無人駕駛汽車關鍵技術研究.doc

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無人駕駛汽車的關鍵技術研究 摘要：對無人駕駛汽車及其關鍵技術進行了研究。概括性描述了無人駕駛汽車的定義、意義及國內外研究現狀，論述了無人駕駛汽車中應用到的環(huán)境感知、障礙規(guī)避、路徑規(guī)劃、車輛控制等關鍵技術，詳細論述了自動避障系統(tǒng)的數據采集、數據處理、數據執(zhí)行模塊從而闡明了其工作原理及工作過程，對無人駕駛汽車的未來做出了合理展望。 關鍵詞：無人駕駛汽車；自動測距；自動避障 Key Technology Research of Driver-less Car Abstract：Abstract: The driver-less car and its key technologies are studied. General description of the definition , significance and research status at home and abroad of unmanned vehicles, discusses the application of key technology in unmanned vehicles like environmental awareness, obstacle avoidance, path planning and vehicle control. The automatic collision avoidance system of data acquisition, data processing, data execution module are discussed in detail which clarify its working principle and working process, in addition to make a reasonable future prospects of the unmanned vehicle. Key words：driver-less car; automatic location; automatic obstacle avoidance 1 引言 隨著社會的進步，汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，如今越來越多的普通家庭都擁有了汽車，這使得全世界汽車保有量飛速增加。汽車一方面讓我們的出行變得更加方便快捷，另一方面卻也給我們的生活帶來了諸多不利，汽車造成的交通事故、交通堵塞給人類帶來了極大的生命與財產損失。在這樣的背景之下無人駕駛汽車橫空出世，無人駕駛汽車集成了大量最頂尖的科學技術，使汽車能夠做到完全的無人駕駛，并保證絕對的行車安全，無人駕駛汽車一定會在不久的將來得到廣泛的普及。 2 無人駕駛汽車概述 2.1 無人駕駛汽車定義 國際標準化組織ISO、美國汽車工程師學會SAE、中國國標GB等國內外權威機構均未給出無人駕駛汽車的確切定義。通過中外學者對無人駕駛汽車認識的總結可以大致得出無人駕駛汽車的定義，無人駕駛汽車是在傳統(tǒng)汽車基礎之上發(fā)展起來的，通過給車輛裝備智能軟件和多種感應設備，包括車載傳感器、雷達、GPS以及攝像頭等，實現車輛的自主安全駕駛，安全高效地到達目的地并達到完全消除交通事故的目標，是集自動控制技術、傳感技術、人工智能技術、視覺計算等眾多技術于一體的新型智能汽車，是計算機科學、模式識別和智能控制技術高度發(fā)展的產物。 2.2 無人駕駛汽車意義 研究表明，有70%的交通事故是由于人們自己的原因照成的，汽車智能化、自動化程度越高人類參與駕駛的程度越少，汽車就越安全。近些年來發(fā)展起來的各種先進技術如ABS防抱死系統(tǒng)、TCS牽引力控制系統(tǒng)、倒車雷達系統(tǒng)、自適應巡航系統(tǒng)等，這些技術一方面使人們對汽車的操控越來越簡化，同時也使汽車變得越來越安全。無人駕駛汽車從根本上解決了這一問題，無人駕駛汽車車頂上裝有俯視攝像頭——汽車的“眼”[3]，它能自動識別路面上的白黃線及交通標識，從而準確判斷行車方向與汽車所處方位。汽車前方安裝有激光測距儀及雷達，它時刻掃描著車周圍環(huán)境，比如汽車前、后方車輛的位置與行車狀況，路上行人、障礙物等，這就像汽車有了嗅覺靈敏的“鼻”。另外，無人駕駛汽車有著強大的計算機系統(tǒng)，能夠隨時高效的處理汽車各個傳感器發(fā)送過來的信息，這又是無人汽車的“大腦”。 機器出錯的機會是小于人腦的，并且速度更快反應更加靈敏，也不會受到天氣、環(huán)境的影響，避免了一切由于人為因素所造成的交通事故。另外，無人駕駛汽車能夠準確的識別交通信號燈與路面標識并嚴格按預設程序執(zhí)行，故在城市擁堵道路上行駛更加規(guī)范從而避免了交通堵塞的發(fā)生。 2.3 國內外研究狀況 2.3.1 國外研究狀況 美國是世界上研究無人駕駛車輛最早、水平最高的國家之一[1]。早在20世紀80年代，美國就提出自主地面車輛計劃，這是一輛8輪車，能在校園的環(huán)境中自主駕駛，但車速不高?？突仿〈髮W、麻省理工學院等都先后于20世紀80年代開始研究無人駕駛車輛。1995年美國卡耐基梅隆大學研制的無人駕駛汽車,完成了橫穿美國東西部的無人駕駛試驗。在全長5000km的美國州際高速公路上，整個實驗96%以上的路程是車輛自主駕駛的，車速達50~60km/h。 德國于1987年研制成功的無人駕駛汽車VaMoRs-M，在號稱世界上最規(guī)范的德國高速公路上進行了無人駕駛實驗。在德國軍方的護送車隊及直升飛機的保障下，它創(chuàng)下了97km/h的最高時速。隨后的幾年，德國國防軍大學的VaMoRs-M系列無人駕駛汽車一直保持著無人駕駛車輛研究領域時速上的世界紀錄。 日本豐田汽車公司在2000年開發(fā)出無人駕駛公共汽車。這套公共汽車自動駕駛系統(tǒng)主要由道路誘導、車隊行駛、追尾防止和運行管理等方面組成。安裝在車輛底盤前部的磁氣傳感器將根據埋設在道路中間的永久性磁石進行導向，控制車輛行駛方向[5]。 2010年谷歌公司研制的無人駕駛車輛開始了城市道路的行駛測試，截止2012年8月8日，這些無人駕駛汽車已經安全行駛了30萬英里超過了大部分普通轎車的生命周期，如圖2-1所示。2012年，美國內華達州機動車輛管理局為一輛搭載谷歌智能駕駛系統(tǒng)的汽車頒發(fā)了牌照，使得無人駕駛汽車開始真正駛入普通人的視線。 圖2-1 谷歌無人駕駛汽車 2.3.2 國內研究狀況 我國無人駕駛汽車研究開始較晚[2][3]，步伐較之歐美國家也略為落后。1980年，“遙控駕駛的防核化偵察車”由國家立項1989年，我國首輛智能小車在國防科技大學誕生1992年，2000年4月，國防科技大學研制的第4代無人駕駛汽車試驗成功。 2003年，在中國第一汽車集團公司的贊助下，國防科技大學完成的紅旗旗艦CA7460無人駕駛平臺試驗，標志著我國第一輛自主駕駛汽車的誕生。2011年7月14日，國防科技大學研制的紅旗 HQ3無人駕駛汽車（如圖2-2所示），首次完成了從長沙到武漢289km的高速全程無人駕駛試驗。 2012年12月，由軍事交通學院研制的無人駕駛智能汽車，從北京臺湖收費站啟程，用一個小時左右到達天津東麗收費站，全程行駛114km成功完成高速公路測試，成為我國第一輛官方認證完成高速公路測試的無人駕駛智能汽車。 圖2-2 國防科大無人駕駛車輛-紅旗HQ3 3 無人駕駛汽車關鍵技術 無人駕駛汽車研究之關鍵主要可以分為兩大類技術[4]，一種是車輛定位技術，一種是車輛控制技術。 3.1 環(huán)境感知 無人駕駛汽車由于無人操縱汽車，故無人汽車上必須裝備一整套完備的環(huán)境感知模塊[6]，這個模塊要能夠完美的替代人類的眼、耳，并且采集、傳輸信號快速迅捷?，F今具有代表性的無人駕駛汽車對周圍環(huán)境的感知主要是以測距傳感器及視覺（攝像頭）相結合。例如谷歌無人駕駛汽車就是通過攝像機、雷達傳感器和激光測距來“看到”其他車輛。現著重介紹在各個無人駕駛汽車上廣泛使用的超聲波測距及激光雷達測距。 3.2 障礙規(guī)避 如今汽車不停的朝著智能化、高速化發(fā)展，特別是在高速公路上，汽車時速超過120公里非常平常，這樣一旦發(fā)生事故，留給人們的反應時間就非常短暫。有統(tǒng)計顯示，汽車追尾占高速公路交通事故的絕大多速，高速公路連環(huán)追尾事故也時有發(fā)生。究其根源，這往往就是車速過快，人的大腦、身體來不及反應所造成的，汽車自動防碰撞系統(tǒng)就是為了解決這一問題而問世的。無人駕駛汽車是高度的智能化汽車，它所具備的自動避障能力也是在現有的自動防撞系統(tǒng)基礎之上發(fā)展起來的。 汽車自動防撞報警剎車系統(tǒng)的總體方案設計包括數據采集、數據處理、動作執(zhí)行[8]三個部分。數據采集模塊的任務就是采集各種要實現自動防撞的數據，數據處理模塊的任務是分析汽車前方是否存在危險并發(fā)出相應的報警或剎車命令，動作執(zhí)行模塊的任務是具體執(zhí)行報警或強行剎車的動作。 3.2.1 數據采集模塊 要想實現汽車的自動規(guī)避障礙，汽車必須能夠獲得大量的汽車行車狀態(tài)、位置等一系列數據，比如本車的車速、輪速、縱向加速度、橫擺角速度、轉向角等，本車與周圍車輛的相對速度、加速度、距離，本車與周圍環(huán)境內物體的距離等等。這些數據可以由各類傳感器、攝像頭、雷達等設備獲得[9]。這里列舉出了一些必備傳感器及其常見安裝位置，見表3-1。 表3-1傳感器及其安裝位置 傳感器名稱 常見安裝位置 輪速傳感器 車輪總成的非旋轉部分 加速度傳感器 汽車發(fā)動機或行李箱內 距離傳感器 發(fā)動機蓋上前側 轉向角傳感器 轉向軸管上 制動動作傳感器 制動踏板支架處 3.2.2 數據處理模塊 （1）數據處理流程 為了合理的實現汽車自動報警剎車，可以采用單片機處理數據，數據處理流程如圖3-1所示。汽車自動報警剎車系統(tǒng)啟動后，首先判斷汽車絕對速度是否大于20km/h，因為汽車低速行駛時一般不會發(fā)生交通事故，這個閥值也可以根據實際情況修正[9]。如果汽車速度大于20km/h，則判斷汽車以目前的速度行駛，將會發(fā)生碰撞的時間是否是小于4秒，如果是，則計數N值加1，當N大于5時，啟動強行剎車。之所以當測得發(fā)生碰撞的時間是小于4秒時不能立即剎車，是因為這個判斷很有可能是誤判斷，例如激光接收器接收到對面其它車輛發(fā)車的激光，會誤認為是自己車輛發(fā)出的激光已經返回，從而做出錯誤判斷。所以只有多次做出相同判斷后，才能強行剎車。當激光發(fā)生器發(fā)射激光束頻率為每秒30-50次時，作5次判斷所需時間不到 0.1秒。這個閥值也可以根據實際情況修正。設計中，還需要另一個計時器，當一定時間比如1秒中內如果N值沒有變大(增加)，則 N值清零。即只有N值在很短時間內變大到5，才能強行剎車。關于自動報警，它的設計思想和自動剎車的設計思想大致相同。 圖3-1碰撞時間處理流程圖 （2）碰撞時間的計算 為了計算汽車和前方障礙物的碰撞時間[11]，首先應獲得汽車與前方障礙物的相對速度。以激光雷達測距為例，相對速度可這樣獲得：數據處理模塊根據振蕩器震蕩計數和振蕩周期可以計算出激光從發(fā)射到接收之間的時間差，設時間差為t，則障礙物離汽車的距離為s，。其中c為光速。然后設激光發(fā)射器發(fā)射的第二束激光測的距離為s，則在發(fā)射這連續(xù)兩束激光時間間隔內，障礙物和汽車距離變化為 ， 為汽車與障礙物之間的相對距離變化。設激光發(fā)射器發(fā)射激光頻率為 T，則汽車和前方障礙物之間的相對速度為相對距離變化乘以時間的倒數即頻率，即相對速度。從而，汽車與前方障礙物發(fā)生碰撞時間為相對距離除以相對速度，即是發(fā)生碰撞需要的時間 。根據碰撞需要的時間，然后進一步判斷是否需要報警或強行剎車。 3.2.3 動作執(zhí)行模塊 本部分主要介紹如何實現自動剎車的設計方案。在介紹自動剎車設計方案前，先介紹普通汽車的剎車原理[8]。普通汽車剎車原理如圖3-2所示，在汽車行駛過程中，油泵一直工作，產生高壓，當汽車駕駛員踩下剎車板，觸發(fā)壓力傳感器產生電流，該電流使電磁閥1打開，同時非門電路使電磁閥3關閉，從而高壓油通過該電磁閥，分別流向安裝在汽車輪上的剎車鼓，高壓油擠壓剎車片，實現剎車。在壓力傳感器產生電流使電磁閥1打開的同時，非門電路使電磁閥2變低電平，使電磁閥2關閉，從而在剎車時高壓油不會回流到油池。同樣，當汽車駕駛員松開剎車板，電磁閥1關閉，電磁閥2和電磁閥3均打開，油泵產生的高壓油和剎車鼓的油均流向油池，剎車片松開。需說明的是，只有少數類型的機動車如拖拉機，東風貨車等剎車結構不是采用這種原理。 圖3-2普通汽車剎車原理示意圖 為了實現自動剎車，對以上普通汽車剎車結構作了適當改進，如圖3-3所示。具體做法是：在電磁閥1油路上并聯另一個油路，增加一個電磁閥，同時，采用或非門電路控制電磁閥2和電磁閥3這樣，當剎車板踩下或者數據處理模塊給出高電平時，這兩個電磁閥均會關閉。當數據處理模塊未強行剎車時，并聯的電磁閥關閉，當汽車駕駛員踩下剎車板時，電磁閥1打開，電磁閥2和電磁閥3關閉，從而實現了手動剎車。當數據處理模塊需要強行剎車時，并聯的電磁閥打開，同時通過或非門電路，數據處理模塊關閉電磁閥2和電磁閥3，不管駕駛員是否踩下剎車板，即不管電磁閥1是否打開，均已經實現強行剎車。 圖3-3改進后汽車剎車原理示意圖 3.3 路徑規(guī)劃 路徑規(guī)劃是無人駕駛汽車必要的關鍵組成部分，它為感知系統(tǒng)及車輛控制起著承上啟下作用，接收感知系統(tǒng)數據，規(guī)劃。路徑規(guī)劃的目標是在復雜道路環(huán)境中，基于一定的準則（時間最優(yōu)、能量最優(yōu)等）在行車環(huán)境中規(guī)劃出一條安全可靠、的從起始位置到目標位置的無碰撞路徑。 路徑規(guī)劃包括全局路徑規(guī)劃以及局部路徑規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃是在已知曉全局地圖的情況下，根據一定的規(guī)則和當前環(huán)境信息，確定可行及相對最優(yōu)的全局路徑。全局路徑是宏觀上的規(guī)劃，主要用于周圍環(huán)境已知情況，而且其規(guī)劃的路徑在后期根據局部信息需要實時更新。局部路徑是在宏觀的指導下，進行微觀上的規(guī)劃更加準確、更加可靠。 目前路徑規(guī)劃主要用到的算法包括柵格法、人工勢場法、可視圖法、隨機搜索樹法(RRT)、人工智能算法等。 3.4 車輛控制 車輛的路徑跟蹤控制技術是無人駕駛汽車中的核心與關鍵技術之一[7]，一般可分為速度控制和方向控制，因為車輛自身建模的困難和環(huán)境的多變造成車輛控制比較困難。目前常用的車輛控制方法主要采用模糊推理、模糊PID、PID算法、神經網絡或者將眾多算法結合的控制技術。 無人駕駛車輛的運動控制實際上就是通過調節(jié)車輛運動的速度和方向，使無人車沿著期望的路徑運動，由于無人駕駛車輛一般工作在未知的、動態(tài)的復雜環(huán)境中，所以無人駕駛是一個非常完善的技術研究平臺，運動控制是無人駕駛車輛系統(tǒng)研究中極其關鍵的問題之一，因為一切都需要無人駕駛車輛的精確行駛來保證上層的目標。 4 無人駕駛汽車的發(fā)展及展望 雖然目前要實現無人駕駛汽車產業(yè)化仍然存在種種種問題，無人駕駛汽車實質上就是建立在汽車的主動安全及智能化技術逐步升級基礎之上的，只要市場對于這些技術有持續(xù)的需求，就能推動傳統(tǒng)汽車向完全無人化演進。因此，相當多的國家和各大企業(yè)對其前景表示樂觀。 如今，已開發(fā)出來的無人駕駛技術包括自適應巡航控制、路標識別、車道保持、智能剎車等，這些都還僅僅只屬于汽車主動安全系統(tǒng)范疇，要推動無人駕駛汽車的發(fā)展還需開發(fā)更為先進的傳感器技術。另外，車—車、車—基礎設施通信系統(tǒng)也將推動無人駕駛汽車的發(fā)展。美國IEEE預測[10]，到2040年全球上路的汽車總量中，75%將會是無人駕駛汽車。市場研究公司IHS則預測，2025年全球無人駕駛汽車銷量將達到23萬輛，2035年將達到1180萬輛，屆時無人駕駛汽車保有量將達到5400萬輛。其中，2035年4級完全無人駕駛汽車每年銷量可達到480萬輛，到2035年，北美在無人駕駛汽車市場上的份額將達到29%中國為24%，西歐為20%未來，人類交通系統(tǒng)或將發(fā)生翻天覆地的變化。 美國Navigant Research近期發(fā)表的一份報告預測，完全無人駕駛車輛年銷售量將由2020年的低于8000輛，在2035年增加至9540萬輛。換句話說，2020年自動駕駛車輛在全球汽車市場的滲透率約僅0.01%，但在2035年可提升至75%。 但無人駕駛技術現階段的發(fā)展重點還是輔助駕駛，以提高人工駕駛的安全性，要真正實現完全無人駕駛商業(yè)化運行可能還需20年。產業(yè)專家對于無人駕駛汽車市場的看法及預測意見尚存分歧；分析師對于2030~2035年之間的自動駕駛車輛數量預測，從2000、3000到9000萬輛都有。不同的預測取決于他們所預期的無人駕駛汽車市場在發(fā)展之前將面臨的法律以及商業(yè)障礙的差異。 5 結語 無人駕駛汽車是未來汽車發(fā)展的方向，人類在不久的將來會用上智能型無人駕駛汽車。那是一種將探測、識別、判斷、決策、優(yōu)化、優(yōu)選、執(zhí)行、反饋、糾控功能融為一體，集微電腦、微電機、綠色環(huán)保動力系統(tǒng)、新型結構材料等頂尖科技成果為一體的智慧型汽車?？傮w來看，我國無人駕駛汽車的發(fā)展還需要多方面共同努力。汽車供應商對于各種車輛駕駛輔助功能的研究是無人駕駛汽車技術不斷向前發(fā)展的源動力；網絡信息技術與安全的發(fā)展是無人駕駛汽車技術進一步飛躍的保證；政策與法律的制定與實施，又是無人駕駛汽車真正上路的前提。 參考文獻 [1] 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