基于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無人駕駛新能源汽車設(shè)計探析

陳景宏舉 郭煒杰

摘 要：車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在無人駕駛新能源汽車設(shè)計中的應(yīng)用，可以滿足環(huán)境感知、計算機(jī)控制執(zhí)行等環(huán)節(jié)的需求。目前，我國車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)取得了積極的進(jìn)展，但車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在無人駕駛方面的應(yīng)用中仍面臨基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、技術(shù)集成創(chuàng)新等方面的挑戰(zhàn)。我國要抓住難得的歷史發(fā)展機(jī)遇，在無人駕駛設(shè)計、共性核心技術(shù)的聯(lián)合研究、通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的統(tǒng)籌部署、法律法規(guī)和機(jī)制建設(shè)等方面進(jìn)行分步推進(jìn)。有效推動車聯(lián)網(wǎng)無人駕駛在各種場景下的部署和實(shí)施，推動車聯(lián)網(wǎng)無人駕駛技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：車聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 無人駕駛 新能源

Abstract：The application of vehicle networking technology in the design of driverless new energy vehicles can meet the needs of environmental perception， computer control and execution. At present， China's internet of vehicles technology has made positive progress， but the application of internet of vehicles technology in unmanned driving still faces challenges in infrastructure construction， technology integration and innovation. China should seize the rare historical development opportunity and promote step by step in driverless design， joint research on common core technologies， overall deployment of communication network infrastructure， laws， regulations and mechanism construction so as to effectively promote the deployment and implementation of driverless networking in various scenarios， and promote the development of driverless networking technology.

Key words：driverless， new energy， networking technology

1 引言

隨著智能控制技術(shù)的快速發(fā)展，無人駕駛汽車的發(fā)展越來越快。與傳統(tǒng)車輛相比，無人駕駛新能源車輛可以幫助減少車輛的故障和不規(guī)范操作，提高汽車的安全性和乘坐舒適性非常重要。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。在車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，應(yīng)用無線通信、多傳感器信息技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)，使車輛配備高度智能化的車載信息系統(tǒng)，使無人駕駛汽車能夠基于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)自動控制車輛，促進(jìn)了城市交通信息網(wǎng)絡(luò)和智能網(wǎng)絡(luò)的連接，提高無人駕駛汽車的安全性能。

2 車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

車聯(lián)網(wǎng)利用安裝在車輛上的通訊終端，從通訊網(wǎng)絡(luò)平臺中提取各種車輛特性和狀態(tài)信息，并充分利用這些信息對被監(jiān)控車輛實(shí)施適當(dāng)?shù)谋O(jiān)管，提供支持集成服務(wù)的系統(tǒng)，以滿足各種功能需求。車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是在車輛行駛時，通過傳感器、計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行通信，整合信息的分發(fā)和處理，在整個過程中控制車輛的平穩(wěn)運(yùn)行，確保車輛行駛安全。同時通過多級傳輸方式，可支持車輛建立通信連接，并實(shí)現(xiàn)信息的完全共享。

3 研究背景分析

通過將車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于無人駕駛新能源汽車的設(shè)計，可以有效監(jiān)測車輛的行駛狀況和自身的健康狀況，并將這些信息數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，控制系統(tǒng)可以準(zhǔn)確判斷車輛狀態(tài)并進(jìn)行互聯(lián)傳輸。在車內(nèi)裝有車輛聯(lián)鎖裝置，可以在短時間內(nèi)將接收到的各種控制指令傳送到控制器，使車輛做出有效響應(yīng)。可見，利用車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合無人駕駛新能源汽車的特點(diǎn)，可以大大減少追尾和堵車的發(fā)生。

總的來說，無人駕駛新能源汽車的設(shè)計重點(diǎn)包括控制器、車速控制器、道路信息采集裝置、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和 制動系統(tǒng)等內(nèi)容，通過相關(guān)算法編程和信息傳輸快速的完成各種控制指令。設(shè)計者必須遵守?zé)o人駕駛新能源汽車的正常運(yùn)行要求，遵守安全設(shè)計原則，避免由于設(shè)計不合理發(fā)生安全事故。

4 車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是通過在車內(nèi)安裝通信終端，對車輛信息進(jìn)行快速提取和分析，加強(qiáng)監(jiān)管，發(fā)布控制指令，保障車輛的安全平穩(wěn)運(yùn)行。通俗地說，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是將計算機(jī)技術(shù)和各種傳感技術(shù)相結(jié)合，通過自動化控制車輛與基站之間的通信，快速傳輸各種信息。在這個過程中，有效保證了車輛的安全行能力，并且最大限度地降低了交通高峰期道路通行壓力，減少了安全事故的發(fā)生。通過將車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于無人駕駛新能源汽車控制設(shè)計，有效促進(jìn)了道路信息采集系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，使車速控制系統(tǒng)得以完善，有效保證了無人駕駛車輛的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

5 基于車聯(lián)網(wǎng)的無人駕駛新能源汽車控制系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用

5.1 系統(tǒng)框架

基于車聯(lián)網(wǎng)的車輛自動控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)主要由道路單元、中央控制單元和車載單元組成。車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在機(jī)動車控制系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用可以有效地增強(qiáng)道路狀況和車輛信息的識別，減少交通事故、擁堵等問題，確保車輛安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

5.2 系統(tǒng)模塊

5.2.1 車載設(shè)備

車載設(shè)備主要由環(huán)境識別單元、控制執(zhí)行單元和無線通信單元等組成。環(huán)境識別單元是由各種傳感器組成，通過采集無人駕駛車輛的行駛時間、車輛位置、前后車輛距離、道路交通信號等運(yùn)動狀態(tài)信息，利用遠(yuǎn)距離的控制，將雷達(dá)放置在車輛頂部，使用激光將其傳輸?shù)街醒肟刂茊卧獊恚瑥亩鴾y量車輛距離。視覺傳感器安裝在車輛頂部或后視鏡背面，有效分析車輛的位置和行駛時間。安裝環(huán)境傳感器后，無人駕駛汽車需要聯(lián)合校準(zhǔn)傳感器的坐標(biāo)，這是實(shí)施無人駕駛汽車環(huán)境信息采集的前提。車輛接收來自中央控制單元的控制指令來控制車輛的轉(zhuǎn)向、加速和制動，執(zhí)行器的伺服電機(jī)控制車輛的踏板來控制車輛的縱向運(yùn)動。

5.2.2 路側(cè)單元

路側(cè)設(shè)備作為信息傳輸中心，利用無線通信模塊接口與車載設(shè)備連接，接收車載設(shè)備發(fā)送的車輛信息，同時采集路況。將車載設(shè)備采集到的信息、道路天氣信息和車輛信息傳輸?shù)街锌貑卧邮罩锌貑卧奶幚斫Y(jié)果并發(fā)送給車載單元，以便更好地控制無人駕駛車輛的運(yùn)行。

5.2.3 中央控制單元

中控單元是無人駕駛汽車的核心，主要根據(jù)預(yù)設(shè)算法對采集到的車輛信息和道路信息進(jìn)行處理，從而有效規(guī)避其他車輛或行人，確保無人駕駛車輛能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)中央控制單元的指示，對非駕駛員車輛進(jìn)行油門、制動、防止道路障礙物和追蹤控制，以確保車輛的安全運(yùn)行。

5.3 運(yùn)動控制

5.3.1 目標(biāo)圖像模塊

在車輛實(shí)際行駛過程中，汽車通常會遇到平坦的道路和崎嶇蜿蜒的道路，而對于這兩種道路，設(shè)計者必須充分考慮道路的坡度。通過使用先進(jìn)的控制算法，根據(jù)受力條件及相關(guān)公式，在控制期內(nèi)準(zhǔn)確計算出道路車輛因坡度增加的速度。此外，在無人駕駛新能源汽車的行駛過程中，攝像頭用于快速采集周圍道路和其他車輛的距離信息，從而避免發(fā)生嚴(yán)重碰撞，因此，設(shè)計人員需要設(shè)計合理的目標(biāo)圖像分析模塊，對目標(biāo)執(zhí)行跟蹤控制操作。在控制目標(biāo)識別環(huán)節(jié)，控制模塊需要分析一定范圍內(nèi)的圖像區(qū)域，然后使用灰度處理的方法來提高圖像的梯度，使用雙向?yàn)V波的方法去除圖像噪聲，然后使用Canny算子的方法快速提取圖像內(nèi)部的各種信息，得到圖像的特定輪廓，從而能夠更好地識別目標(biāo)特征。

5.3.2 目標(biāo)函數(shù)說明

在對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行一系列處理得出圖像后，可以快速找到圖像內(nèi)部的ROI區(qū)域。為了保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，可以通過粒子濾波算法計算空間模型，將各種跟蹤問題快速轉(zhuǎn)化為狀態(tài)評估問題，并準(zhǔn)確地得出局部特征。同時，設(shè)計人員可以通過展示特定時刻的目標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)，定義目標(biāo)空間狀態(tài)，建立空間模型，從而有效分析并掌握新能源汽車的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)無人駕駛車輛的自動化控制。

5.3.3 建模

在跟蹤分析目標(biāo)的運(yùn)行狀態(tài)時，設(shè)計人員可以通過確定中心坐標(biāo)，建立空間模型，假設(shè)目標(biāo)處于穩(wěn)定的行駛狀態(tài)。在目標(biāo)建模過程中，設(shè)計者通過觀察當(dāng)前的圖像信息，結(jié)合實(shí)際情況，根據(jù)模型的相似特征獲得目標(biāo)的實(shí)際位置。此外，在實(shí)際建模過程中，設(shè)計者應(yīng)合理描述ROI協(xié)方差，在描述協(xié)方差矩陣的過程中，應(yīng)使用Forstner方法對系統(tǒng)輸出的各種結(jié)果進(jìn)行計算，預(yù)測目標(biāo)的具體運(yùn)行狀態(tài)。如果模型的運(yùn)行滿足這些條件，可能會停止工作。如果不符合相關(guān)條件，則必須重新調(diào)整。隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在無人駕駛新能源汽車中的應(yīng)用，使汽車的內(nèi)控系統(tǒng)日趨完善，通過控制模塊的信息處理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)處理，確保無人駕駛汽車的平穩(wěn)運(yùn)行，大大改善了交通運(yùn)行環(huán)境。

5.4 基于車聯(lián)網(wǎng)的無人駕駛新能源汽車的部署

開展聯(lián)網(wǎng)無人作業(yè)部署，需要了解分場景和分階段開發(fā)原則。首先，分階段推進(jìn)智慧道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)升級。從地方試點(diǎn)到全區(qū)域覆蓋，以具備道路基礎(chǔ)設(shè)施改造條件的主要城市和路段為重點(diǎn)，逐步擴(kuò)展到區(qū)域和城市層面，拓展認(rèn)知計算基礎(chǔ)信息互聯(lián)功能，推進(jìn)現(xiàn)有道路交通信號網(wǎng)絡(luò)化，逐步推進(jìn)計算平臺、雷達(dá)和攝像機(jī)的部署。其次，分階段推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)無人操作演示，鼓勵產(chǎn)業(yè)鏈各方參與，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的仿真，封閉、半開放的示范區(qū)和試驗(yàn)基地，加快示范應(yīng)用推廣，逐步推進(jìn)區(qū)域內(nèi)大數(shù)據(jù)云平臺建設(shè)，從小功能到全功能到各個領(lǐng)域，促進(jìn)相互溝通，平臺間信息互聯(lián)和數(shù)據(jù)共享，加快基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用建設(shè)，有效推動基于車聯(lián)網(wǎng)的無人駕駛新能源汽車的部署。最后，在多個場景下進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用示范，推廣建設(shè)試驗(yàn)和成熟的運(yùn)營模式，在特色城市、工業(yè)園區(qū)、智慧城市等領(lǐng)域推廣無駕駛出租車、自動駕駛公交車等應(yīng)用的示范和規(guī)模化應(yīng)用，大大改善居民的生活和出行體驗(yàn)。

6 結(jié)語

通過了解系統(tǒng)框架，加強(qiáng)車輛運(yùn)行控制，加強(qiáng)車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在系統(tǒng)單元模塊設(shè)計中的應(yīng)用，可以有效提高無人駕駛、路邊通信設(shè)備或新能源控制模塊的設(shè)計效率，完善路邊通信設(shè)備或基站的數(shù)據(jù)接入，改善道路基礎(chǔ)設(shè)施的訪問和智能管理和控制，有效分析無人駕駛產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的問題，建立無人駕駛產(chǎn)業(yè)發(fā)展的規(guī)劃體系，制定有利于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策法規(guī)，合理利用車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)保障無人駕駛車輛安全運(yùn)行，促進(jìn)無人駕駛新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]田曉鴻.車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)視域下無人駕駛新能源汽車控制系統(tǒng)設(shè)計[J].粘接，2020，41（4）：184-188.

[2]鄧敏泰，張向慧，楊轉(zhuǎn)玲，韓偉，石獻(xiàn)金.新能源汽車高速變速器試驗(yàn)臺的仿真設(shè)計與分析[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2019（12）：41-45.

[3]鄒賓興.某新能源汽車真空泵支架振動強(qiáng)度分析與優(yōu)化[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2019（19）：22-23.

[4]徐曉峰，趙洋，徐帆.基于CATIA的新能源汽車充電口座設(shè)計及運(yùn)動仿真[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2018（24）：1-2.

[5]任金波，張翔，施火結(jié).新能源汽車電池散熱風(fēng)扇軸向振動分析與改進(jìn)[J].河南科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，38（4）：25-29.

作者簡介

陳景宏舉：（1999.11—），男，漢，河北懷來人。學(xué)研究方向：車輛工程。