傳統(tǒng)的自動駕駛車輛主要依靠2種方式進行導(dǎo)航：機器視覺導(dǎo)航，如文獻[1—2]中的視覺導(dǎo)航自主車，此種導(dǎo)航方式與人類通過眼部感知、處理外界信息雷同，但受限于黑夜、低能見度等情形下的光照條件，地埋磁體導(dǎo)航，如文獻[3]中基于磁道釘導(dǎo)航的智能車路系統(tǒng)。此方式在克服諸如光照等外界干擾因素方面具有優(yōu)勢，但面對復(fù)雜的交通環(huán)境時，其地面有效信息不全的弱點逐漸突顯。射頻識別技術(shù)(radio frequency identification，RFID)是利用射頻信號通過空間耦合實現(xiàn)信息無接觸傳輸，從而達到身份識別目的的一種新興技術(shù)?，F(xiàn)行的RFID技術(shù)仍主要應(yīng)用于身份識別領(lǐng)域，為此，采用遵循IS014443標準的RFID硬件模塊，并選用與之匹配的道路仿真模型和車輛模型建立比例微縮模擬試驗裝置，為方便研究試驗工作在此裝置上展開。

1 RFID 導(dǎo)航原理及工作流程

　　利用地面信息發(fā)射裝置導(dǎo)航的車輛自動駕駛系統(tǒng)工作示意如圖1所示。

　　RFID作為導(dǎo)航設(shè)備在車輛自動駕駛中的工作原理及流程如下：(1)車輛在運行過程中，車載RFID讀寫器將設(shè)定數(shù)據(jù)的無線電載波信號經(jīng)發(fā)射天線實時向外發(fā)射；(2)當埋設(shè)在地表的RFID無源標簽進入讀寫器發(fā)射天線的工作區(qū)時會被激活，隨即將自身所含信息代碼(如位置信息、前方道路線形信息等)同樣以無線電載波信號經(jīng)天線反向發(fā)射回去；(3)車載接收天線接收到RFID標簽發(fā)出的載波信號經(jīng)射頻處理模塊處理后傳至RF1D讀寫器，讀寫器對接收的信號進行解調(diào)解碼后送至后臺計算機；(4)后臺計算機根據(jù)標簽數(shù)據(jù)庫查詢以及邏輯運算判斷該RFID標簽的合法性，驗證通過后讀取后續(xù)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出車輛橫向偏移等輸人參數(shù)，然后根據(jù)控制算法發(fā)出控制車輛執(zhí)行機構(gòu)的指令信號；(5)指令信號經(jīng)下位機單片機處理后通過接口電路通知車輛執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動車輛進行橫向和縱向控制操作，整個車輛自動駕駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 模擬試驗裝置的設(shè)計

　　2．1 導(dǎo)航設(shè)備與仿真車輛

　　試驗裝置的設(shè)計中，作為導(dǎo)航設(shè)備的RFID硬件模塊將嵌入在實時仿真循環(huán)中，該硬件模塊采用Philips RF RC500作為讀寫器芯片，遵循ISO14443標準中定義的Type A通信協(xié)議，即發(fā)送載波信號時采用改進的Miller編碼方式，調(diào)制深度為100 的幅度鍵控(ASK)信號。天線采用印刷電路板內(nèi)置線圈，尺寸為55 mm×40 mm，RFID標簽選用無源式圓形智能卡，內(nèi)含IC芯片和LC諧振回路，直徑為18 mm 所示．讀寫器與標簽通信速率為106 kB，載波頻率為13．56MHz，感應(yīng)距離約為50 mm，符合微縮條件下信號傳輸?shù)目煽啃砸蟆?

　　車輛實體為電動車輛模型，微縮比例1：10，其縱向控制采用后置動力四輪驅(qū)動，驅(qū)動電機為7．2 V直流微型電機，橫向控制選用6 V舵機控制仿真車輛轉(zhuǎn)向傳動系。系統(tǒng)上、下位機均安裝在仿真車輛中，下位機中央處理單元為AT89S5x單片機，主要職責為：(1)控制RFID硬件模塊定時向地面發(fā)送以及接收RFID無源標簽反射回來的載波信號；(2)將讀寫器芯片處理過的標簽信息上傳至上位機，以及接收上位機下傳的仿真車輛控制指令；(3)根據(jù)上位機下傳控制指令控制車輛模型。上位機主體為工業(yè)控制機主板，可配置CPU、內(nèi)存及硬盤等，實測試驗時可將顯示器、鼠標及鍵盤等外部設(shè)備移除．上位機主要負責將接收到的各種信息進行運算決策，然后下發(fā)控制指令控制車輛模型運行，上下位機通過RS232串口協(xié)議通信，可充式鋰電池為仿真車輛整體供電。

　　2．2 仿真道路

　　供車輛行駛的道路是一系列平直線、圓曲線和緩和曲線的組合，在微縮條件下，仿真道路的設(shè)計忽略道路起伏和坡度等因素，利用若干RFID無源標簽在試驗場地內(nèi)進行有序排列可形成道路。某段仿真道路示意圖如圖3所示，不同道路線形采用不同的方式進行標簽圈圍。對于平直道路上的車輛，其轉(zhuǎn)向機構(gòu)保持零偏轉(zhuǎn)，車輛保持直線行駛，RFID無源標簽沿平直道路兩側(cè)邊緣依次埋設(shè)；當車體與道路邊緣斜交時，位于車輛前方的RFID硬件模塊天線感應(yīng)并接收RFID無源標簽發(fā)出的位置信息，結(jié)合上次“碰邊”位置(如未曾“碰邊”，P‘_card則為道路入口標簽位置信息)，得出車體方位角，仿真車輛再根據(jù) ，以及在進入道路時讀取到的標簽信息時得到的該道路出口位置信息，得出仿真車輛從即刻起至t時刻的前輪轉(zhuǎn)角 ( t)．在平直道路上發(fā)生“碰邊”時，仿真車輛車體方位角 及前輪轉(zhuǎn)角 計算公式為

　　式中： 為車輛方位角修訂值；K為感應(yīng)順序；Ⅱ為平直道路方向角，與車輛所在平直道路相關(guān)并在進入時獲??；t在車輛感應(yīng)到RFID無源標簽后開始計時；K₁，K ₂為車輛方位角與平直道路方向角誤差調(diào)節(jié)系數(shù)，在實驗測試過程中調(diào)節(jié)。另外，設(shè)定RFID無源標簽在平直道路橫向距離w 小于車輛兩前輪之間距離；縱向間距D根據(jù)道路限速在實測中調(diào)整。

　　仿真道路的曲線部分兩側(cè)不埋設(shè)RFID無源標簽，只在進入與駛出曲線部分埋設(shè)，此標簽可與平直道路的進出口標簽重合，因而仿真道路的曲線部分可由平直部分首尾拼接而成，如圖3所示，在作為曲線道路后方的平直道路出口處，RFID無源標簽既要向車載讀寫器發(fā)送平直道路出口位置信息，又要發(fā)送諸如曲率半徑R等隸屬于曲線道路的信息，在曲線道路出口處，即前方平直道路進口處同樣如此，仿真車輛在各拼接處讀取并處理RFID無源標簽發(fā)出的信息后，將前輪轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)至△值，其計算方法如下。

　　式中：為仿真車輛前后輪傳動軸長； 為基于車速的調(diào)節(jié)系數(shù)，用以補償車輛因速度變化引起的誤差。

　　2．3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　仿真車輛的下位機采用帶有單片機系統(tǒng)的RFID硬件模塊，本身帶有RS232串口通信接口方便與上位機通信，執(zhí)行機構(gòu)中的驅(qū)動電機由電機驅(qū)動控制芯片L298管理，正反轉(zhuǎn)動及使能信號采用TTL電平驅(qū)動；舵機控制端亦可直接由TTL電平驅(qū)動。下位機系統(tǒng)軟件主要實現(xiàn)RFID標簽信息傳遞以及車輛控制信息解析與執(zhí)行，上位機系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法進行構(gòu)建，其系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　上位機系統(tǒng)軟件各個模塊功能如下：(1)初始化模塊，對軟件各初始變量進行賦值，并初始化數(shù)據(jù)庫管理模塊、串口通信模塊；(2)數(shù)據(jù)庫管理模塊，對存儲在數(shù)據(jù)庫文件內(nèi)的RFID無源標簽信息進行查詢、調(diào)用，對修改過的標簽信息進行管理；(3)圖形顯示模塊，在初始化過程中對初始變量進行賦值顯示，在軟件執(zhí)行過程中，動態(tài)圖形化顯示某些關(guān)鍵變量的變化過程；(4)串口通信模塊，在執(zhí)行過程中單獨使用一個線程，時刻偵聽下位機上傳的標簽信息，在控制計算模塊完成處理后，將控制指令下發(fā)；(5)控制計算模塊，根據(jù)變量初值形成控制策略，對偵聽到的信息進行處理后查對數(shù)據(jù)庫中該標簽的完整信息，生成對應(yīng)控制指令并通過圖形顯示模塊顯示，最后通知串口通信模塊下發(fā)。

3 場地試驗

　　3．1 直道保持試驗

　　在室內(nèi)平整地面上，將RFID無源標簽按橫向距離w 為0．22 m、縱向間距D為0．1 m進行鋪設(shè)，形成平直道路，進出口處擺放標簽個數(shù)橫向均勻緊密鋪設(shè)，試驗采用間隔為0．055 m埋設(shè)一個，仿真車輛在不同車速V條件下在平直道路上行駛，在“碰邊”后修正前輪轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)值以保持車輛位于平直道路中間區(qū)域，仿真車輛前輪轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)值與時間t之間的對應(yīng)關(guān)系如圖5所示。

　　由圖5中可知車輛越靠近車道出口處，其前輪轉(zhuǎn)角變化率越大，這與實際駕駛車輛過程中轉(zhuǎn)向空間越小，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤的速度越快的情形相一致，對比圖5a)與圖5b)可知當車輛速度增高后，車輛“碰邊”次數(shù)增多，且“碰邊”后的調(diào)整時間與上一次相比有所減少，而用于調(diào)整車體的前輪轉(zhuǎn)角絕對值則有所增大。

　　3．2 彎道轉(zhuǎn)向試驗

　　彎道轉(zhuǎn)向試驗基于前述直道保持試驗，彎道半徑R設(shè)置為0．4 m，為保障車輛順利完成轉(zhuǎn)彎動作，可在車輛可能經(jīng)過的途中埋設(shè)無源芯片通知其校正并更新自身前輪轉(zhuǎn)角。記錄仿真車輛在轉(zhuǎn)彎過程中的前輪轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)值△與時間t之間對應(yīng)關(guān)系如圖6所示，仿真車輛在直道上保持并平穩(wěn)行駛至出口處，此時車載RFID讀寫器天線感應(yīng)到標簽為出口標識，即可根據(jù)式(2)將前輪轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)至與彎道R相應(yīng)的△值通過彎道．在前輪轉(zhuǎn)角保持為△值的過程中，車載RFID讀寫器天線感應(yīng)到平直道路人口標簽信息即認為進入下一平直道路并將其前輪轉(zhuǎn)角復(fù)位，保持直道行駛狀態(tài)。

4 結(jié)束語

　　利用模擬試驗裝置在室內(nèi)場地開展基于RFID的車輛自動駕駛系統(tǒng)試驗，不僅能快速構(gòu)建試驗方案，減少成本，而且能保障人員安全，其試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果的直觀性或可信度也高于一般意義上的數(shù)字仿真。值得注意的是，僅依靠模擬試驗裝置測試得出的原型系統(tǒng)不能直接移植至實車自動駕駛系統(tǒng)中的，該模擬試驗裝置主要用于車輛自動駕駛控制及其車路交互信息等模型的建立與測試，由此可推知，提高模擬試驗裝置內(nèi)仿真車輛的控制精度，RFID作為導(dǎo)航手段的可靠度，道路標簽埋設(shè)的合理性，以及制定車輛自動駕駛試驗方案標準流程和規(guī)范等，是提高整個模擬試驗裝置效益的有力舉措，以上工作將在后續(xù)研究中展開。