射频识别技术在车路协同技术下的应用外文翻译资料

英语原文共 16 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

射频识别技术在车路协同技术下的应用

摘要：近年来，大量被生产出的汽车受益于智能交通系统（ITS）的研究。 ITS的一个主要示例是汽车巡航控制（CC），其允许汽车保持预定的参考速度，以节省燃料或能量消耗，避免超速罚款，或将所有驾驶员的注意力集中于转向机动车。然而，出人意料的障碍或维修工作的出现会导致精神不集中的驾驶员发生交通事故，所以在会发生速度限制突然变化的道路或城市街道中实现高效的巡航控制是不容易的。在这种通信中，我们提出了一种用于汽车通信的基础设备和智能速控系统，该系统基于道路交通信号识别的射频识别（RFID）技术，以及采用霍尔效应传感器的高精度车速测量。基于I2V基础设施提供信息的传感器融合的模糊逻辑控制器，可以让汽车的速度与道路的环境的有效适配。经验性地检查系统的性能，来获得希望得到的结果。

关键词：汽车传感器；感觉的融合； RFID；无人驾驶汽车

1.介绍

道路交通事故死伤人数是发达国家的主要关注点。最近的研究表明，三分之一的致命或严重事故与过度或不适当的速度，以及道路的变化（如道路工程或意外障碍的存在）有关。减少事故数量和减轻事故后果是交通部门，汽车工业和运输研究组重大关注的问题。一条重要的行动线以使用高级驾驶员辅助系统（ADAS）为主，其是由汽车本身产生的听觉，触觉或视觉信号来向驾驶员传达碰撞的可能性。这些系统有些已经被用在今天的商业汽车中，并且未来的趋势表明，我们将把自动驾驶控制和越来越多的传感器应用在道路基础设施和汽车本身上，来实现更高的安全性。

驾驶员辅助系统的主要示例是巡航控制（CC），其具有恒定地维持在用户预设速度的能力。CC的演变，自适应巡航控制（ACC），增加了CC保持与前车安全距离的能力。这些系统的缺点是它们不能独立地区分道路的直线和弯曲部分，在弯道部分速度必须降低以避免事故。然而，最近开发了使用全球定位系统（GPS）和从地理信息系统（GIS）得到的数字地图所组合的曲线警告系统（CWS），来快速评估驾驶员接近曲线的威胁等级;同样，当汽车速度不合适时，智能速度辅助（ISA）系统使用GPS结合包含速度限制的信息的数字路线图来警告驾驶员。

然而有用的是，这些系统在意外的道路情况下（例如道路施工，道路改道，事故等）不工作，这将需要使用动态生成的数字地图。本文提出的关键思想是使用射频识别（RFID）技术来标记放置在道路危险部分的警告信号。虽然如果可见性差（光不足，天气条件困难或前方汽车阻挡视线），则人的视觉会无法识别交通信号，但是RF信号仍然能可靠地传输。

在过去几年中，RFID技术已经逐渐融入商业运输系统。一个众所周知的例子是基于RFID的高速公路收费系统，其现在常规地在许多国家中使用，例如意大利的Telepass系统或挪威的Autopass系统。其他用途包括监控系统，以避免汽车盗窃，对停车场或私人区域的访问控制，以及将RFID标签嵌入车牌中，使用特殊编码的ID来进行自动汽车检测和识别。在道路车道上放置RFID标签已被提出，这方便在GPS定位可能不可靠的隧道或市中心区域中提供精确的汽车定位。在Seo等人的工作中，汽车的RFID标签用来替代置于道路表面下收集交通数据的感应回路。由RF读取器网络收集的流量的信息随后用于调节城市中的交叉点或关键点处的交通。 Sato等人的工作描述了一种ADAS，其中无源RFID标签布置在靠近实际交通信号位置的道路中。天线放置在汽车后部并靠近地板（因为标签的最大传输距离约为40cm）允许读取存储在标签存储器中的信息，并向驾驶员传送视觉或听觉信息。在低行驶速度（20km / h）下的初始测试显示出良好的结果。

本文描述的工作是AUTOPIA（自主汽车组）和LOPSI（智能系统的本地化和探索）之间的合作，两者都属于自动化和机器人中心（CAR，UPM-CISC）。研究的目的是建立一个用于基础设施和汽车（I2V）通信的传感器系统，其可以传输发生在道路上的主动信号提供的信息以调整汽车的速度，防止碰撞。通过有源信号，我们将结合长距离有源RFID标签和存储在其中的信息的普通交通信号。该信息通过放置在汽车（Citroeuml;nBerlingo电动车）上的RFID传感器实时收集，我们已经改造了这汽车，它可以自动改变其速度以适应道路的情况。特别的是，我们已经实现了汽车纵向速度的模糊逻辑控制算法，其中执行器控制汽车的节气门和制动器以达到并保持给定的目标速度。

本文组织如下。第2节提供了安装在汽车和基础设施中的传感器的描述。这包括RFID交通识别标签和检测器读取器在汽车中的放置;安装在车轮上的差分霍尔效应传感器用于更好的纵向速度控制和DGPS（差分GPS）。第3节讨论系统架构，涵盖传感器数据融合，决策和控制阶段，接下来是第4节中基于模糊逻辑的巡航控制（CC）算法的解释。在我们研究所的测试电路中的系统的实验演示在第5节中进行了描述。本文最后讨论了第6节的结果。

2.传感器系统

在本节中，我们描述了已经安装在汽车（电气Citroeuml;nBerlingo面包车）和基础设施中实现智能速度控制的传感器。传感器子系统是：用于交通信号检测和识别（在基础设施和汽车上）的基于RFID的系统，放置在汽车车轮中用于高精度速度测量的差分霍尔效应传感器，以及差分全球定位系统（DGPS ）来定位汽车并设置我们的控制回路的采样频率。

2.1 射频识别（RFID）传感器

RFID系统包括一组发射器或标签，其周期性地或在询问时发送短数字射频消息，这些消息包含标识码（对每个标签是唯一的）以及一些存储在标签存储器中的数据。这些数据可以通过配备有RFID读取器的计算机远程获得。除了确认在读取器检测范围内存在标签的标签ID之外，RFID读取器测量RF信号的接收信号强度（RSSI），RF信号是标签到读取器范围的指示符。

RFID系统相对于其他可用于基础设施到汽车（I2V）通信的RF技术的主要优点是其低成本和最小的基础设施维护，这导致了高可扩展性和易于部署基础设施。在这项研究中使用的有源RFID标签的种类便宜（每个10-20欧元），可以容易地附接到交通信号并持续至少五年。

对于这个应用，我们选择了由Wavetrend公司提供的RFID设备。我们使用TG800有源标签，每隔1.5秒定期发射识别信号，射频载波频率为433 MHz。这些标签坚固耐用，由自己的电池供电。两个型号的RX-201 RFID读取器放置在计算机控制的汽车的右侧，并且由PC通过串行端口（两个独立的读取器用于冗余，因为偶尔标签检测可能被一个读取器错过）来轮询。 RFID数据在通过以太网连接检测时被发送。方便的是，来自放置在交通信号中标签的RF信号被从足够大的距离检测到，以便可以对汽车进行及时的控制动作。在物理上，RF系统的发射范围受到从发射器直接发射到读取器的波的干扰以及由接地平面反射的波的干扰的限制[Rappaport 1996]。对于大于临界距离的范围，这两个波彼此抵消，并且接收信号强度急剧下降。 RF发射系统的近似的有用范围由下式给出：

d_T=2pi;h_Th_R/lambda; （1）

其中lambda;是RF信号的波长，h_T和h_R分别是发射器和接收器的高度。

从等式1可以看出，将读取器和RFID标签放置在地上尽可能高的位置显然是方便的。在我们的例子中，标签放置在交通信号灯板的地面上2.05米处，读取器位于汽车的一侧，距离地面1.6米和1.4米处。对于0.69 m的波长，这给出了28 m的近似传播距离。实验上，我们发现，信号被可靠地检测到与读取器相距30米，偶尔距离更大。

除了确定交通信号是否在读取器的给定范围内（放置在汽车中），其方向也可能是重要的，因为如果信号背离汽车，信号将不传达汽车的信息，只会传达另一种循环方式的汽车的信息。为了区分信号方向，一个标签被放置在交通信号的前面，另一个标签被放置在后面。图2示出了接收信号强度与（a）交通信号和读取器的距离以及（b）信号的旋转角度的相关性。对信号金属板引起的RF通信波的屏蔽大大衰减了来自其背面的标签的RSSI读数，这在原则上可以确定汽车方向。

车辆上的RFID子系统的操作用图3的框图描述。

配备有RFID标签的普通交通信号传输其识别码，并由汽车上的RFID读取器检测。该信息被传输到PC，PC确定标签ID与数据库中的交通信号之间的对应关系（其还可以包含关于信号所在的区域的地理信息）。该辅助PC通过以太网连接将新的目标速度以及用于汽车控制的其它相关数据传送到主PC。

2.2 差分霍尔效应传感器

本研究中的一个团队（AUTOPIA）在开发控制策略方面具有丰富的经验，这些控制策略可用于大批量生产的汽车，以再现节气门和制动行为。我们团队开发的控制系统有两种：第一种使用控制器局域网（CAN）总线，其提供来自车载传感器的信息作为实际速度;第二个使用来自速度计的信号，但是在这种情况下，精度限于汽车轮子一圈的四个脉冲，这在低速下给出的分辨率不足。两种测量方法取决于已经安装在汽车中的速度传感器的质量，其可能不满足纵向运动的控制要求。

为了获得保证高精度的速度测量传感器，为了使传感器可以便携到任何批量生产的汽车（配备有CAN总线或不具有CAN总线），为了使传感器还能在控制回路中支持高采样频率，因此，新的差分霍尔效应传感器被正式使用了。该传感器连接到一个齿轮，该齿轮连接到我们汽车的一个前轮。传感器的输出使用模拟数字转换器连接到主PC，使我们能够轻松地得知汽车的速度。具体来说，这种新型传感器的优点是：更高的精度（直接与齿轮中的齿数相关），更快的传感器读取时间，与标准设备（USB模拟卡）的兼容性，以及最后增加样品的可能性纵向控制的时间。

考虑到可用的空间，使用具有266mm直径和180齿的齿轮。因此，汽车的覆盖距离（dc）由下式给出：

dc=2pi;r（ ） （2）

其中r是由实验确定的车轮半径，并且脉冲是由霍尔效应传感器计数的脉冲数。 CPU内部时钟用作基准时间来计算汽车的速度。控制周期由DGPS频率设置为10 Hz。控制回路中的误差取决于汽车的速度。在本文所述的试验中，由于我们的测试轨道的限制，直线段的最大速度为30公里/小时，因此道路上的最大误差约为80厘米。对于更高的速度（我们的电动汽车允许的最大速度为90公里/小时），这个误差可以达到2.5米，这是比人类司机小。选择合适的差分霍尔效应传感器所需的最小频率为2.6 kHz。为此应用选择的传感器是Honeywell SNDH-T4L-G01。它具有良好的分辨率和足够的换向频率 - 从0到15 kHz。通过USB连接到笔记本电脑的National Instruments（NI USB-6008）卡，这种卡负责接收霍尔效应传感器产生的脉冲。

2.3 实时运动差分全球定位系统（RTK-DGPS）

用于获取驾驶信息的主要传感器是车载实时运动差分全球定位系统（RTK-DGPS） - Trimble的MS750系统，使用这种系统可以让我们以厘米精度定位汽车。控制回路时间为100 ms，由GPS的频率（10 Hz）给出。由于自主导引超出了本工作的范围，RTK-DGPS仅用于评估智能速度控制器的性能（第5节中描述的实验）。在现实生活中，可以使用具有ISA能力的低成本商用GPS代替上述提出的系统。

3.巡航控制架构的描述

汽车的自动纵向控制分为三个阶段：环境感知（传感器数据获取），决策和控制动作。感知阶段对应于从环境和汽车本身获取信息，并将其传递给控制计算机。有三个感官输入：从在道路上检测到的活动交通信号（这由汽车中的辅助PC执行并通过以太网连接发送到主计算机）的RFID检测;用于获取驾驶信息的车载GPS接收器;以及最后，来自位于汽车的前轮中的一个中的霍尔效应传感器的读数，以及汽车速度的精确估计。

决策阶段负责解释在感知阶段获得的数据，并且分为两个阶段。第一个是副驾驶，其任务是在所有不同的控制器中进行选择。这些控制器 - 所有这些控制器都基于模糊逻辑 - 被设计成考虑纵向控制 - 直道跟踪，弯道跟踪，交叉口或自适应巡航控制中的任何可能的交通状况。第二阶段是导频，由低级控制器组成，其决定哪个是对于每个交通状况的最佳控制器并且生成用于执行器的输出。该阶段分为横向和纵向控制，以评估所提出的系统的行为，仅需要模糊纵向控制器。

后一阶段是执行阶段，其负责来自先前阶段的目标的执行。其功能是使由飞行员产生的输出值适应可应用于执行器（即，节气门和制动踏板）的值。执行器已经被修改为允许汽车的纵向速度/位置的自主控制，但是其侧向位置仍然由驾驶员利用方向盘控制。

3.1 节流自动化

节气门由模拟信号控制，该模拟信号表示由I / O数字模拟CAN卡产生的踏板上的压力。开关用于在油门踏板的原始电路和自主系统之间转换。我们使用NI USB-6008国家仪器卡来解码速度，直接从霍尔效应传感器，建立对应于模拟CAN卡推动油门踏板期望水平的模拟值。

3.2 制动自动化

制动动作是最关键的，因为它必须能够在自主系统故障的情况下停止汽车。为了可靠性和安全性，我们安装了一个电动液压制动系统与汽车制造商提供的原始制动系统并联。两个梭阀连接到制动系统的输入端，以保持两个回路独立。每个阀允许自由浮动金属球从两个入口端口中的任一个流动到公共出口，所述自由浮动金属球根据两个入口处的相对压力来回往复运动。其中一个入口连接到电液制动系统，另一个连接到原液压制动系统。这些阀允许两个制动系统共存，但彼此独立。

系统中安装了一个120巴压力的限制管，以避免损坏回路。安装了两个阀门来控制系统：调节施加压力的压力控制电比例导阀，以及滑阀方向阀，用于数字信号控制电液系统的启动。这两个阀通过与节流阀相同的I / O数字模拟CAN卡控制。

4.智能速度控制器

当涉及到设计一个车速控制器

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[613351]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word