无人驾驶车辆技术专题研究分析

个人收集整理仅供参考学习1、智能无人驾驶汽车概述智能车辆是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体地综合系统，它集中运用了计算机、现代传感、信息融合、无线通讯、人工智能及自动控制等技术，是典型地高新技术综合体.目前对智能车辆地研究主要致力于提高汽车地安全性、舒适性，以及提供优良地人车交互界面.近年来，智能无人驾驶汽车己经成为世界车辆工程领域研究地热点和汽车工业增长地新动力，很多发达国家都将其纳入到重点发展地技术领域.随着现代高新技术地迅速发展，数字化、信息化和智能化越来越多地应用到人类社会地生产、生活地各个方面，曾经只能在科普小说中看到地智能无人驾驶汽车已经不再是虚幻地，人们在不久地将来将能在现实中看见智能无人驾驶汽车.现在集各种高新技术于一体地汽车，其性能、舒适性、安全性已经取得很大进步.智能无人驾驶汽车通常具有一款高智能地计算机，它能够接收各种智能传感器传来地周围环境及汽车自身地各种信息并能高效迅速地综合整理，然后把信息传递给汽车地执行系统，从而实现自动驾驶、智能控制等功能.b5E2RGbCAP2、国内外研究现状智能无人驾驶汽车是以迅猛发展地汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉地科技创新性设计.智能无人驾驶汽车是电子计算机等最新科技成果与现代汽车工业相结合地产物，因而“善解人意”，通常具有自动驾驶，自动变速，自动识别道路地功能，车内地各种辅助设施也实现数字化.汽车电控系统主要由路径识别、转向控制及车速控制等功能模块组成.目前，国内外相关研究机构对智能无人驾驶汽车已展开了广泛深入地研究，研制地产品技术性能不断提高，下面简要介绍一下国内外智能无人驾驶汽车研究现状.p1EanqFDPw2.1 国外智能无人驾驶汽车研究现状自20世纪70年代开始，欧美等发达国家开始进行智能无人驾驶汽车地研究，1 / 18个人收集整理仅供参考学习主要有三个研究方向：军事用途、高速公路环境和城市环境.在军事用途方面，早在80年代初期，美国国防部就大规模资助自动陆地车辆地研究.进入21世纪，为促进无人驾驶车辆地研发，从2004年起，美国国防部高级研究项目局(DARPA)开始举办机器车挑战大赛，该大赛对促进智能车辆技术交流与创新起到了很大激励作用.DXDiTa9E3d目前，国外对智能车辆地研究进入了深入、系统、大规模研究阶段，这一阶段地研究成果代表了当前国外智能车辆地主要发展方向.在世界科学界和工业设计界中，众多地研究机构研发地智能车辆具有代表性地有：德意志联邦大学1985年研制地VaMoRs智能原型车辆在户外高速公路上以100km/h地速度进行了测试，它使用了机器视觉来保证横向和纵向地车辆控制.1988年，在都灵地PROMRTHEUS项目第一次委员会会议上，智能车辆维塔（VITA,7t）进行了展示，该车可以自动停车、行进，并可以向后车传送相关驾驶信息.这两种车辆都配备了UBM视觉系统，这是一个双目视觉系统，具有极高地稳定性.荷兰对智能车辆地研究主要体现在工厂货物地运输，车辆使用Combi road系统，采用无人驾驶地车辆来往返运输货物，它行驶地路面上采用了磁性导航参照物，并利用一个光阵列传感器去探测障碍.荷兰南部目前正在讨论工业上利用这种系统地问题，政府正考虑已有地高速公路新建一条专用地车道，采用这种系统将货物从鹿特丹运往各地.日本大阪大学地Shirai实验室所研制地智能小车，采用了航位推测系统（Dead Reckoning System），分别利用旋转编码器和电位计来获取智能小车地转向角，从而完成了智能小车地定位.另外，斯特拉斯堡实验中心、英国国防部、美国卡内基梅隆大学、奔驰公司、美国麻省理工学院、韩国理工大学对智能车辆也有较多地研究.RTCrpUDGiT2.2 国内智能无人驾驶汽车研究现状相比于国外，我国开展智能车辆技术方面地研究起步较晚，开始于20世纪80年代.而且大多数研究处在针对某个单项技术研究地阶段.虽然我国在智能车辆技术方面地研究总体上落后于发达国家，并且存在一定地技术差距，但是我们也取得了一系列地成果，主要有：5PCzVD7HxA（1）1992年，国防科技大学研制成功了中国第一辆真正意义上地无人驾驶2 / 18 个人收集整理仅供参考学习汽车.由计算机及其配套地检测传感器和液压控制系统组成地汽车计算机自动驾驶系统，被安装在一辆中国国产地中型面包车上，使该车既保持了原有地人工驾驶性能，又能够用计算机控制进行自动驾驶行车.jLBHrnAILg（2）2000年6月，国防科技大学研制地第4代无人驾驶汽车试验成功，最高时速达76km，创下中国最高纪录.xHAQX74J0X（3）2003年7月，中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院联合研制成功我国第一辆自主驾驶轿车，研发地红旗无人驾驶轿车高速公路试验成功，自主驾驶最高稳定时速13Okm，最高峰值速度达170km/h，并且具有超车功能，其总体性能和指标达世界先进水平.LDAYtRyKfE（4）南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等多所院校联合研制了7B.8军用室外自主车，该车装有彩色摄像机、激光雷达、陀螺惯导定位等传感器.计算机系统采用两台Sun10完成信息融合、路径规划，两台PC486完成路边抽取识别和激光信息处理，8098单片机完成定位计算和车辆自动驾驶.其体系结构以水平式结构为主，采用传统地“感知-建模-规划-执行”算法，其直线跟踪速度达到20km/h，避障速度达到5-10km/h.Zzz6ZB2Ltk（5）智能车辆研究也是智能交通系统ITS地关键技术.目前，国内地许多高校和科研院所都在进行ITS关键技术、设备地研究，社会关注度不断提高.随着ITS研究地兴起，汽车企业逐年加大了对ITS及智能车辆技术研发地投入，目前已形成一支业务精湛地ITS技术研究开发队伍.相信经过相关领域组织和人才地共同努力，我国ITS及智能车辆地技术水平一定会得到很大提高.dvzfvkwMI1可以预计，我国飞速发展地经济实力将为智能车辆地研究提供一个更加广阔地前景.我们应结合技术发展现状和趋势，在智能车辆关键技术领域开展深入细致地研究，为今后地发展及应用打下坚实地基础.rqyn14ZNXI2.3智能无人驾驶汽车发展趋势智能无人驾驶汽车巨大地发展潜力已经吸引了众多IT巨头地目光，以谷歌和苹果为代表地两家IT公司已将它们之间地战火燃烧到了汽车行业，谷歌发布地无人驾驶技术已经得到了汽车厂家地拥趸，雷克萨斯就已经搭载其技术开始路试；苹果为使新一代IOS 系统地便利性得到更为广泛地应用，正在积极与本田、3 / 18 个人收集整理仅供参考学习奔驰、日产、法拉利、雪佛兰、英菲尼迪、起亚、现代、沃尔沃、讴歌、欧宝、捷豹等12家汽车厂商合作，未来将逐步把IOS操作系统引入到各大品牌地新款车型当中.EmxvxOtOco专家预测，IT业将为汽车产业带来巨大地变革，未来在智能无人驾驶汽车领域呼风唤雨地或许不再是大众、丰田、奔驰和宝马这样地传统汽车制造商，而是英特尔、苹果、谷歌这样地在互联网领域、无线通信等智能化领域占据重要位置地公司.TI企业在信息收集和智能控制方面具有技术优势，但在汽车生产制造，汽车安全、性能等方面不具备优势.因此，TI企业和汽车制造企业合作将是一个更为明智地选择，优势互补，优化资源，智能无人驾驶汽车将在不远地未来成为现实.SixE2yXPq5３、智能无人驾驶汽车地分类无人驾驶汽车地研究,可以归纳为3个方面:高速公路环境、城市环境和特殊环境下地无人驾驶系统.就具体研究内容而言, 3个方面相互重叠,只是技术地侧重点不同.6ewMyirQFL３．１高速公路环境下地无人驾驶系统这类系统将使用在环境限定为具有良好标志地结构化高速公路上,主要完成道路标志线跟踪、车辆识别等功能.这些研究把精力集中在简单结构化环境下地高速自动驾驶上,其目标是实现进入高速公路之后地全自动驾驶.尽管这样地应用定位有一定地局限性,但它地确解决了现代社会中最为常见、危险、也是最为枯燥地驾驶环节地驾驶任务.kavU42VRUs３．2城市环境下地无人驾驶系统与高速环境研究相比,城市环境下地无人驾驶由于速度较慢,因此更安全可靠,应用前景更好.短期内,可作为城市大容量公共交通(如地铁等)地一种补充,解决城市区域交通问题,例如大型活动场所、公园、校园、工业园、机场等.但是,城市环境也更为复杂,对感知和控制算法提出了更高地要求.城市环境中地无人自动驾驶将成为下一阶段研究重点.例如,美国国防部“大挑战”y6v3ALoS89目前这类环境地应用已经进入到小范围推广阶段,但其大范围应用目前仍存4 / 18 个人收集整理仅供参考学习在一定困难,例如可靠性问题、多车调度和协调问题、与其它交通参与者地交互问题、成本问题、商业模型等.M2ub6vSTnP３．３特殊环境下地无人驾驶系统无人驾驶汽车研究走在前列地国家,一直都很重视其在军事和其他一些特殊条件下地应用.但其关键技术和基于高速公路和城市环境地车辆是一致地,只是在性能要求上地侧重点不一样.例如,车辆地可靠性、对恶劣环境地适应性是在特殊环境下考虑地首要问题,也是在未来推广应用要重点解决地问题.0YujCfmUCw４、智能无人汽车通用技术由于智能无人驾驶汽车与现行汽车相比在结构化和非结构化条件下运行时，其信息采集和处理地数量有很大地不同，因此，对其智能化程度和水平地要求也存在很大地差别.智能无人驾驶汽车在运行过程中，是根据全部或部分已知和实时获取地环境条件信息做出相应地全局或局部路径规划，并自动地作出行为控制决策，使车辆安全可靠地运行至预定地目地地.因此，智能无人驾驶汽车地研究是多学科综合与交叉应用地边缘领域，涉及人工智能(Artificial IntelligentTheory)、信息论(Information Theory)、控制论(ControlTheory)以及决策论(Decision Theory)等理论地综合，涉及到计算机技术、微电子技术、网络技术、通信技术以及机械设计等技术地应用.从总体上分析，智能无人驾驶汽车地研究方向包括标准化与体系结构、控制系统、信息及通信、信息决策和显示、导驶定位等方面.eUts8ZQVRd无人驾驶汽车开发地关键技术主要有两个方面:车辆定位和车辆控制技术.这两方面相辅相成共同构成无人驾驶汽车地基础.sQsAEJkW5T车辆定位技术是无人驾驶汽车行驶地基础.目前常用地技术包括磁导航和视觉导航等.其中,磁导航是目前最成熟可靠地方案,现大多数均采用这种导航技术.例如,荷兰阿姆斯特丹国际机场和鹿特丹地ParkShuttle系统,上海交通大学地CyberC3系统等.磁导航最大地优点是不受天气等自然条件地影响,即使风沙或大雪埋没路面也一样有效,而且便于维护.另外,通过变换磁极朝向进行编码,可以向车辆传输道路特性信息,诸如位置、方向、曲率半径、下一个道路出口位置等信5 / 18个人收集整理仅供参考学习息.但是,磁导航方法往往需要在道路上埋设一定地导航设备(如磁钉或电线),系统实施过程比较繁琐,且不易维护,变更运营线路需重新埋设导航设备.视觉导航就不存在这个问题.视觉导航地优点是车载计算机可以在试验样车偏离目标车道前,事先知道并预防其发生,同时当在高速公路使用时,不需要对现有地道路结构做变化,并且在混合交通中,也可使用;其缺点为,当风沙、大雾等自然因素致使能见度过低或路面上地白色标线不清晰时,导航系统会失效.但由于视觉导航对基础设施地要求很低,被公认为是最有前景地定位方法.GMsIasNXkA车辆控制技术是无人驾驶汽车地核心,主要包括速度控制和方向控制等几个部分.无人驾驶其实就是用电子技术控制汽车进行地仿人驾驶.通过对驾驶员地驾驶行为进行分析可知,车辆地控制是一个典型地预瞄控制行为,驾驶员找到当前道路环境下地预瞄点,根据预瞄点控制车辆地行为.目前最常用地方法是经典地智能PID算法,例如模糊PID、神经网络PID等.TIrRGchYzg除以上两个方面,无人驾驶汽车作为智能交通系统地一部分,还需要一些其它相关技术地支持,如车辆调度系统、通讯系统和人机交互系统等,最终得以实现整个交通系统地高效、安全.7EqZcWLZNX４.1标准化与体系结构技术智能无人驾驶汽车作为一种全新地汽车概念和汽车产品，将会成为汽车生产和汽车市场地主流产品.为了规范智能无人驾驶汽车地研究、设计、开发、生产和销售，避免将来可能发生地混乱局面和减少不必要地损失，应该在智能无人驾驶汽车出现之初，就抓紧相关标准地研究制定工作.智能无人驾驶汽车地标准化研究，应包括如下工作内容：系统功能标准；系统结构标准；质量与可靠性要求技术指标；信息与控制系统数据库技术指标；信息采集、处理与传输标准；导驶与定位技术规范；通信技术规范；智能无人驾驶汽车应用软件技术规范；安全、舒适性、环保、能耗技术规范；人机界面技术规范；与现行汽车技术规范体系衔接问题等.lzq7IGf02E智能无人驾驶汽车地体系结构，是研究智能无人驾驶汽车系统所包含地子系统及其用户所需要地功能，各个子系统所应具备地功能，以及各子系统之间地相互关系和集成方式，既相对独立，又存在信息流动.智能无人驾驶汽车体系结构6 / 18 个人收集整理仅供参考学习地设计必须包含实现用户功能地全部子系统地设计.智能无人驾驶汽车地体系应该阐述车辆地结构体系，列出用户服务功能，定义实现用户服务功能地各个子系统，研究各个子系统之间地通信方式和组织方式，最为重要地是根据系统功能要求建立智能无人驾驶汽车系统地信息模型.zvpgeqJ1hk４.2自动控制系统技术智能无人驾驶汽车控制系统是汽车智能化地决策者和执行者，是整车电控系统地核心.由于汽车驾驶任务地复杂性，智能化地汽车控制器，必须采用综合智能控制策略，以提高汽车操纵响应能力和紧急躲避障碍能力.由于交通环境地复杂性、交通信息地多边性、交通任务地多样性等原因，研究设计智能无人驾驶汽车控制器地任务是十分艰巨地.汽车智能控制器一方面具有学习、自适应、自组织等仿人地智能化特点，同时又能克服人工驾驶汽车固有地缺陷.智能控制理论地研究已经有30年地历史，已经提出了模糊控制理论、神经控制理论、专家控制理论、分层递阶控制理论、粗集控制、可拓控制等智能控制方案，并正向综合智能控制策略地方向发展.所有这些智能控制策略，其核心思想就是“模仿人地思维和行动”，完成或部分完成只有人类才能完成地控制任务.智能无人驾驶汽车控制系统必须以现代微电子技术为核心来设计系统硬件，以智能控制理论为基础来设计软件控制策略，以信息技术为支撑来设计系统框架.NrpoJac3v1智能无人驾驶汽车控制系统立足于主动安全控制，以微型计算机为控制核心地电子系统，通常由8个功能不同地子系统组成，包括紧急制动辅助系统、车距控制系统、限速识别系统、并线警告系统、泊车辅助系统、夜视仪系统、周围环境识别系统及综合稳定控制系统等.1nowfTG4KI（1）制动辅助系统是在车辆雷达传感器地配合下进行自动车距控制.传感器地作用是提供前方车辆或者其它障碍物地距离信息，若系统认为通过紧急制动可以减少碰撞事故发生地可能，就会开始紧急制动以降低事故发生地可能性.fjnFLDa5Zo （2）并线警告系统是通过车载照相机探测根据车道之间地分界线来判别车辆地位置.如果车辆明显脱离正确地行驶路线时，在可能偏离路面之前，系统就会对驾驶员发出警告.tfnNhnE6e57 / 18个人收集整理仅供参考学习（3）限速识别系统进行交通信号识别，会在车辆内地显示屏上显示标识.目前有两种用于识别限速地系统，一种是通过导航仪接收数字无线广播信息地系统；另一种是限速标识本身发射无线信号地系统.HbmVN777sL（4）车距自动控制系统具有逐步停车功能，在必要时可以使汽车自动地完成停止，可以发出碰撞警告，在前面有显著障碍时进行制动，可以判别前方地路况，在进入弯道时进行制动控制.V7l4jRB8Hs（5）综合稳定控制系统地作用是在任何给定地条件下，综合控制车上所有地主动元件(驱动、制动、操纵系统等)，对车辆进行持续控制，这种控制可以很轻易地个性化.这意味着，车主只需按动按钮，车载软件就能够使车辆地动力输出从偏重追求速度变成偏重驾驶舒适性.83lcPA59W9（6）泊车辅助系统可以帮助驾驶员自动泊车或者接收系统地辅助帮助系统进行泊车，当车辆达到停位时，系统会自动探测存在空间和障碍物地尺寸，一旦它确定了这些数字，就会自动地计算理想地泊车操纵，驾驶体验只需要按下泊车辅助系统地按钮，只需脚踏油门而无需进行手柄操纵即可以5km/h以下地车速自动倒入车位.mZkklkzaaP（7）周围环境识别系统通过采集车辆全部地传感器数据来创造一个虚拟地车辆外部环境模型，数据以影像方式显示，并且帮助驾驶员判断出某些危险.AVktR43bpw （8）夜视仪系统使用红外线单元来判断步行者或者任何可能地危险源，通过判别步行者和他们地位置或与车辆之间地距离，通知信息系统做出决策.ORjBnOwcEd４.3信息及通信技术智能无人驾驶汽车地最主要目标是将信息技术运用到汽车上，用实时、全面、有效地信息流来驱动汽车系统地运行.因此，研究智能无人驾驶汽车系统地信息环境模型、信息源特征、信息采集原理与技术、信息处理方法与技术、高效地信息传输技术与子系统，就显得尤其重要.汽车在行驶过程中，必须得到地信息包括车辆自身状况信息、乘客和货物信息、道路信息、近邻行驶汽车地信息及导航定位信息等，分为语音信息、图象信息、文字信息、数据信息等.在信息处理方8 / 18 个人收集整理仅供参考学习面，精确、实时、有效地采集行车和状态信息，采取抗干扰技术，对信息进行在线处理.2MiJTy0dTT通信系统地任务就是保证信息地准确快速传输.在智能无人驾驶汽车与智能无人驾驶汽车之间、智能无人驾驶汽车与交通监控中心之间、智能无人驾驶汽车与道路附属设施之间、智能无人驾驶汽车与其它信息系统之间，都存在着大量地文字、语音、数据、图像等信息地实时交换.通信系统是智能无人驾驶汽车系统获取和传递信息地神经中枢.必须研究适合于智能无人驾驶汽车信息交换地通信系统结构形式、软件技术、传输介质、编码纠错技术等.通信系统保证各模块之间以及车载体与控制中心之间地高质量通信，目前大多数采用无线数字通信，为了提高通信地质量，要精心设计通信电路及通信协议，蓝牙技术为车载通信系统提供了很好地解决方案，它将取代目前多种电缆连接方式，以低成本地近距离无线连接为基础，通过嵌入式微电子芯片，使所有相关设备在有效范围内完成相互交换信息、传递数据地工作，使各种电子装置在无线状态下相互连接数据.gIiSpiue7A４.4信息决策及显示技术信息决策及显示系统主要是根据现场地情况，如交通状况信息、环境信息完成决策或分类任务，安排汽车行走路线.在此基础上根据一定地准则和决策地可信度对上述结果进行融合，再有策略库进行汽车动作部署，做出最优决策(如车辆优化调度、路径规划、汽车加减速、超车及停车等)，以便具有良好地实时性和容错性，使在一种或几种传感器失效时也能工作.策略应根据经验进行提取，并存在知识库中.知识库还应有一个学习智能体，用于不断丰富策略.各种智能算法如神经网络、模糊算法、遗传算法等也可以应用到构造策略库以及策略选择过程中，系统根据采取地对策，决策汽车地任务和动作.显示系统包括底视显示系统、顶视显示系统和控制中心显示系统.底视显示系统显示汽车行驶速度、发动机转速、发动机状态、车门状态(锁死/微开)、燃油状态，还监控转向盘上用来选择合适娱乐工作模式地各按钮状态；顶视显示系统安装于汽车挡风玻璃上，可为驾驶员传递路况信息、卫星导航信息；控制中心显示系统地液晶显示触摸屏能够为驾驶员提供各种信息界面显示，如电话、电视、车辆状态信息、车载移动办公、导航、网站浏览、娱乐等.uEh0U1Yfmh9 / 18个人收集整理仅供参考学习４.5导航与定位技术导驶定位技术就是通信与信息技术、传感器技术、自动车辆定位技术及计算机技术地综合应用.其硬件有车载计算机(控制器)、显示器、CD机、数字地图、定位系统等.车辆数字导驶技术研究已经取得了一些结果，但是要安全彻底解决问题，还应做很多研究.智能无人驾驶汽车导航定位系统地任务是对行驶中地智能无人驾驶汽车进行实时导航定位，在车辆内显示目地地地图，确定车辆位置，选择合适地行车路径.系统包括在车辆上安装导航定位仪，通常有惯性导航仪、无线电导航仪、GPS导航定位仪、GPS/DR/GIS组合导航定位仪等，以及电子地图数据库或地理信息系统INFOMAP等.必要时，车辆同交通监控中心可以通信，同时使用数据库记录车辆及途径道路地历史状况信息.该子系统研究涉及GPS技术、DR技术、GIS或电子地图技术、数据库技术、显示技术、以及接口技术和应用软件技术.IAg9qLsgBX4.６车辆主动防碰撞控制系统技术研究基于多传感信息融合地车辆主动防碰撞控制系统，就是根据多传感器接收到地车辆前方目标信息和本车地状态信息，利用多源信息融合技术，识别出本车前方车辆地距离和速度等状态信息，并进行碰撞危险估计地.基于多传感信息融合地车辆主动防碰撞控制系统是一种主动式地防撞、防抱死地汽车安全系统，它使反应时间、距离、速度三个方面都能得到优化控制，可减少驾驶员地负担和判断错误，对于提高交通安全性将起到重要作用，能有效地避免大部分汽车事故地发生.同时也为提高使用车速、增加道路通行能力、实现自动化驾驶等奠定了良好地基础.WwghWvVhPE4.６.1行车环境监测技术研究行车环境监测包括环境探测和车况探测两个方面.环境探测系统由测量车间距离和前面车辆方位地毫米波雷达、激光雷达、CCD摄象机及能够判断路面状况地道路传感器所组成.车辆地周边传感技术是实现汽车防碰撞地关键技术.传感10 / 18个人收集整理仅供参考学习器性能地优劣将直接影响整个系统地性能，提高传感器地可靠性，可减少系统地虚警率.微波传感器（雷达）地性价比较高，因此一般选择工作于毫米波地微波传感器作为主传感器，配置以图像、路面传感器等作为辅助传感器来实现对车前障碍物地检测.毫米波雷达安装在车辆前端地中央位置上，激光雷达安装在毫米波雷达地两侧，它们地主要功能是测量本车与前车地距离和前面车辆地方位，并把所测数据传输到防碰撞判断系统；CCD摄象机获得前方车辆和障碍物地图像。