輛的探測(cè)系統(tǒng)包括視覺傳感器和測(cè)速傳感器。車身用的是奔馳500型轎車車身，車子運(yùn)行時(shí)，車身上搭載的系統(tǒng)和傳感器會(huì)一直傳輸數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)，從而發(fā)出不同的指示。

日本大阪大學(xué)研究的車身同樣包含很多傳感器，主要用來獲取車輛的坐標(biāo)、移動(dòng)距離等參數(shù)，計(jì)算智能小車下一時(shí)間的準(zhǔn)確位置。這些數(shù)據(jù)是由加速度計(jì)、數(shù)字羅盤、陀螺儀等傳感器獲取的。

荷蘭鹿特丹港口研究的AGVS開始是為了提高貨物的運(yùn)輸效率，但隨著時(shí)間的流逝，研究上升到智能小車在預(yù)先設(shè)計(jì)的軌道上行駛，通過避障傳感器完成遠(yuǎn)距離的無人運(yùn)輸任務(wù)。

意大利MOB-LAB研究的智能小車配備多臺(tái)彩色攝像機(jī)。小車運(yùn)動(dòng)時(shí)通過攝像機(jī)采集外部信息，并發(fā)送給計(jì)算機(jī)，檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的軌跡，計(jì)算機(jī)對(duì)收到的信息進(jìn)行分析。

卡內(nèi)基機(jī)器人研究所用的是Pontiac跑車，控制系統(tǒng)選擇了NAVLAB的系統(tǒng)，車上裝配了視覺傳感器和GPS系統(tǒng)來感知外部，并將得到的數(shù)據(jù)交給計(jì)算機(jī)處理，它可以在復(fù)雜的環(huán)境中找到無碰撞路線[5]。

谷歌團(tuán)隊(duì)希望通過無人車技術(shù)可以緩解交通意外和環(huán)境污染。無人車可以通過激光傳感器確定外部障礙和距離，通過GPS數(shù)據(jù)獲取無人車的位置，計(jì)算機(jī)得到數(shù)據(jù)后快速處理并以相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)形式返還給無人車。

3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國內(nèi)市場的不斷擴(kuò)充，相關(guān)需求不斷提高，我國在這方面的科研有新的進(jìn)展，有基于TX1智能小車研究、關(guān)于ROS機(jī)器人程序設(shè)計(jì)的研究等[6]。在時(shí)代潮流下，很多高等院校積極開展該項(xiàng)目的研究。盡管我們的技術(shù)水平不能與發(fā)達(dá)國家相媲美，但發(fā)展?jié)摿艽蟆?/p>

我國無人機(jī)的研究取得突破是在近20年間，得益于國家政策。機(jī)器人領(lǐng)域受到重視，國內(nèi)很快就形成了千人級(jí)別的科研團(tuán)隊(duì)和一些高水平的科研基地。在國家“863”計(jì)劃期間，我國的智能小車技術(shù)取得了令人矚目的成就。

1) 2003年，國防科技大學(xué)和中國第一汽車集團(tuán)公司成功研制自主駕駛的智能車。雖然與國外的智能車存在差距，但是總體水平很高。它可以在正常的交通情況下完成必要的加速和減速，還能實(shí)現(xiàn)超車功能，為以后的自主駕駛奠定了基礎(chǔ)。

2) 航空事業(yè)迅速發(fā)展，智能車在航空領(lǐng)域的作用越來越明顯?！爸腥A牌”月球車代表中國智能機(jī)器人的最高水平，在2013年乘坐“嫦娥三號(hào)”執(zhí)行探月任務(wù)，效果很好。月球車可以完成導(dǎo)航、路線選擇、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ鳎溲兄迫蝿?wù)交由航天科技集團(tuán)第五研究院完成。

3) 南京理工大學(xué)與清華大學(xué)等合作研究的智能車在軍事領(lǐng)域上有了突破。由車身上的陀螺慣導(dǎo)定位、激光雷達(dá)等傳感器，結(jié)合內(nèi)部的多臺(tái)PC機(jī)與單片機(jī)來感知與判斷外部環(huán)境，以完成車輛的定位與自動(dòng)駕駛。

4) 清華大學(xué)研究的智能小車所用的系統(tǒng)THMR得益于國家“863”計(jì)劃最終開發(fā)成功。這個(gè)系統(tǒng)外部集成了超聲波、GPS等傳感器，內(nèi)部由1臺(tái)Sun Spark，2臺(tái)PC-486和多臺(tái)8098單片機(jī)組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的“感知-建模-規(guī)劃-執(zhí)行”算法對(duì)小車進(jìn)行路徑規(guī)劃和導(dǎo)航控制。

5) 吉林大學(xué)自主研制的JLUIV智能車系統(tǒng)是在國家自然科學(xué)基金的資助下開發(fā)完成的，系統(tǒng)的主要功能包括感知周圍的環(huán)境、識(shí)別小車的行走路徑、處理采集的圖像等。在實(shí)際操作過程中有很好的環(huán)境適應(yīng)能力。

6) 智能交通ITS系統(tǒng)。ITS系統(tǒng)的誕生原因很多，如人口不斷增加，交通壓力越來越大，隨之產(chǎn)生的交通安全、交通負(fù)荷問題急需解決。該系統(tǒng)是調(diào)劑和控制高速公路上的汽車，從而使交通達(dá)到一個(gè)很好的運(yùn)行狀態(tài)。在2004年ITS大會(huì)首次展覽中獲得成功。目前我國已有一支高水平的ITS技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)。智能小車在未來的生活中扮演著重要的角色，其理論和使用技術(shù)的研究意義重大。

4 智能小車發(fā)展預(yù)測(cè)

智能小車可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)環(huán)境里自動(dòng)運(yùn)作，不需要人為管理，可用于科學(xué)勘探等。智能小車能夠?qū)崟r(shí)顯示時(shí)間、速度、里程，具有自動(dòng)尋跡、尋光、避障功能，可程控行駛速度，準(zhǔn)確定位停車，遠(yuǎn)程傳輸圖像。

美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)預(yù)測(cè)[7]，21世紀(jì)中葉前，智能汽車將占據(jù)全球汽車保有量的75%，交通規(guī)則、基礎(chǔ)設(shè)施將隨之發(fā)生劇變，智能汽車可能顛覆當(dāng)前的汽車交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)運(yùn)作模式。汽車行業(yè)著名咨詢機(jī)構(gòu)IHS發(fā)布預(yù)測(cè)報(bào)告稱，“通過電腦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無人駕駛的智能汽車”的發(fā)展速度正在趕超純電動(dòng)汽車，2025年左右將走進(jìn)尋常百姓家，2035年無人駕駛的智能汽車的銷量將達(dá)到1180萬輛，占同期全球汽車市場總銷量的9%。以往在科幻大片中才能見到的無人駕駛汽車離我們的現(xiàn)實(shí)生活越來越近。

[1] 卞秀輝.基于Wi-Fi的智能移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2016(4):152-153.

[2] 叢喆.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能小車視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].武漢:華中科技大學(xué),2009:1-17.

[3] 周奇峰,佘明輝.計(jì)算機(jī)控制智能小車的軟件設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù),2014(6):86-89.

[4]沈維佳.多傳感器小車的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].南京:南京理工大學(xué),2015:1-7，55-56.

[5] 張磊.智能小車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].長春:吉林大學(xué),2016:1-7.

[6] 朱丹峰,葛主冉,林曉雷.基于Android平臺(tái)的無線遙控智能小車[J].電子器件,2013(3):408-412.

[7] 21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道.智能汽車的八個(gè)預(yù)測(cè)，新商業(yè)模式層出不窮[EB/OL].(2013-03-02)[2017-05-25]. http://auto.qq.com/a/20130223/000018.htm.

〔責(zé)任編輯： 盧 蕊〕

Researchoverviewofintelligentcar

CHEN Jiang

(Modern Educational Technology Center, Zhenjiang College, Zhenjiang 212028, China)

Intelligent car is a comprehensive system with a variety of functions. The functions mainly include the perception of the surrourding environment, aid in different driving levels, planning and decision making. As an important part of intelligent transportation, it has a very wide application prospect and field. This paper describes the research background and significance of intelligent car, and discusses the research status of intelligent car at home and abroad.

intelligent car; research; overview

U46

C

1008-8148(2017)04-0058-03

2017-06-09

陳 江(1962—)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，高級(jí)工程師，主要從事教育技術(shù)研究。