4G網絡在無人駕駛智能車遠程監控系統上的應用

譚寶成，曹國浩

（西安工業大學電子信息工程學院，陜西西安710032）

遠程監控系統是具有尖端科技領域的全球衛星定位系統（GPS）、通信技術、互聯網技術和其它應用領域的有機結合。遠程監控系統所涉及的核心技術中，數據傳輸技術是最關鍵技術，它決定了系統的實時性、可靠性和容錯性[1]。4G網絡的發展改變了通信網絡的格局，傳輸速度快，已成為網絡通信首選的目標。

1 無人駕駛智能車監控系統的原理結構

本系統主要由無人駕駛智能車（數據終端）、服務器、控制端和監視端組成[2]，采用服務器端和客戶端模式。工作原理是無人駕駛智能車通過4G網絡把車上的信息傳送到服務器上，于此同時服務器會把無人車的信息通過4G網絡傳送到監視端和控制端，控制端的操作人員根據信息對無人駕駛智能車做出相應的操作。圖1顯示了遠程監控系統原理結構。

在遠程監控系統中，無人駕駛智能車的信息主要由慣導（GPS）定位出無人車的航向、速度、經緯度，方向盤上的編碼器采集車方向的偏轉角度，無人車上的攝像頭采集圖像信息和傳感器判斷障礙物、路沿和電池信息。

2 無人駕駛智能車網絡通信功能

1）網絡通信的選擇

當今社會高速發展，人們的要求也普遍變高。在中國很多地方，有線傳輸變得相當困難，而且費用比較昂貴。無線代替有線傳輸已經成為一種趨勢，并且無線傳輸靈活。無線傳輸的種類比較繁多[3]，例如，紅外線、藍牙、現在熱衷的WIFI、UWB、Zigbee這些無線傳輸適合短距離傳輸，傳輸速度快，其中UWB傳輸速度可達數百Mbps，這些只適合我們在小范圍使用。而無線數傳電臺、GSM、GPRS和3G傳輸距離較遠，無線數傳電臺可傳輸十幾公里，但是成本高、標準不統一。GSM、GPRS和3G無線傳輸的距離就非常遠，只要是基站覆蓋到的地方都可通信。三者中3G網絡傳輸速度最快，可達到2 Mbps，但是我國3G面臨著致命的缺點：就是移動無線接入網絡的空中接口不統一，易造成通訊混亂。4G網絡簡稱第四代移動通信及其技術，它融合了3G和WLAN，可以傳輸高質量的視頻圖像，且圖像的高清質量和程度與我們在家里看高清電視圖像相同；它下載、上傳和上網速度都比較快，其中下載速度可達到100 Mbps，上網速度比撥號上網快2 000倍，上傳速度達20 Mbps；它還可以滿足不同用戶的各種不同需求[4]。無人駕駛智能車在馬路上行駛時，會出現一些障礙物或者故障。如果及時把信息傳送并最終顯示在監視端和控制端上，控制端的操作人員便可以及時地對無人駕駛智能車做出決策，從而避免一些問題的產生。在信息傳送過程中，根據4G的特點，可以達到上述要求。綜合對比，本文無人駕駛智能車遠程監控系統選用4G網絡。

圖1 遠程監控系統原理結構圖Fig.1 Principle structure of remote monitoring system

2）網絡通信協議

本系統是在Winsock控件下進行VB編程，TCP和UDP是目前眾多通信協議中使用最為廣泛地傳輸協議。TCP協議允許創建和維護與遠程計算機的連接，連接之后，計算機之間就可以把數據當作一個雙向字節流進行交換，數據傳輸完成后，還要關閉連接，安全性比較高。UDP協議是一個面向無連接的協議，計算機并不需要建立連接，它為應用程序提供一次性的數據傳輸服務，不提供差錯恢復，不能提供數據重傳，傳輸數據安全性較差。我們日常使用的QQ軟件就是UDP協議，經常會出現接收不到信息的問題。鑒于無人駕駛智能車遠程監控系統數據傳輸安全性高的要求，本系統選用TCP協議。

3）網絡通信實現

本系統根據VB語言中Winsock控件的屬性、方法、事件以及4G網絡來實現客戶機端與服務器端之間的通信。服務器端程序有3個winsock控件，分別對應于無人車程序上的winsock控件、監視端程序上的winsock控件和控制端程序上的winsock控件。服務器端識別客戶機信息主要是客戶機的端口號。

連接的工作原理是：首先打開服務器端程序，服務器會不停地監聽客戶端的請求，一旦客戶端向服務器端發出連接請求，服務器就會識別客戶端的端口號，識別完成后，就會建立連接，于此同時服務器與客戶機之間建立了一條通信信道，直到關閉為止。如果無法識別，服務器就會關閉。連接成功后，便可以發送接收數據。客戶機指的是監視端、控制端和無人駕駛智能車。圖2顯示了服務器與客戶機連接流程圖。

發送接收工作原理：首先客戶機向服務器發送連接請求，一旦服務器響應了客戶機發送的連接請求時，就會觸發服務器中ConnectionRequest事件，這樣就創建了連接。連接成功后，客戶機便可以向服務器發送信息，于此同時服務器會根據端口號的信息判斷是無人駕駛智能車端的信息還是控制端信息，并將信息分別保存在數據庫中，監視端只接收信息。圖3顯示了服務器與客戶機發送數據流程圖[5]。

圖2 連接流程圖Fig.2 Connection diagram

3 無人駕駛智能車遠程監控界面

本系統采用遠程監控，傳輸的信息包括數字信息和圖像信息。遠程監視端界面包括數字信息界面和圖像信息界面。圖4顯示的數字信息界面，圖5顯示圖像信息界面[6]。

在無人駕駛智能車運行時，4G網絡會將車輛、障礙物信息以及圖像視頻信息傳給遠處的監視端，遠處監視端的操作人員了解信息后，做出相應的判斷。圖6為遠程控制界面。

4 4G網絡傳輸問題和分析

圖4 數字信息界面Fig.4 Digital information interface

圖5 圖像信息界面Fig.5 Image information interface

圖6 遠程控制界面Fig.6 Remote supervision interface

由于圖像采集的信息量非常大，4G網絡在傳輸上會出現延時問題，經過測試，延時大概在1.5 s，而3G網絡大概在3 s，當然這跟測試的環境有關。數字采集就不會出現網絡延時問題。無人駕駛智能車在公路上行駛時，會出現跟車、超車、轉彎（彎道行駛）和停車的情況。跟車時，即使出現延時也不會有啥問題，我們會根據車與車之間的距離信息做出車速和方向盤的調整，始終與其他車輛保持在安全間距范圍。超車時，我們會先根據前后方車的信息做出判斷，是決定超車還是繼續跟車，當符合我們設定的超車程序時，無人駕駛智能車就會做出超車反應并進行超車，網絡延時也不會出現大問題。轉彎時，由于網絡的延時，遠程監控端的操作人員不能及時看到轉彎信息，很容易出現事故。這時，我們會從道路上采集的信息作出判斷，那就是在無人駕駛智能車快要進入彎道時，我們會在程序上做出提前轉彎的判定而不是等到進入彎道才轉彎，這樣就可以避免因網絡延時造成的事故。停車時，主要靠sick采集車與前方的距離以及UTM采集公路旁的邊沿距離，達到我們程序上設定的的停車距離，無人駕駛智能車就會自動停車。由于采集的是數字信息，不會出現延時現象。

5 結束語

4G網絡在無人駕駛智能車遠程監控系統上的應用融合各方面技術資源對它進行管理、診斷和數據分析，節省了大量的人力、物力和財力。由于4G網絡在現階段技術還不太成熟，覆蓋范圍還不是很廣，無人駕駛智能車在使用上還有一定的局限性。預計不久的將來4G無線通訊技術的不斷普及和完善，更多低碼率、高品質的圖像壓縮技術也將產生，這使得無人駕駛智能車監控系統的性能不斷的得到提高和完善，那時無人駕駛智能車會更加靈活、可靠和安全，必定會有一番光明的前景。

[1] 張帆.軌道車遠程監控系統設計[D].吉林:吉林大學，2010.

[2] 張劍鋒，樊曉宋，曹寶健.一種試驗車遠程監控系統設計[J].工業控制計算機，2009，22（8）:33-34.ZHANG Jian-feng，FAN Xiao-song，CAO Bao-jian.A design of remote monitoring system for test vehicle[J].Industrial Control Computer，2009，22（8）:33-34.

[3] 陳高鋒.常用無線通信技術簡介[J].電腦知識與技術，2012，8（5）:1062-1064.CHEN Gao-feng.Brief introduction of common wireless communication[J].Computer Knowledge and Technology，2012，8（5）:1062-1064.

[4] 任頲.4G無線網絡與3G網絡的分析對比[J].硅谷，2013（8）:105-120.REN Ting.4G wireless network compared with the analysis of the 3G network[J].Silicon Valley，2013（8）:105-120.

[5] 鄧遠寧.基于無線傳感網絡的獨立電網遠程監控系統的設計[D].長沙:湖南大學，2013.

[6] 于瑞.智能家庭遠程監控系統[D].青島:青島科技大學，2013.