基于矢量傳感器的無人駕駛車輛信號遠程監(jiān)測系統(tǒng)

(1.中北大學 儀器與電子學院，太原 030051； 2.中北大學 電氣與控制工程，太原 030051)

0 引言

隨著機車制造技術、互聯(lián)網大數(shù)據(jù)計算技術、云計算技術、AI控制技術的多種技術的快速發(fā)展與聯(lián)合應用，推動了無人駕駛技術的高速發(fā)展。通過對無人駕駛車輛的輸出穩(wěn)定性控制設計，提高無人駕駛車的自動駕駛能力，確保車輛在行駛過程中的安全性，研究無人駕駛車輛信號遠程監(jiān)測系統(tǒng)在智能化車輛控制設計中具有重要意義。基于多數(shù)據(jù)綜合分析技術與駕駛控制技術于一體的無人駕駛技術，是汽車制造與設計領域上的一次革命，無人駕駛技術將從理念與結構方式上改變人們的生活[1]。

在無人駕駛車輛控制中，車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時性、穩(wěn)定性、準確性直接決定著車輛控制指令的正確與否。因此，車輛狀態(tài)的實時監(jiān)測是發(fā)現(xiàn)車輛異常的有效方法?；谏鲜鏊枷?，在無人車輛諸多操作系統(tǒng)中，車輛信號監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測效果直接決定著其他控制系統(tǒng)能夠正常運行以及能夠做出正確的指令操作[2-3]?？紤]到無人駕駛車輛的是動態(tài)數(shù)據(jù)點，因此信號的遠程監(jiān)測清晰度決定著監(jiān)測系統(tǒng)對車輛的監(jiān)測效果。結合過去無人駕駛車輛的遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，50～100 km范圍內是無人駕駛車常用環(huán)境下的信號遠程監(jiān)測最大范圍。在此范圍內，現(xiàn)有的無人駕駛車輛信號監(jiān)測系統(tǒng)都會出現(xiàn)不同程度的信號衰減帶來的清晰度降低問題，從而導致監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性降低[4]。究其根源在于監(jiān)測系統(tǒng)信號處理全局變量的模量化，模量信號的不同對稱是問題產生根源，而矢量數(shù)據(jù)能夠很好地解決模量帶來的問題，因此提出基于矢量傳感器的無人駕駛車輛信號遠程監(jiān)測系統(tǒng)。

1 基于矢量傳感器的系統(tǒng)總體框架設計

基于矢量傳感器的無人駕駛車輛信號遠程監(jiān)測系統(tǒng)總框架有兩部分構成，分別為監(jiān)測硬件與監(jiān)測軟件，框架結構設計原理，如圖1所示。

圖1 框架結構設計原理示意圖

檢測硬件：基于矢量傳感器以及相關器件，構建一套以矢量信號數(shù)據(jù)為核心信號源的信號收發(fā)、解析、處理平臺。矢量傳感器利用檢測的定量電壓、電流等容易檢測到的物理量信號進行信號的遠程監(jiān)測。重要的方面是如何準確地獲取信號轉速的信息，且保持較高的監(jiān)測精度，滿足實時監(jiān)測的要求。矢量傳感器無需監(jiān)測硬件，免去了操作麻煩，提高了監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，降低了監(jiān)測系統(tǒng)的成本；另一方面，使得監(jiān)測系統(tǒng)的體積小、重量輕，而且減少了電機與控制器的連線，使得采用矢量傳感器的異步電機的調速系統(tǒng)在無人駕駛車輛信號遠程監(jiān)測中的應用更加廣泛。利用矢量數(shù)據(jù)的一致性，通過硬件計算能力對模量數(shù)據(jù)進行矢量化轉換，為后續(xù)軟件程序的運行搭建處理平臺。通過不同矢量傳感器之間的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)監(jiān)測信號的連續(xù)性與穩(wěn)定性，為軟件程序對信號的控制擬合，提供算力支持。

監(jiān)測軟件：軟件部分主要基于矢量傳感器設計硬件功能，通過矢量監(jiān)測相關算法，對硬件功能的驅動程序進行設計。通過設計程序，使硬件矢量計算功能與數(shù)據(jù)之間更好的融合，同時通過設計程序使設計硬件的遠程監(jiān)測效果達到系統(tǒng)設計的預期效果。

2 基于矢量傳感器的無人駕駛車輛監(jiān)控信號交互硬件單元設計

2.1 矢量監(jiān)測信號處理硬件設計

提出系統(tǒng)硬件部分設計根據(jù)總框架結構完成，矢量監(jiān)測信號處理硬件部分設計，主要負責對監(jiān)測信號的實時高效處理，在矢量環(huán)境下對監(jiān)測信號的模量、變量進行矢量化轉換、分析。濾除矢量環(huán)境下模量信號噪聲提升，增強信號解析能力，保證數(shù)據(jù)分析、傳輸、轉換效率。

矢量監(jiān)測信號處理硬件設計包括：多數(shù)據(jù)矢量傳感器R532、PL542J12矢量信號處理MCU、RS544總線、信號轉換接口485以及SIT4176R矢量信號傳感器以及信號傳輸電路構成。硬件設計結構如圖2所示。

圖2 矢量監(jiān)測信號處理硬件結構

其工作原理是由多數(shù)據(jù)矢量傳感器R532將遠端監(jiān)測信號進行接收，并將其轉發(fā)至PL542J12矢量信號處理MCU，經過矢量轉換處理，經RS544總線指令控制，將處理后的矢量信號由信號轉換接口485推送至SIT4176R矢量信號傳輸芯片經信號傳輸電路輸出。

矢量監(jiān)測信號處理硬件功能實現(xiàn)過程原理如圖3所示。

圖3 矢量監(jiān)測信號處理硬件功能實現(xiàn)過程原理

2.2 矢量監(jiān)測信號無線傳輸硬件設計

矢量監(jiān)測信號無線傳輸硬件主要通過采用矢量無線信號傳輸處理器ZP87KS33E、北斗定位信號傳感器與無線信號傳輸控制電路構成具有矢量信號遠程大功率傳輸功能模組。

ZP87KS33E矢量無線信號傳輸處理器具有矢量數(shù)據(jù)多模擬合分析速度快的特點，輔助北斗定位信號傳感器對遠程車輛位置數(shù)據(jù)的實時更新解析，由無線信號傳輸控制電路對多組信號交互擬合提供高功率、全區(qū)域覆蓋支持。無線信號傳輸控制電路設計如圖4所示。

圖4 無線信號傳輸控制電路

3 基于矢量傳感器的硬件平臺軟件適配

3.1 監(jiān)測信號的矢量清晰程序設計

在基于矢量傳感器硬件的軟件適配設計中，根據(jù)遠程監(jiān)測系統(tǒng)功能性，軟件功能設計首先對監(jiān)測信號的清晰度處理進行設計。設計原理主要基于矢量傳感器硬件處理機制與信號濾波相關算法，對模量信號源包含的噪聲進行矢量轉換，從而濾除模量噪聲，提升信號清晰度。程序功能實現(xiàn)的具體過程如下：

將矢量傳感器構成硬件獲得的數(shù)據(jù)轉換為矢量空間坐標數(shù)據(jù)，根據(jù)坐標數(shù)據(jù)創(chuàng)建矢量共維坐標系。在坐標空間中，定義矢量信號傳感器坐標位置與模量信號載入坐標位置，如圖5所示。其中，矢量信號傳感器坐標點與坐標空間的原點重合，將模量信號的矢量空間載入通道的正方向數(shù)量設定為3，分別沿著x，y，z正軸向分布，?1∈(-π,π]代表矢量轉換后的信號傳播水平角度值，γ1∈(-π/2,π/2]代表量轉換后的信號傳播俯仰角。

圖5 矢量監(jiān)測信號的傳感器載入方向示意圖

當矢量轉換過程中存在任何一路信號模量不統(tǒng)一情況時，程序設計函數(shù)會自行根據(jù)當下模型轉換的矢量環(huán)境，定義4×1的矢量轉換信號誤差向量為m，從而統(tǒng)一各路模量轉換系數(shù)，其中4代表模量信號的聲壓噪聲通道、x，y，z方向載入通道相位響應與聲壓噪聲通道相位響應之間的矢量轉換誤差量；因此m的所對應的矢量系數(shù)為0[5]。定義此狀態(tài)下矢量信號轉換對角矩陣Γ所包含的模量數(shù)據(jù)因子為exp(km)，其中，k代表矢量噪聲濾波范圍。

矢量轉換后的信號輸出向量[6]，可描述為：

t(l)=[q(l),bx(l),by(l),bz(l)]Y=

o(?1,γ1)d(l)+i(l)

(1)

式中，q(l)代表聲壓通噪聲道輸出信號，bx(l)，by(l)，bz(l)，分別是信號傳播3個正向通道輸出源數(shù)據(jù)；d(l)代表模量信號載入時對應的波形向量；i(l)=[q(l),bx(l),by(l),bz(l)]Y代表聲壓噪聲與正方向3通道的矢量轉換噪聲；o(?1,γ1)代表載入模量信號的導向向量，其程序對應算法函數(shù)形態(tài)為：

o(?1,γ1)=[1，cos(?1)cos(γ1),sin(?1)cos(γ1),sin(γ1)]Y

(2)

輸出矢量信號的噪聲協(xié)方差矩陣為：

(3)

(4)

(5)

根據(jù)式(3)，可得信號清晰處理后的輸出信號為：

(6)

監(jiān)測信號的矢量清晰程序功能實現(xiàn)流程如圖6所示。

圖6 監(jiān)測信號的矢量清晰程序功能實現(xiàn)流程

3.2 監(jiān)測信號的矢量化穩(wěn)定程序設計

完成監(jiān)測信號的矢量處理后，監(jiān)測信號的清晰度得到了大幅度提升，在矢量信號的基礎上，為保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，設計系統(tǒng)軟件部分設計了矢量化穩(wěn)定程序對其信號進行穩(wěn)定處理[8-9]。監(jiān)測信號的矢量化穩(wěn)定程序設計功能實現(xiàn)主要基于矢量傳感器收集收據(jù)，結合卡爾曼濾波空間的BLDCM模型，對傳感器信號輸出狀態(tài)進行轉移平衡控制，達到穩(wěn)定信號傳輸效果[10]。程序功能實現(xiàn)具體步驟如下所述。

根據(jù)矢量傳感器收集數(shù)據(jù)與矢量狀態(tài)進行數(shù)學建模分析，結合β-χ兩相靜止坐標系上的矢量信號輸出電路方程可寫為：

(7)

式中，Ad=Af=Aw，d代表信號矢量狀態(tài)算子。定義狀態(tài)分量r為：

(8)

根據(jù)矢量信號傳輸狀態(tài)隨時間的變化特征[11]，這個基本的EKF模型在實際應用中是隨時間變化的，可通過線性雅克比矩陣對信號輸出過程中的矢量環(huán)境進行方程描述[12]：

(9)

為了簡化程序計算流程，對矢量電路環(huán)境中的信號電流系數(shù)量nβ、nχ進行去耦降價，獲得雅可比矩陣，矢量信號輸出矩陣與矢量信號狀態(tài)轉移矩陣如下：

(10)

(11)

(12)

(13)

對信號輸出矢量數(shù)據(jù)進行更新，更新步驟如下：

對Wf、Tf、Q0、i進行初始化操作；采集矢量信號輸出電路ns、nm、oβ、oχ的數(shù)據(jù)值；對矢量電路信號電流值nβ(i)、nχ(i)與信號狀態(tài)動勢rβ(i)、rχ(i)進行數(shù)據(jù)導出替換。

4 實驗結果分析

對基于矢量傳感器的無人駕駛車輛信號遠程監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測信號效果進行對比實驗。本文設計的基于矢量傳感器的無人駕駛車輛信號遠程監(jiān)測系統(tǒng)作為系統(tǒng)1，基于基站技術的車輛監(jiān)測系統(tǒng)作為系統(tǒng)2，基于GPS追蹤的車輛監(jiān)測系統(tǒng)作為系統(tǒng)3進行實驗驗證。

4.1 實驗配置

實驗采用系統(tǒng)2和系統(tǒng)3作為對比系統(tǒng)，分別對設計系統(tǒng)50～100 km為半徑范圍內的信號強度與信號連續(xù)性進行對比測試。具體測試步驟如下：

1)將本文設計系統(tǒng)1與兩種對比系統(tǒng)2和系統(tǒng)3接入測試環(huán)境，并統(tǒng)一向參測系統(tǒng)發(fā)送測試車輛位置移動數(shù)據(jù)(車輛位置數(shù)據(jù)為50～100 km為半徑范圍內的移動狀態(tài)數(shù)據(jù))；

2)以30秒為一個數(shù)據(jù)結算單位，連續(xù)記錄參測系統(tǒng)10個單位結算數(shù)據(jù)；

3)對結算數(shù)據(jù)中本文設計系統(tǒng)1與系統(tǒng)2、系統(tǒng)3的信號強度；

4)根據(jù)對比結果得出強度測試結果。

按照上述測試方式，利用相同測試數(shù)據(jù)與環(huán)境，完成3種系統(tǒng)的連續(xù)性測試，并得出結論。

4.2 遠程監(jiān)測信號強度對比實驗

對本文設計系統(tǒng)1與兩種對比系統(tǒng)2、系統(tǒng)3的遠程監(jiān)測信號強度進行對比實驗，其中信號強度dBm的值越大越好，信號強度對比實驗結果如表1所示。

表1 不同系統(tǒng)的遠程監(jiān)測信號強度對比實驗結果

通過對比表1實驗結果發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)1(基于矢量傳感器的無人駕駛車輛信號遠程監(jiān)測系統(tǒng))在測試距離范圍內的信號強度明顯優(yōu)于系統(tǒng)2(基于基站技術的車輛監(jiān)測系統(tǒng))和系統(tǒng)3(基于GPS追蹤的車輛監(jiān)測系統(tǒng))的信號強度，且根據(jù)信號強度值波動范圍來看，本文所設計的基于矢量傳感器的無人駕駛車輛信號遠程監(jiān)測系統(tǒng)的信號強度穩(wěn)定性較好；其原因是所設計的系統(tǒng)1根據(jù)矢量信號的電路電流與矢量電壓狀態(tài)分量，獲得監(jiān)測信號輸出過程中的信號矢量角與穩(wěn)定概率，一定程度上有利于提高遠程監(jiān)測信號強度。

4.3 遠程監(jiān)測信號連續(xù)性對比

對本文設計系統(tǒng)1與兩種對比系統(tǒng)2、系統(tǒng)3的遠程監(jiān)測信號連續(xù)性進行對比實驗，其中信號丟包率越小越好，實驗結果如表2所示。

表2 不同系統(tǒng)的遠程監(jiān)測信號連續(xù)性對比實驗結果

通過對比表2實驗結果發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)1在50～100 km測試范圍內的信號丟包率，能夠穩(wěn)定控制在1.5%以下，相對比系統(tǒng)2和系統(tǒng)3的信號丟包率效果優(yōu)越性明顯，通過信號丟包率能夠側面反映出系統(tǒng)1的信號連續(xù)性。其原因是所設計的系統(tǒng)1完成監(jiān)測信號的矢量處理后，大幅度提升了監(jiān)測信號的清晰度，在矢量信號的基礎上，保證了信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，更有利于降低信號丟包率。

綜上所述，結合對不同系統(tǒng)的信號強度與連續(xù)性對比實驗數(shù)據(jù)綜合分析，可以證明提出的基于矢量傳感器的無人駕駛車輛信號遠程監(jiān)測系統(tǒng)具有提升監(jiān)測信號清晰度，優(yōu)化監(jiān)測信號實時性與連續(xù)行的效果，起到了改進傳統(tǒng)系統(tǒng)，解決信號質量問題的作用。

5 結束語

文章對傳統(tǒng)無人駕駛車輛信號監(jiān)測系統(tǒng)，存在的遠程信號清晰度隨距離基量增加信號衰減，導致的監(jiān)測信號清晰度降低問題，提出了基于矢量傳感器的無人駕駛車輛信號遠程監(jiān)測系統(tǒng)。利用矢量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性，結合矢量傳感器應用技術與矢量傳感器相關算法，對提出系統(tǒng)的軟件與硬件進行了相關設計。通過與兩種不同監(jiān)測系統(tǒng)的信號強度與連續(xù)性數(shù)據(jù)對比，證明了設計系統(tǒng)的可應用性與應用推廣價值。設計系統(tǒng)的提出，為無人駕駛車輛的研發(fā)與控制技術的完善，提供了更多基礎實踐數(shù)據(jù)與解決方案。但是本文研究僅在實驗環(huán)境中進行了測試，實際無人駕駛車輛信號監(jiān)測環(huán)境更為復雜，因此該系統(tǒng)有待進一步研究和分析。對于未來的研究，可就減少事故發(fā)生率，對信號監(jiān)測系統(tǒng)輔助無人駕駛車輛行駛進行研究，提高無人駕駛車輛安全性能。