针对自动目标导航及车辆防撞的嵌入式解决方案概念的论证外文翻译资料

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针对自动目标导航及车辆防撞的嵌入式解决方案概念的论证

Previnsha Naidu A/L Poornachendran^a,Woi Seng Ooi^a ,Gik Hong Yeapa^a* ,*

^aKDU College (PG) Sdn Bhd, 32 Jalan Anson, 10400 Penang, Malaysia

摘要

汽车自动目标导航的嵌入式解决方案和车辆防撞的概念是一个具有现实意义的想法，它为汽车在无人驾驶时具有自动导航及防撞功能的概念及可行性提供了证据以证明其正确并合理。车辆将能够自动导航到所需的目的地。除了汽车自动导航外，车辆与其他共同使用ZigBee网络的车辆也将有能力避免相互之间碰撞。为了让汽车自动导航，车辆会向前移动一个特定的距离，并计算其纬度，经度和它相对于目标位置的方位值。为了避免碰撞，每辆车将配备XBee802.15.4收发器，从而它们将发送和接收他们的当前位置数据和预测他们是否将沿途碰撞。实验结果表明，车辆能够自动导航到预定位置而将误差控制在plusmn;5米半径范围内。 ZigBee无线通信也成功变为现实并且能够远距离发送和接收数据（非视距传输45m，瞄准线60m）。

2012 The Authors. Published by Elsevier Ltd. Selection and/or peer-review under responsibility of the Centre ofHumanoid Robots and Bio-Sensor (HuRoBs), Faculty of Mechanical Engineering, Universiti Teknologi MARA.

关键词：汽车导航、无线通信、防撞、GPS、ZigBee

1.简介

在这个现代化的时代，特别是在大城市，车辆的数量在不断增加。随着车辆数量增加，由碰撞事故，交通拥堵和各种其他问题导致的死亡人数也明显增加。据新闻报道，在2010年，6745人死于车祸。这个项目“针对自动目标导航及车辆防撞的嵌入式解决方案概念的论证”通过证明这一自动导航和车辆防撞概念，为解决这个问题的提供了关键依据。

这一项目的概念在于通过人工智能使车辆能够自动导航到用户输入的目的地。车辆将通过执行精确的计算当前位置从而独立地移动到用户设置的位置，它从全球定位的导航信息系统获得帮助并且通过它的用户输入的位置来处理出导航方向。这个概念肯定会让人们，尤其是老年人，更容易安全地从一个地方到另一个地方而不会迷路或担心到达目的地的方式。这将提高道路运输的效率，增加运输过程中的乘客安全性。除此之外，人们不再需要制动或担心即使事故发生时车辆本身将能够避免与其他车辆的任何碰撞。这必然会减少在道路上的现场死亡人数。

本文组织如下：在第二部分是背景研究概述；第三部分是提出实现的方法和硬件实现，自动导航目标，ZigBee无线通信和防撞描述；第四部分为结果和讨论，所进行的测试包括全球定位系统模块精度测量，GPS接收器的响应时间，ZigBee范围/距离测试，接收信号强度指示（RSSI）试验，发射率和ZigBee的响应时间（XBee）以及收发器和避碰的测量；第五部分为结论概述。

2.研究背景

目前市场上存在数类自动型车辆，包括谷歌无人驾驶汽车[2],自动奥迪TTS派克峰[2]和公园穿梭巴士[2]。谷歌无人驾驶汽车的关键技术是使用了强大的人工智能(AI)软件，它能够成功地将由车内摄影机实时输入的数据(计算机视觉技术)与通过谷歌街景获得的信息整合在一起[3]。其中的一个主要传感器作用是实现这个车的旋转的光探测传感器和测距(激光雷达)传感器连接到车的顶部。

此外，无线个域网协议在车辆交互通信和车辆与基础设施运输中的得以应用，而且实验的结果也证明无线个域网是很好的可供选择的设备[ 3 ]。选择ZigBee技术的理由如下：对于传感器和汽车设备来说这是一个相当低功率无线网络标准，并且ZigBee网络层支持星型、树和网状网络拓扑结构。对于一网状拓扑结构来说，一个典型的ZigBee协调器负责启动网络和某些关键参数的选择。这种通信理论测试于嵌入式中间设备中移动应用（ 电子显微镜与微探针分析仪）项目和团队整体的载波侦听多址接入（CSMA）与ZigBee协议中。主要优点包括减少了电流消耗，延长电池寿命，消除了轮询的等待时间，既低功耗，又低开销且可以配对的许多设备。

基于上述的标准，自动导航和防撞机器人可以被看做是实现具有人工智能能力和能减少人为差错的车辆的步进石。

3.方法论

3.1.硬件实现

该方案的整体框图如图1所示。该方案的控制系统包括几个设备如单片机、GPS接收器、ZigBee模块以及L293D电机驱动。这辆车的主脑是单片机PIC18F4550。最初全球定位系统接收器将获得来自卫星的信号并将发送这些信号到PIC。键盘是用来输入所需的纬度和经度值，而液晶显示屏将显示用户观察的字符，上述ZigBee模块是负责与其他车辆的无线通讯且和PIC之间能够双向通信。L293D电机驱动通过控制车辆的转向、运动和6个传感器来实现防障碍的功能。表1显示了所使用的总体硬件组件和它们的功能。微控制器通过像大脑一样执行数学计算机演算规则和数学计算来承担主要角色。

图1.硬件框图

表1.硬件组件及其功能

3.2.自动导航目的地

自动导航概念的实现，是通过计算车辆当前所在地方位所在位置相对于所需的位置坐标的差值。为了让车辆自动导航到所需达的目的地，单片机必须首先知道目标的坐标位置，它是车辆行驶的主要方向。因此，车辆必须随机移动几米，并计算角度和方位的差值如图2所示。在进行方位计算之前，从中分析出纬度和经度最小推荐特定的GNSS数据（RMC），GNSS数据（RMC）形式为lsquo;ddmm.mmmmrsquo; 和 lsquo;dddmm.mmmmrsquo;。

图2.车辆从当前位置移动到目标点的运动。

3.3.ZigBee无线通信

ZigBee主件将首先发送和接收来自从动装置的数据；如图3所示，紧接下来由无线个域网的从动装置发送和接收来自主设备的数据。无线通信中三项主要任务如下：
bull;在发送设定数据前在两个无线个域网间建立信号交换程序
bull;确保建立的无线通信系统稳定，数据传输不能丢失太多信号和数据。
bull;在每个字符间设置适当的延迟时间，以使其能以完整字符串数据形式发送

图3.主XBee无线通信

一旦主站和附属车辆之间建立了无线个域网链接，主站就能立刻找到附属车辆。主站会发送多个确认信号给附属车辆，当附属车辆在收到确认信号时将回复到主站。因此，车辆之间将彼此联系。车辆之间建立连接的时间是非常短的，大约90us至100us。因为PIC没有像一个微处理器那样的强大功能，在PIC处理的每个字符之间分配一个适当的延迟时间是必要的，因为前者相对于后者不能快速执行的功能程序指令。因此，适当的延迟时间是必需的。

3.4.避撞

对于这种方法，每一个车辆的微程序控制器将根据其半径值被编程，这两辆车辆之间的距离将通过方程式（1）进行计算。随着时间的推移当两辆车辆相互靠近时，两车距离将被检查且两者的半径重叠，这表明车辆接近和防撞模式将被随时触发。一旦两个最初设定的车辆半径值范围区域重叠，这样其中一辆车辆将停止，并让其他车辆通过，以避免碰撞发生。

距离：

（1）

4.结果与讨论

4.1.GPS模块的准确性

GPS模块的精度在智能车辆如何精确的自动导航系统中起着举足轻重的作用。该模块的精度肯定会影响到智能车辆的精度。因此，将全球定位系统接收器与单片机主电路连接起来，通过实验以确定该模块的精确性。如表2所示，该装置的精度可通过计算该装置的百分比误差或纬度和经度的理论值和实际获得值的误差裕度来确定。为完成本次试验，测试采用了为20个样本。

4.2.全球定位系统接收器响应时间

反应时间取决于两个标准，要么全球定位系统接收器在冷启动条件下，要么在热启动条件下。冷启动指的所有接收到之前的信息被删除且接收器被重置回其原始状态，由此开始推测并试图找到卫星[ 4 ]。每一种情况总共进行这样的5次尝试。冷启动条件下，接受的平均时间是323.62s，而采取热启动的时间相对较快，是132.95s。这说明冷启动条件下的全球定位系统接收器的响应时间是两倍慢于热启动条件下的响应时间。因此，当纬度和经度值是变化的时候，为了获得精确的全球定位系统的信号，于是求平均值（中值和均值）公式需被使用。作为一个提供咨询的全球定位系统接收器，热冷启动适用于一种全球定位系统模块，当它是有教育意义的全球定位系统接收器，而不是具有实际交易性的。因此，它需要一个特定的时间来启动。

表2.样本点的纬度和经度值和相应的百分比误差

4.3.ZigBee范围/距离测试和接收信号强度指示（RSSI）试验

接收信号强度标志(RSSI被定义为无线电信号的实际测量功率，这是通常使用802.11标准协议来实现的。当传输的距离范围增加和信号强度指示比率下降时，我们从获得的结果可以观察到到成功的发送和接收数据包百分比减少(特别是在65m以后)。可以说,目标可接受的距离范围内2Zigbee之间的数据传输和接收长度是60米。如果距离增加，这可能会导致在传递数据包时可能会丢失数据包，同样大部分信号将被丢失。这是证明了

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