4G網(wǎng)絡(luò)在無(wú)人駕駛智能車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)上的應(yīng)用

譚寶成，曹國(guó)浩

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西西安710032）

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是具有尖端科技領(lǐng)域的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和其它應(yīng)用領(lǐng)域的有機(jī)結(jié)合。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)所涉及的核心技術(shù)中，數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是最關(guān)鍵技術(shù)，它決定了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和容錯(cuò)性[1]。4G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展改變了通信網(wǎng)絡(luò)的格局，傳輸速度快，已成為網(wǎng)絡(luò)通信首選的目標(biāo)。

1 無(wú)人駕駛智能車監(jiān)控系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由無(wú)人駕駛智能車（數(shù)據(jù)終端）、服務(wù)器、控制端和監(jiān)視端組成[2]，采用服務(wù)器端和客戶端模式。工作原理是無(wú)人駕駛智能車通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)把車上的信息傳送到服務(wù)器上，于此同時(shí)服務(wù)器會(huì)把無(wú)人車的信息通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)視端和控制端，控制端的操作人員根據(jù)信息對(duì)無(wú)人駕駛智能車做出相應(yīng)的操作。圖1顯示了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)。

在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，無(wú)人駕駛智能車的信息主要由慣導(dǎo)（GPS）定位出無(wú)人車的航向、速度、經(jīng)緯度，方向盤上的編碼器采集車方向的偏轉(zhuǎn)角度，無(wú)人車上的攝像頭采集圖像信息和傳感器判斷障礙物、路沿和電池信息。

2 無(wú)人駕駛智能車網(wǎng)絡(luò)通信功能

1）網(wǎng)絡(luò)通信的選擇

當(dāng)今社會(huì)高速發(fā)展，人們的要求也普遍變高。在中國(guó)很多地方，有線傳輸變得相當(dāng)困難，而且費(fèi)用比較昂貴。無(wú)線代替有線傳輸已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，并且無(wú)線傳輸靈活。無(wú)線傳輸?shù)姆N類比較繁多[3]，例如，紅外線、藍(lán)牙、現(xiàn)在熱衷的WIFI、UWB、Zigbee這些無(wú)線傳輸適合短距離傳輸，傳輸速度快，其中UWB傳輸速度可達(dá)數(shù)百M(fèi)bps，這些只適合我們?cè)谛》秶褂谩６鵁o(wú)線數(shù)傳電臺(tái)、GSM、GPRS和3G傳輸距離較遠(yuǎn)，無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)可傳輸十幾公里，但是成本高、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。GSM、GPRS和3G無(wú)線傳輸?shù)木嚯x就非常遠(yuǎn)，只要是基站覆蓋到的地方都可通信。三者中3G網(wǎng)絡(luò)傳輸速度最快，可達(dá)到2 Mbps，但是我國(guó)3G面臨著致命的缺點(diǎn)：就是移動(dòng)無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的空中接口不統(tǒng)一，易造成通訊混亂。4G網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)稱第四代移動(dòng)通信及其技術(shù)，它融合了3G和WLAN，可以傳輸高質(zhì)量的視頻圖像，且圖像的高清質(zhì)量和程度與我們?cè)诩依锟锤咔咫娨晥D像相同；它下載、上傳和上網(wǎng)速度都比較快，其中下載速度可達(dá)到100 Mbps，上網(wǎng)速度比撥號(hào)上網(wǎng)快2 000倍，上傳速度達(dá)20 Mbps；它還可以滿足不同用戶的各種不同需求[4]。無(wú)人駕駛智能車在馬路上行駛時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一些障礙物或者故障。如果及時(shí)把信息傳送并最終顯示在監(jiān)視端和控制端上，控制端的操作人員便可以及時(shí)地對(duì)無(wú)人駕駛智能車做出決策，從而避免一些問(wèn)題的產(chǎn)生。在信息傳送過(guò)程中，根據(jù)4G的特點(diǎn)，可以達(dá)到上述要求。綜合對(duì)比，本文無(wú)人駕駛智能車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)選用4G網(wǎng)絡(luò)。

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Principle structure of remote monitoring system

2）網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

本系統(tǒng)是在Winsock控件下進(jìn)行VB編程，TCP和UDP是目前眾多通信協(xié)議中使用最為廣泛地傳輸協(xié)議。TCP協(xié)議允許創(chuàng)建和維護(hù)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的連接，連接之后，計(jì)算機(jī)之間就可以把數(shù)據(jù)當(dāng)作一個(gè)雙向字節(jié)流進(jìn)行交換，數(shù)據(jù)傳輸完成后，還要關(guān)閉連接，安全性比較高。UDP協(xié)議是一個(gè)面向無(wú)連接的協(xié)議，計(jì)算機(jī)并不需要建立連接，它為應(yīng)用程序提供一次性的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，不提供差錯(cuò)恢復(fù)，不能提供數(shù)據(jù)重傳，傳輸數(shù)據(jù)安全性較差。我們?nèi)粘Ｊ褂玫腝Q軟件就是UDP協(xié)議，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)接收不到信息的問(wèn)題。鑒于無(wú)人駕駛智能車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸安全性高的要求，本系統(tǒng)選用TCP協(xié)議。

3）網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)根據(jù)VB語(yǔ)言中Winsock控件的屬性、方法、事件以及4G網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)客戶機(jī)端與服務(wù)器端之間的通信。服務(wù)器端程序有3個(gè)winsock控件，分別對(duì)應(yīng)于無(wú)人車程序上的winsock控件、監(jiān)視端程序上的winsock控件和控制端程序上的winsock控件。服務(wù)器端識(shí)別客戶機(jī)信息主要是客戶機(jī)的端口號(hào)。

連接的工作原理是：首先打開(kāi)服務(wù)器端程序，服務(wù)器會(huì)不停地監(jiān)聽(tīng)客戶端的請(qǐng)求，一旦客戶端向服務(wù)器端發(fā)出連接請(qǐng)求，服務(wù)器就會(huì)識(shí)別客戶端的端口號(hào)，識(shí)別完成后，就會(huì)建立連接，于此同時(shí)服務(wù)器與客戶機(jī)之間建立了一條通信信道，直到關(guān)閉為止。如果無(wú)法識(shí)別，服務(wù)器就會(huì)關(guān)閉。連接成功后，便可以發(fā)送接收數(shù)據(jù)?？蛻魴C(jī)指的是監(jiān)視端、控制端和無(wú)人駕駛智能車。圖2顯示了服務(wù)器與客戶機(jī)連接流程圖。

發(fā)送接收工作原理：首先客戶機(jī)向服務(wù)器發(fā)送連接請(qǐng)求，一旦服務(wù)器響應(yīng)了客戶機(jī)發(fā)送的連接請(qǐng)求時(shí)，就會(huì)觸發(fā)服務(wù)器中ConnectionRequest事件，這樣就創(chuàng)建了連接。連接成功后，客戶機(jī)便可以向服務(wù)器發(fā)送信息，于此同時(shí)服務(wù)器會(huì)根據(jù)端口號(hào)的信息判斷是無(wú)人駕駛智能車端的信息還是控制端信息，并將信息分別保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，監(jiān)視端只接收信息。圖3顯示了服務(wù)器與客戶機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖[5]。

圖2 連接流程圖Fig.2 Connection diagram

3 無(wú)人駕駛智能車遠(yuǎn)程監(jiān)控界面

本系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程監(jiān)控，傳輸?shù)男畔〝?shù)字信息和圖像信息。遠(yuǎn)程監(jiān)視端界面包括數(shù)字信息界面和圖像信息界面。圖4顯示的數(shù)字信息界面，圖5顯示圖像信息界面[6]。

在無(wú)人駕駛智能車運(yùn)行時(shí)，4G網(wǎng)絡(luò)會(huì)將車輛、障礙物信息以及圖像視頻信息傳給遠(yuǎn)處的監(jiān)視端，遠(yuǎn)處監(jiān)視端的操作人員了解信息后，做出相應(yīng)的判斷。圖6為遠(yuǎn)程控制界面。

4 4G網(wǎng)絡(luò)傳輸問(wèn)題和分析

圖4 數(shù)字信息界面Fig.4 Digital information interface

圖5 圖像信息界面Fig.5 Image information interface

圖6 遠(yuǎn)程控制界面Fig.6 Remote supervision interface

由于圖像采集的信息量非常大，4G網(wǎng)絡(luò)在傳輸上會(huì)出現(xiàn)延時(shí)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)測(cè)試，延時(shí)大概在1.5 s，而3G網(wǎng)絡(luò)大概在3 s，當(dāng)然這跟測(cè)試的環(huán)境有關(guān)。數(shù)字采集就不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)問(wèn)題。無(wú)人駕駛智能車在公路上行駛時(shí)，會(huì)出現(xiàn)跟車、超車、轉(zhuǎn)彎（彎道行駛）和停車的情況。跟車時(shí)，即使出現(xiàn)延時(shí)也不會(huì)有啥問(wèn)題，我們會(huì)根據(jù)車與車之間的距離信息做出車速和方向盤的調(diào)整，始終與其他車輛保持在安全間距范圍。超車時(shí)，我們會(huì)先根據(jù)前后方車的信息做出判斷，是決定超車還是繼續(xù)跟車，當(dāng)符合我們?cè)O(shè)定的超車程序時(shí)，無(wú)人駕駛智能車就會(huì)做出超車反應(yīng)并進(jìn)行超車，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)大問(wèn)題。轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)控端的操作人員不能及時(shí)看到轉(zhuǎn)彎信息，很容易出現(xiàn)事故。這時(shí)，我們會(huì)從道路上采集的信息作出判斷，那就是在無(wú)人駕駛智能車快要進(jìn)入彎道時(shí)，我們會(huì)在程序上做出提前轉(zhuǎn)彎的判定而不是等到進(jìn)入彎道才轉(zhuǎn)彎，這樣就可以避免因網(wǎng)絡(luò)延時(shí)造成的事故。停車時(shí)，主要靠sick采集車與前方的距離以及UTM采集公路旁的邊沿距離，達(dá)到我們程序上設(shè)定的的停車距離，無(wú)人駕駛智能車就會(huì)自動(dòng)停車。由于采集的是數(shù)字信息，不會(huì)出現(xiàn)延時(shí)現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

4G網(wǎng)絡(luò)在無(wú)人駕駛智能車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)上的應(yīng)用融合各方面技術(shù)資源對(duì)它進(jìn)行管理、診斷和數(shù)據(jù)分析，節(jié)省了大量的人力、物力和財(cái)力。由于4G網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)階段技術(shù)還不太成熟，覆蓋范圍還不是很廣，無(wú)人駕駛智能車在使用上還有一定的局限性。預(yù)計(jì)不久的將來(lái)4G無(wú)線通訊技術(shù)的不斷普及和完善，更多低碼率、高品質(zhì)的圖像壓縮技術(shù)也將產(chǎn)生，這使得無(wú)人駕駛智能車監(jiān)控系統(tǒng)的性能不斷的得到提高和完善，那時(shí)無(wú)人駕駛智能車會(huì)更加靈活、可靠和安全，必定會(huì)有一番光明的前景。

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