無人駕駛汽車初探

1、無人駕駛汽車初探姓名：高洪峰學(xué)號：150101020107班級：15級機自21班課 程 名 稱：機械工程導(dǎo)論課程調(diào)研項目指 導(dǎo) 教 師：翟富剛2016年10月1/ 9隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們已經(jīng)進(jìn)入自動化、智能化的時代。在 2013 年國際知名企業(yè)開展了一場無人駕駛汽車的研發(fā)競賽，一些企業(yè)研發(fā)的無人駕 駛汽車相繼亮相，并宣稱在1015年內(nèi)實現(xiàn)量產(chǎn)。無人駕駛汽車之所以能夠提 上各大汽車企業(yè)的研究與開發(fā)日程，被國內(nèi)外相關(guān)機構(gòu)作為研究重點，投入大 量人力和物力，不僅僅因為它代表高新科技水平，更因為它滿足了人類對汽車 技術(shù)發(fā)展的迫切需求。從長遠(yuǎn)的角度來看，汽車的發(fā)展趨勢是實現(xiàn)自主駕駛。無人駕駛汽車

2、是自 主駕駛的一種表現(xiàn)形式，從廣義上說，無人駕駛汽車是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下用計算機 技術(shù)、信息技術(shù)和智能控制技術(shù)武裝起來的汽車，是有著汽車外殼的移動機器 人。本文是作者在上完機械工程導(dǎo)論這門課，并在老師的指導(dǎo)下查閱書籍，歸 納總結(jié)，編輯整理的基礎(chǔ)上完成的。本文主要涉及無人駕駛汽車的體系結(jié)構(gòu)、 環(huán)境感知、定位導(dǎo)航、控制與決策以及一體化設(shè)計等方面的內(nèi)容。本文能夠撰寫完成，首先要感謝翟富剛老師的教導(dǎo)，正是有了老師的風(fēng)趣 且不失風(fēng)度的講解，讓我對機械工程產(chǎn)生更加濃厚的興趣。在撰寫過程中參考 了大量的書籍資料，再此相關(guān)資料的作者一并表示感謝。由于無人駕駛汽車技術(shù)在不斷的發(fā)展過程中，加之作者水平和能力有限， 在文

3、中有不當(dāng)之處，望批評指正。2/ 9目錄 TOC o 1-5 h z .摘要 .1.正文 .1.結(jié)論 .9.參考文獻(xiàn) .93/ 9無人駕駛汽車初探高洪峰（燕山大學(xué)機械工程學(xué)院）摘 要：無人駕駛汽車也被稱為自動駕駛汽車或智能汽車，其突出特點是能像人一樣對外界的情況做出反應(yīng)，即對所遇到的現(xiàn)實事物進(jìn)行思考、判斷，進(jìn)而進(jìn)行 識別和處理，具有隨機應(yīng)變的本領(lǐng)。本文報告了無人駕駛技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展，對無 人駕駛汽車體系機構(gòu)、環(huán)境感知技術(shù)、定位導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、運動控制、一體化設(shè) 計及無人駕駛汽車的機遇與挑戰(zhàn)進(jìn)行了調(diào)查。1無人駕駛汽車的產(chǎn)生與發(fā)展實現(xiàn)無人駕駛是人類一直以來的夢想，在軍事應(yīng)用需求的推動下，無人駕 駛車

4、輛技術(shù)得到了不斷的發(fā)展和完善。其實無人駕駛早在1940年，美國未來學(xué)家諾爾曼？格迪斯就曾這樣預(yù)言：“你的孫輩將能通過一條新型高速公路在 24 小時內(nèi)橫穿整個大陸。他們乘坐的是一種全靠按鈕操作而不需要人駕駛的新式 汽車?！比缃裨跓o人駕駛汽車方面，美、德、意等國走在世界前列。在 2000年 之前，以美國的NavLab系列和德國的ARG頌?zāi)孔罹叽硇?，德國?VaMoRS- 系統(tǒng)也涉及了很多無人駕駛汽車技術(shù)。在格迪斯做出預(yù)言的50多年后，不需人駕駛的汽車終于變成了現(xiàn)實。那是 在1997年，無人駕駛汽車在美國加利福尼亞的一條高速公路上進(jìn)行了展示，8輛無人駕駛的汽車以時速105千米的速度保持了一個車身的

5、車距行駛。10年后 的2007年，有6輛無人駕駛汽車通過了美國國防部高級研究計劃局的“城市挑 戰(zhàn)”計劃，在城市道路上完全按照交通規(guī)則與其他車輛一起行駛。20世紀(jì)90年代末期，德國在城市的街道上測試了一輛由電腦代替人駕駛的 自動駕駛汽車。這輛汽車上裝有18臺各種儀器設(shè)備，其中包括袖珍電子攝像機、 電子計算機高效圖像實時處理器、可能危險預(yù)測和剎車自動控制系統(tǒng)以及自動 控制的腳踩板和方向盤等，它們接收并判斷道路上隨時出現(xiàn)的各種情況，同時 進(jìn)行相應(yīng)的選擇。止匕外，還具有巧妙超車和臨時改變行車路線的本領(lǐng)。該汽車 已成功地自動行駛了 1萬多千米。繼德國之后，法國也于21世紀(jì)初研發(fā)出由電腦控制的自動駕駛汽車

6、。車上 除裝有電腦外，還裝有與電腦相連的視聽終端、光盤驅(qū)動器、電腦鍵盤等，以 便為電腦“駕駛員”提供所需信息。汽車的輪軸上裝有傳感器，可將有關(guān)數(shù)據(jù) 傳給車內(nèi)電腦，由電腦進(jìn)行操作控制。隨著無人駕駛技術(shù)的不斷發(fā)展，谷歌公司研發(fā)的沒有方向盤的自動駕駛汽 車，將無人駕駛汽車推向了一個新的高峰，徹底改變了傳統(tǒng)汽車在人們心目中4/ 9心口落船位所部I寧也朋里激揩測距伊育哪笈明精神祝言也匕得近內(nèi)約3 口始乘囹升上倍率全彘申購中楓、車就雷達(dá)微型傳感器0上工匚一3工二工二二電腦奧料摩用嘀加T存了富莪的陽速用LX帔淳！1交通嘴弓燈, 以及行人、自亍土編行者辮訪行坯西貨卜述宮Ar瞄動思科標(biāo)準(zhǔn)I工反出A口便西姓 于一

7、片司W(wǎng)U勺府抑下，中方姓 區(qū)摹儂拿通過揚聲器.以柔 中脫回町工聲送出能切怪近4臺標(biāo)準(zhǔn)車戟雷達(dá)以三前看的花片的；，財責(zé)十字路口,，W）行人”的提示圖一的印象。這種自動駕駛汽車沒有方向盤、油門（加速）踏板和剎車等，因為它 根本不需要這些東西。汽車能啟動行駛，完全由車載軟件和傳感器來完成。車 上設(shè)置兩個有安全帶的座位，有供乘員使用的“開動”和“停止”按鈕，還有 一個顯示行車路線的屏幕。汽車由電池驅(qū)動，最高時速為 40千米?？v看無人駕駛汽車的發(fā)展歷程，無人駕駛汽車的速度不斷提升，功能不斷 強化，并從試驗場走向了真實道路，從單純的實驗室研究到校企合作，無人駕 駛汽車技術(shù)已經(jīng)取得了長足的發(fā)展。雖然制約無人

8、駕駛汽車發(fā)展的因素依然存 在，但是無人駕駛汽車已經(jīng)得到越來越多的認(rèn)可。無人駕駛汽車的發(fā)展已經(jīng)被 各大汽車企業(yè)提到了研發(fā)日程上。2無人駕駛汽車的技術(shù)初探.無人駕駛汽車的體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)是一個系統(tǒng)的“骨架”。常用的體系結(jié)構(gòu)有分層遞階式體系結(jié)構(gòu)、反應(yīng)式體系結(jié)構(gòu)、基于混合式體系結(jié)構(gòu)的無人平臺體系4D/RCS無人系統(tǒng)聯(lián)合體系（Joint Architecture for Unmanned System,JAUS ）等。2007年美國的 DARPA戰(zhàn)賽冠軍一一Boss無人駕駛汽車（如圖二）在原車基礎(chǔ)上整合現(xiàn)成的 商業(yè)線控系統(tǒng)，實現(xiàn)加速、制動、轉(zhuǎn)向、變換擋位等自動操作。.無人駕駛汽車對環(huán)境的感知技術(shù)5/ 9

9、無人駕駛汽車行駛環(huán)境檢測通常需要提取路面信息，檢測障礙物，并計算 障礙物相對于車輛的位置。環(huán)境感知技術(shù)在無人駕駛技術(shù)中起著非常重要的作用，無人駕駛汽車環(huán)境感知技術(shù)基礎(chǔ)包括激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、車載視覺傳 感器及傳感器標(biāo)定等技術(shù)。運用這些技術(shù)能夠?qū)Y(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化道路以及行 駛環(huán)境中的目標(biāo)進(jìn)行檢測，如對直彎道、鄉(xiāng)村土路、行人、車輛及交通信號燈 和交通標(biāo)志等的檢測。.無人駕駛汽車定位導(dǎo)航定位技術(shù)用來提供車輛位置、姿態(tài)等信息。它是無人駕駛汽車行駛的基礎(chǔ) 常用的定位技術(shù)有航跡推算技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、路標(biāo)定 位技術(shù)、地圖匹配定位技術(shù)和視覺定位技術(shù)等。除此之外，無人駕駛汽車在未 知環(huán)境中

10、從一個未知位置開始移動，在移動過程中根據(jù)位置估計和地圖進(jìn)行自 身定位，同時在自身定位的基礎(chǔ)上建造增量式地圖，實現(xiàn)自主定位和導(dǎo)航的技 術(shù)稱為同時定位與地圖創(chuàng)建。由于任何一種單獨定位技術(shù)都有無法克服的弱點， 于是組合導(dǎo)航成為研究的熱點。組合導(dǎo)航系統(tǒng)綜合了兩種或兩種以上不同類型 的導(dǎo)航傳感器信息，使它們優(yōu)勢互補，以獲得更高的導(dǎo)航性能。組合導(dǎo)航系統(tǒng) 以其低成本、高性能的突出優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。.無人駕駛汽車路徑規(guī)劃無人駕駛路徑規(guī)劃是指在一定環(huán)境模型基礎(chǔ)上，給定無人駕駛汽車起始點 與目標(biāo)點后，按照性能指標(biāo)規(guī)劃出一條無碰撞、能安全到達(dá)目標(biāo)點的有效路徑。 經(jīng)過幾十年的發(fā)展，路徑規(guī)劃技術(shù)已取得了非常矚目的成就。

11、路徑規(guī)劃中環(huán)境 地圖建立過程常用的方法有量度地圖表示法、拓?fù)涞貓D表示法、混合地圖表示6/ 9法，路徑搜索算法分別有基于采樣和基于地圖的兩種路徑規(guī)劃算法。路徑主要 包含兩個步驟：建立包含障礙區(qū)域與自由區(qū)域的環(huán)境地圖，以及在環(huán)境地圖中 選擇合適的路徑搜索算法，快速實時地搜索可行路徑。路徑規(guī)劃結(jié)果對車輛行 駛起著導(dǎo)航作用，它引導(dǎo)車輛從當(dāng)前位置行駛到達(dá)目標(biāo)位置。.無人駕駛汽車的運動控制無人駕駛汽車運動控制分為縱向控制和橫向控制?？v向控制是指通過對油 門和制動的協(xié)調(diào)，實現(xiàn)對期望車速的精確跟隨。橫向控制實現(xiàn)無人駕駛汽車的 路徑跟蹤。其目的是在保證車輛操縱穩(wěn)定性的前提下，不僅使車輛精確跟蹤期 望道路，同時使

12、車輛具有良好的動力性和乘坐舒適性。在無人駕駛汽車的行駛 過程中，車輛的橫向運動和縱向運動存在耦合關(guān)系。通常將縱向運動和橫向運 動進(jìn)行解耦，設(shè)計兩個互補關(guān)系的控制器，對其分別進(jìn)行控制。無人駕駛汽車技術(shù)圖解*S&t3l*NC偏周分警附系統(tǒng)IANE DFRWTURE 的lilt& a.SIDE iMWiCTSflFSPOT DOECTDHCHOOS TRAfFlC AlXRfTCROSS TRA/RCALERTSELF RWtJGV1SKWLAM ERAFTUE ART的屬隼ii相承統(tǒng)euuospcT PHECTC#1點偵9NIP5ucjuicm示辨統(tǒng)a if.無人駕駛汽車的一體化技術(shù)在國內(nèi)外無人駕

13、駛汽車技術(shù)的研究中，大多通過對傳統(tǒng)汽車添加外部機構(gòu) 進(jìn)行改造的方法實現(xiàn)無人駕駛。但在實際運用過程中，這種方法暴露出很多弊 端。首先將上層決策系統(tǒng)的指令施加于外部機構(gòu)，可能會導(dǎo)致附加控制系統(tǒng)和 汽車原有控制系統(tǒng)不能合理的兼容，難以達(dá)到預(yù)定控制效果。止匕外，外加機構(gòu) 的安裝減少了汽車的空間，增加了環(huán)節(jié)和控制的復(fù)雜性，并且降低了無人駕駛 汽車的可靠性。而無人駕駛汽車一體化設(shè)計是指綜合考慮無人駕駛對行駛環(huán)境 的感知和決策以及車輛的動力學(xué)特性之間的相互聯(lián)系和影響，將汽車動力學(xué)特 性與環(huán)境感知決策進(jìn)行有機的結(jié)合，在構(gòu)建無人駕駛汽車平臺上集成設(shè)計各個 模塊及其相關(guān)過程。它注重設(shè)計的整體性和系統(tǒng)性，以獲得無人

14、駕駛汽車設(shè)計 的整體最優(yōu)為目標(biāo)，在控制、結(jié)構(gòu)、性能、布局、強度、可靠性、人機工程、7/ 9 維修性和壽命周期費用等多方面進(jìn)行綜合分析和協(xié)調(diào)權(quán)衡，從而最終提高無人 駕駛汽車的質(zhì)量和設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期，降低研發(fā)和生產(chǎn)成本。3無人駕駛汽車的機遇與挑戰(zhàn)無人駕駛汽車面臨著前所未有的機遇與挑戰(zhàn)。車聯(lián)網(wǎng)使無人駕駛汽車不再是單獨的移動車輛個體。通過車輛與車輛以及車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信，可以實現(xiàn)無人駕駛汽車與其他車輛、基礎(chǔ)設(shè)施以及人類之間的交互，形成一個龐大的信息網(wǎng)絡(luò)。憑借這種優(yōu) 勢，多個無人駕駛汽車之間可以組成編隊，通過交叉口、多任務(wù)分配等多種方式的協(xié)作， 從而形成一種全新的智能交通方式，為現(xiàn)有的交通系

15、統(tǒng)注入新的血液，促進(jìn)智能交通系 統(tǒng)的進(jìn)一步升級與發(fā)展。 與此同時，現(xiàn)有的智能交通系統(tǒng)也可以為無人駕駛汽車在道路 上行駛提供大量的交通信息， 為無人駕駛汽車早日融入現(xiàn)實交通，為社會與人類服務(wù)奠定了良好的基礎(chǔ)。如今，發(fā)展無人駕駛汽車已成為一種趨勢。無人駕駛汽車將會給社會很多行業(yè)帶來 顛覆性的改變，促進(jìn)很多新興行業(yè)的興起， 同時也將帶來巨大的商機和財富。 發(fā)展無人 駕駛汽車和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決的不僅是個人出行的有效性，同時在如何更加有效利用社會資源方面也提供了新的可能。但也要看到無人駕駛汽車的進(jìn)一步發(fā)展也面臨著很多挑戰(zhàn)， 雖然經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)外無人駕駛汽車技術(shù)取得了顯著的進(jìn)展，但實際交通環(huán)境復(fù)雜多變，且目前人工智能與人腦智能之間尚存在較大的差距，現(xiàn)有傳感、處理與控制技術(shù)在實時、精準(zhǔn)等方面達(dá)不到要求。因此，復(fù)雜交通環(huán)境下車輛無人駕駛?cè)诵枰M(jìn)一步 研究并解決復(fù)雜交通環(huán)下的可靠環(huán)境感知問題、擬人認(rèn)識的視聽覺信息處理與決策問題和適用于無人駕駛汽車的控制系統(tǒng)一體化設(shè)計問題。8/ 9總結(jié)這是一個自動化、智能化的時代，人們正從大量的工作中解放出來，取而 代之的是不斷發(fā)展進(jìn)步的機器人。據(jù)調(diào)查，2015年我國以個人名義登記的小型載客汽車（私家車）達(dá)到1.24億輛。按照約13億總?cè)丝谟嬎?，大致相?dāng)于每100 人中有10人擁有私家