淺談無人駕駛技術(shù)在機場高草割除中的應(yīng)用

宋戰(zhàn)兵

【摘? 要】無人駕駛技術(shù)發(fā)展日益成熟，也是科技公司的研究對象，汽車公司紛紛推出無人駕駛汽車應(yīng)用于日常通勤，而無人駕駛車輛在機場高草割除中還未應(yīng)用。本文主要介紹了國內(nèi)外無人駕駛車輛的發(fā)展現(xiàn)狀，提出無人駕駛技術(shù)應(yīng)當(dāng)應(yīng)用于機場高草割除以減輕人力。

【關(guān)鍵詞】無人駕駛技術(shù);機場高草

引言

目前，機場割草作業(yè)主要依靠人員駕駛拖拉機割除和人工肩扛打草機割除，人工割除具有割草速度慢、人員易疲勞、成本高的特點。無人駕駛技術(shù)發(fā)展已經(jīng)比較成熟，部分地區(qū)已經(jīng)商業(yè)運行，而機場割草作業(yè)還是使用人工，無人駕駛技術(shù)應(yīng)用滯后。

1.無人駕駛技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀(jì)70年代，美國、英國、德國等國家就開始了地面無人駕駛車輛的研究，并取得了一系列研究成果。國外軍用地面無人駕駛車輛的發(fā)展主要經(jīng)歷了3個階段：在20世紀(jì)80年代之前，受限于硬件技術(shù)和計算機、圖形處理、數(shù)據(jù)融合等關(guān)鍵技術(shù)，地面無人駕駛車輛的發(fā)展側(cè)重于遙控。20世紀(jì)80年代以后，隨著自主車輛技術(shù)及其它相關(guān)技術(shù)的突破，出現(xiàn)了自主和半自主移動平臺，但是由于受定位導(dǎo)航設(shè)備、路障識別設(shè)備、計算機控制處理器等核心部件性能的限制，同一時期的自主車輛雖然在一定程度上實現(xiàn)了自主行駛，但行駛速度低，環(huán)境適應(yīng)能力弱。這些平臺主要用于掃雷、排爆、偵查等任務(wù)。自20世紀(jì)90年代以來，由于在計算機、人工智能、機器人控制等技術(shù)方面的突破，無人駕駛車輛取得進(jìn)一步發(fā)展，部分無人駕駛車輛參與了實戰(zhàn)。其中具有代表性的是美國未來作戰(zhàn)系統(tǒng)（FCS）、美國多用途/后勤裝備車輛（MULE）和DEMO項目。

在民用方面，谷歌無人駕駛汽車項目是世界無人駕駛汽車研發(fā)領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，在無人駕駛技術(shù)方面具有突破性進(jìn)展。其它研究機構(gòu)有美國卡內(nèi)基.梅隆大學(xué)研制的NavLab系列，意大利帕爾瑪大學(xué)的ARGO項目，德國聯(lián)邦國防大學(xué)研制的VaMoRs-P系統(tǒng)等。一些汽車公司也推出自己的無人駕駛汽車，比如特斯拉、奔馳等。

我國無人駕駛汽車研究起步于20世紀(jì)80年代，由我國相關(guān)部委“八五”和“九五”計劃支持的“軍用地面機器人”Autonomous Test Bed（ATB）系列，代表了當(dāng)時國內(nèi)無人駕駛汽車研究領(lǐng)域的先進(jìn)水平。國防科技大學(xué)在1992年成功研制出中國第一輛具備部分自主駕駛能力的無人駕駛汽車，能夠?qū)崿F(xiàn)自主轉(zhuǎn)向、躲避障礙、超車等功能。國防科技大學(xué)、解放軍軍事交通學(xué)院和上海交通大學(xué)等院校都致力于無人駕駛汽車的研發(fā)，百度公司、比亞迪等國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和汽車廠商也在進(jìn)軍無人駕駛汽車領(lǐng)域，發(fā)展勢頭迅猛。比亞迪計劃將無人駕駛車輛應(yīng)用于城市軌道交通。東風(fēng)公司5G通信自動駕駛汽車已經(jīng)最先實現(xiàn)量產(chǎn)和商業(yè)化運營。

2.無人駕駛車輛的技術(shù)原理

無人駕駛汽車?yán)密囕d傳感器感知車輛周圍環(huán)境，并根據(jù)感知所獲得的道路、車輛等障礙物信息，通過車載電腦分析處理，發(fā)出指令，通過執(zhí)行機構(gòu)控制車輛的轉(zhuǎn)向、制動、車速等操作，從而使車輛能夠安全、可靠地在道路上行駛。無人駕駛技術(shù)集自動控制、人工智能、視覺計算、雷達(dá)探測等眾多技術(shù)于一體，是計算機科學(xué)、模式識別和智能控制技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物。無人駕駛系統(tǒng)分為環(huán)境感知、任務(wù)決策、路徑規(guī)劃，以及車輛控制4個子系統(tǒng)。

一是環(huán)境感知子系統(tǒng)。和有人駕駛車輛一樣，無人駕駛汽車需要實時感知周圍環(huán)境信息，一般可以通過兩種途徑獲得：一是通過利用車載傳感器系統(tǒng)（包括視頻圖像和雷達(dá)等）獲取周圍環(huán)境信息，結(jié)合相關(guān)模型對傳感器信息進(jìn)行分析決策;二是通過通信網(wǎng)絡(luò)提供外部環(huán)境信息，例如車聯(lián)網(wǎng)給無人駕駛汽車提供周邊車輛活動情況，智能交通系統(tǒng)提供相關(guān)交通信號和道路設(shè)施情況，基站提供周邊大范圍的空域和地域環(huán)境信息。

二是路徑規(guī)劃子系統(tǒng)。指在具有障礙物的環(huán)境中，按照一定的評價標(biāo)準(zhǔn)，尋找一條從初始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的無碰撞最優(yōu)路徑，一般分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃同時也被視為決策規(guī)劃的一部分，在大多數(shù)情況下，全局路徑規(guī)劃和任務(wù)決策是相聯(lián)系的，二者結(jié)合得到車輛的全局路徑信息，而局部路徑規(guī)劃是在無人駕駛汽車周圍局部環(huán)境進(jìn)行的。

三是任務(wù)決策子系統(tǒng)。無人駕駛汽車根據(jù)任務(wù)特性、自身功能條件及已知環(huán)境信息進(jìn)行任務(wù)決策與規(guī)劃。無人駕駛汽車進(jìn)行任務(wù)決策與規(guī)劃時，任務(wù)完成與車輛全局路徑規(guī)劃相關(guān)聯(lián)，任務(wù)決策與規(guī)劃是一種動態(tài)規(guī)劃，需要根據(jù)任務(wù)和全局環(huán)境信息的變化進(jìn)行調(diào)整。

四是車輛控制子系統(tǒng)?？刂栖囕v跟蹤路徑規(guī)劃子系統(tǒng)的路徑，包括控制車輛制動、轉(zhuǎn)向、速度等系統(tǒng)。車輛控制子系統(tǒng)是無人駕駛汽車的重要組成部分，它必須依賴于環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、決策等系統(tǒng)，不能獨立存在。無人駕駛汽車高速行駛時，會與周圍環(huán)境發(fā)生作用，這些車輛動力學(xué)和運動學(xué)特性會影響環(huán)境感知、路徑規(guī)劃和控制效果。

3.無人駕駛車輛在機場高草割除中的應(yīng)用

機場高草必須割除，既是保障飛行安全的需要，也是控制鳥類數(shù)量的重要方法。鳥擊防范一直是機場工作的重點，每年因鳥擊事故造成飛機損毀甚至機毀人亡。機場草過高容易滋生昆蟲，吸引鳥類覓食，影響飛行安全。高草不及時割除，草成熟結(jié)籽造成草更多，吸引食籽鳥類，機場就會成為鳥類的天堂，飛機的地獄。

目前機場高草割除主要依賴割草車，由農(nóng)用拖拉機帶動，費時費力，特別是夏季天氣炎熱，存在中暑風(fēng)險。采用無人駕駛技術(shù)后完全解放人工，無人割草車可自主運行割草。技術(shù)方面可完全依靠現(xiàn)有成熟無人駕駛技術(shù)，對拖拉機進(jìn)行改裝，甚至重新研發(fā)一款適合機場割草作業(yè)的無人割草車。無人割草車需要具備以下模塊。

一是自動泊車模塊。無人割草車放置于機場草坪中，實現(xiàn)自動尋找、選擇、判斷停車位停車，中間過程不需要人工控制，包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、處理器和車輛控制系統(tǒng)。環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括圖像采集系統(tǒng)和車載距離探測系統(tǒng)，可采集圖像數(shù)據(jù)及周圍物體的距離數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給處理器;處理器可將采集到的數(shù)據(jù)分析處理后，得出車輛的當(dāng)前位置、目標(biāo)位置以及周圍的環(huán)境參數(shù)，依據(jù)上述參數(shù)規(guī)劃自動泊車策略，并將其轉(zhuǎn)換成電信號。車輛控制系統(tǒng)接受電信號后，依據(jù)指令操控車輛停到目標(biāo)位置。

二是車輛定位模塊。目前主流的技術(shù)是視覺導(dǎo)航技術(shù)，它是一種通過視覺傳感器獲取圖像進(jìn)行相應(yīng)處理從而得到載體導(dǎo)航參數(shù)的技術(shù)，根據(jù)視覺圖像判斷周圍環(huán)境的狀態(tài)。GPS系統(tǒng)和北斗系統(tǒng)應(yīng)用在高草割除方面，可以將無人割草車進(jìn)行實時位置、運行軌跡準(zhǔn)確地反映在控制中心的電子地圖上，并將這些信息指導(dǎo)車輛作出決策。

三是防碰撞預(yù)警模塊。主要用于防止無人割草車與草坪中的附屬設(shè)施發(fā)生碰撞。目前技術(shù)最尖端的防撞預(yù)警系統(tǒng)是基于智能視頻分析處理的汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)，通過動態(tài)視頻攝像技術(shù)、計算機圖像處理技術(shù)來實現(xiàn)其預(yù)警功能。此外還有基于毫米波雷達(dá)的汽車防碰撞預(yù)警系統(tǒng)。

四是效果評估模塊。能夠自動調(diào)整車速、割草設(shè)備高度等參數(shù)，系統(tǒng)包括探測傳感器、信號處理器和控制模塊。系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的車速、高度，利用雷達(dá)、紅外線、視頻圖像等信息得到周邊地形、草的高度等信息，自動評估高草割除效果，割草達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)能夠重新割除。

4.結(jié)語

無人割草車是人工割草的補充，是未來機場高草割除方式的發(fā)展方向。隨著無人駕駛技術(shù)逐漸成熟，無人割草車將發(fā)揮更加安全、可靠、高效的作用，以減少人工疲勞，提高割草效率，特別是對于較大草坪作用更加明顯，市場也將十分廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳慧巖，熊光明，龔建偉等.無人駕駛汽車概論[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2014：3.