GTEM室中无人车系统的电磁辐照效应研究_张永强.pdf

Academic Research22SAFETY&EMC No.1 20230引言人工智能与传感器技术迅速发展，无人系统环境适应能力强、风险小、代价低，广泛应用于军用和民用的各个领域，如无人机、无人水面舰艇、无人地面车、无人驾驶汽车等，它们可替代人类完成各种复杂环境下的任务1。与此同时，民用领域的智能化设备不断增多，各种自然因素和人为因素使得无人系统工作的电磁环境异常恶劣，对无人系统的正常运行构成了严重威胁2-3。在军事领域，各军事强国都十分重视无人装备的可靠性和安全性研究，以支持未来智能化战场的需求。国内电摘 要：为验证无人装备的电磁环境适应性问题，在 GTEM 室中用连续波对无人车系统及其传感器组件进行了电磁辐照试验。发现无人车系统整体敏感频率为150MHz、200MHz和250MHz，无人车系统对200MHz的连续波干扰最敏感，到靶场强 24.9V/m 时会发生碰撞。同时给出了敏感频率下传感器的故障场强阈值。被试无人车系统工作日志和传感器数据的分析表明，受电磁干扰影响，无人车系统感知模块会出现激光雷达数据异常、毫米波雷达死机、摄像头传输线缆连接中断等现象，最终造成无人车构建地图异常、异常停止、碰撞等故障。该文为无人装备的电磁防护设计提供了参考，有助于我国智能装备在复杂电磁环境下的安全性研究。关键词：无人车系统；GTEM 室；电磁辐照；连续波引用格式:张永强,沈月健,刘尚合*,等.GTEM 室中无人车系统的电磁辐照效应研究 J.安全与电磁兼容,2023(1):22-26.ZhangYongqiang,ShenYuejian,LiuShanghe*,etal.StudyonElectromagneticRadiationEffectofUnmannedVehicleSysteminGTEMRoomJ.SAFETY&EMC,2023(1):22-26.(inChinese)Abstract：Inordertoverifytheelectromagneticenvironmentadaptabilityofunmannedequipment,electromagneticradiationtestswereconductedontheunmannedvehiclesystemanditssensorcomponentswithcontinuouswaveintheGTEMroom.Itisfoundthattheoverallsensitivefrequenciesoftheunmannedvehiclesystemare150MHz,200MHzand250MHz.Theunmannedvehiclesystemismostsensitivetothecontinuouswaveinterferenceof200MHz,andwillcrashwhenthereachingtargetfieldstrengthis24.9V/m.Atthesametime,thethresholdofsensorfaultfieldstrengthundersensitivefrequencyisgiven.Theanalysisoftheworkinglogandsensordataofthetestedunmannedvehiclesystemshowsthat,undertheinfluenceofelectromagneticinterference,thesensingmoduleoftheunmannedvehiclesystemwillhavethephenomenaofabnormallaserradardata,millimeterwaveradarcrash,cameratransmissioncableconnectioninterruption,etc.,whichwilleventuallycausetheunmannedvehicleconstructionmaptobeabnormal,abnormalstop,collisionandotherfailures.Thispaperprovidesareferencefortheelectromagneticprotectiondesignofunmannedequipment,andishelpfultothesafetyresearchofintelligentequipmentincomplexelectromagneticenvironmentinChina.Keywords：unmannedvehiclesystem;GTEMroom;electromagneticradiation;continuouswaveGTEM 室中无人车系统的电磁辐照效应研究StudyonElectromagneticRadiationEffectofUnmannedVehicleSysteminGTEMRoom1陆军工程大学石家庄校区电磁环境效应国家级重点实验室2河北科技大学信息科学与工程学院张永强1，2 沈月健2 刘尚合*,1 马贵蕾1 满梦华1磁领域专家刘尚合院士多次指出：我国目前的人工智能系统和无人装备在设计、研制、生产中没有考虑恶劣电磁环境下的适应性、特别是非合作方的电磁攻击问题，电磁安全性和可靠性缺乏保障，并指出电磁防护仿生技术将为无人系统的电磁防护设计提供新的思路4。为保障无人系统智能化的持续推进，急需开展无人系统的电磁环境效应研究，提高无人系统在复杂电磁环境下的生存和适应能力。本文选用吉赫横电磁室（GTEM）5产生垂直极化辐射场作为辐射源，对某无人车系统整体及其三种传感器开展连续波辐照下的效应研究，以提升无基金项目：国防科技工业局国防基础科研计划(JCKYS2020DC202)；河北省自然科学基金(F2022208002)；河北省高等学校科学技术研究重点项目(ZD2021048)学术探讨232023 年第 1 期 安全与电磁兼容人车系统在复杂电磁环境下的适应性。1无人车系统无人车是无人系统的一项重要应用，是各个国家争相发展的新兴技术，是一个集环境感知、导航定位、规划决策等功能于一体的综合系统6。1.1 硬件框架无人车系统硬件主要由感知模块、车机模块、控制模块和供电模块组成，如图 1 所示。无人车通过激光雷达（L）、毫米波雷达（M）和摄像头（C）三种传感器感知车辆周围环境，惯性测量单元（IMU）负责测量无人车三轴姿态角及加速度，里程计为无人车系统提供实时的位置信息，车机模块根据环境信息和自身信息下达控制指令，控制模块将控制指令解析后转换成纵向控制（车辆速度）和横向控制（车辆转弯），供电模块负责向感知模块、车机模块、控制模块等硬件供电。1.2 软件框架无人车系统使用全球应用最广泛的机器人操作系统（ROS）开源软件，具有底层设备控制、分布式通信、数据包管理等功能，可记录并查看底层硬件的原始数据和车机模块的工作日志，方便分析故障部位和类型7。使用同时定位与地图构建（SLAM）方法完成无人车系统的定位、路径规划、自主探索等功能7。无人车系统软件框架如图 2 所示，通过扩展卡尔曼滤波器（EKF）算法8将 IMU 数据和里程计数据融合得到最终的里程计数据，使用自适应蒙特卡洛定位（AMCL）算法9获得无人车自身位姿信息。Gmapping 是基于滤波框架的SLAM 方法，GMapping 建图算法根据感知模块探测的环境信息和无人车的位姿信息建立高精度地图。在导航中，使用 A*算法进行全局路径的规划，计算出无人车到目标位置的最优路线，作为无人车的全局路线。在实际情况中，无人车往往无法严格按照全局路线行驶，所以需要 TEB（局部路径规划）算法进行局部规划，针对地图信息和附近随时可能出现的障碍物规划无人车每个周期内应该行驶的路线，通过控制无人车来避免与动态出现的障碍物发生碰撞。2试验系统与方法2.1 试验系统GTEM 室测试系统可用于国际电工委员会（IEC）定义的受试设备辐射发射和电磁辐射敏感度的试验方法，测试结果有效并可重复。与传统开阔场法和电波暗室法相比，GTEM 室测试系统具有重复性强、效率高、成本低和对外界环境要求低等特点，其工作频率可从直流到数吉赫兹，且内部空间大，可用于较大受试设备的试验10。试验系统包括 GTEM 室、信号发生器、功率放大器、定向耦合器、场强计、摄像机、计算机等设备11。信号发生器产生的连续波及其调制信号经功率放大器放大后，通过定向耦合器馈入到 GTEM 室输入端口，最后在 GTEM 室内形成均匀的电磁环境。计算机通过光纤与场强计相连显示 GTEM 室内的场强变化，通过摄像机观察受试设备（EUT）的工作状态，试验装置如 图 3 所示。2.2 试验方法（1）无人车系统整体试验布置：将无人车放置于四周围有障碍物的长方形木板上，试验布置如图 4 所示。图 1 无人车系统硬件组成图 2 无人车系统软件组成图 3 GTEM 室射频连续波辐照试验系统Academic Research24SAFETY&EMC No.1 2023设置无人车在 A 和 B 两点之间来回运动。（2）无人车传感器组件试验布置：对传感器单独进行辐射实验，将激光雷达、毫米波雷达、摄像头传感器依次放置于测试系统的 GTEM 室内，拆除传感器后的无人车放在 GTEM 室外，并通过延长线束连接无人车与传感器，延长线做屏蔽处理以防电磁干扰，试验布置如图 5 所示。其中，激光雷达要先放在图 4 长方形木地板的中心位置，并 360 转动完成四周障碍物的建图；在毫米波雷达和摄像头前 1 m 处设置探测障碍物，并在无人车上位机界面显示点云图，摄像头采集普通图像和深度图像两种视觉信息，深度图像可探测摄像头到前方障碍物的距离。最后在 GTEM 内开启和关闭辐射场两种情况下各做一次试验，形成对照。2.3 试验步骤无人车系统整体及传感器组件试验均按以下步骤进行。（1）每次试验前，EUT 无电磁干扰正常运行 5 min，并保存无人车系统的工作日志和传感器数据；（2）干扰信号为 150800 MHz 的连续波，步长 50 MHz；（3）在设定的频率，设置电磁辐射功率变化范围-30-3 dBm，步长 1 dBm。观察 EUT 工作状态，记录 EUT 发生故障时的相关数据；（4）重复步骤（1）步骤（3），并记录电磁辐射源的频率、功率、场强和 EUT 工作状态。3辐照试验结果与分析3.1 无人车系统整体试验结果无人车系统整体试验使用六种导航模式，见表 1。其中激光雷达和摄像头可单独完成导航功能，毫米波雷达仅支持紧急避障功能。电磁辐射源不同频率下，GTEM 室内，被试无人车六种导航模式的故障场强阈值如图 6 所示，可见无人车在 150 MHz、200 MHz、250 MHz 的故障阈值较低，因此无人车系统整体对这三个频率的电磁辐射源更为敏感。当电磁辐射源频率为 200 MHz 时，到靶场强 24.9 V/m 会造成无人车故障。频率在 300800 MHz 时需要较大功率才会导致无人车故障，并且此时 GTEM 室内场强可以达到 150 V/m，无人车故障是由于高场强。无人车系统不同导航模式下，GTEM 室内连续波的故障场强阈值见表 1。查看被试无人车系统工作日志分析故障原因，系统供电模块工作正常，排除供电问题。在车机模块发布控制命令后控制系统执行正常，但无人车前方有障碍物时，车机模块依旧下达前进指令。通过查看无人车系统传感器数据，激光雷达在到靶场强为 24.9 V/m 的电磁干扰辐射时发生了数据缺失，导致无人车无法正常躲避障碍物。因此，仅使用激光雷达的 L、LC 导航模式，会因激光雷达数据缺失造成碰撞障碍物和构建地图异常。C 导航模式，摄像头若受到 59.7 V/m 的电磁干扰会表 1 敏感频率下无人车的故障场强阈值传感器导航模式场强/（V/m）频率/MHz功率/dBm故障类型激光雷达L24.9200-17.5碰撞摄像头C59.7150-19.8碰撞激光雷达+摄像头LC25.6200-17.2构建地图异常激光雷达