盤點(diǎn)：3大系統(tǒng)使汽車“由人駕駛”到“無(wú)人駕駛”安全可靠

【計(jì)算機(jī)論文】盤點(diǎn)：3大系統(tǒng)使汽車“由人駕駛”到“無(wú)人駕駛”安全可靠

“無(wú)人駕駛”彌補(bǔ)“由人駕駛”的不足手握方向盤、目視前方、保持注意力、長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)、乏味的傳統(tǒng)駕駛方式很容易讓駕駛員產(chǎn)生疲勞，甚至發(fā)生交通事故。無(wú)人駕駛汽車研發(fā)人員則致力于從安全、可靠、便利及高效等方面進(jìn)行突破，彌補(bǔ)人工駕駛的不足，減少交通事故，將駕駛員從繁復(fù)的傳統(tǒng)駕駛方式中解脫出來(lái)。從20世紀(jì)70年代開始，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等國(guó)家開始進(jìn)行無(wú)人駕駛汽車的研究，在可行性和實(shí)用化方面都取得了突破的進(jìn)展。中國(guó)從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行無(wú)人駕駛汽車的研究，國(guó)防科技大學(xué)在1992年成功研制出中國(guó)第一輛真正意義上的無(wú)人駕駛汽車。特別是在過(guò)去的幾年時(shí)間里，無(wú)人駕駛技術(shù)的研發(fā)如火如荼，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外汽車企業(yè)開始涉足這一領(lǐng)域，無(wú)人駕駛技術(shù)取得了快速蓬勃的發(fā)展?！盁o(wú)人駕駛”的三大系統(tǒng)無(wú)人駕駛汽車綜合利用自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、電子信息和車輛工程等多門學(xué)科相關(guān)技術(shù)，利用車載傳感器(攝像頭、激光雷達(dá)、超聲波傳感器、微波雷達(dá)、GPS、里程計(jì)、磁羅盤等)感知車輛周圍環(huán)境，并根據(jù)感知到的道路、車輛姿態(tài)和障礙物信息，控制車輛的轉(zhuǎn)向和速度，從而使得車輛能夠自主、安全、可靠地在道路上行駛。無(wú)人駕駛汽車是一個(gè)綜合系統(tǒng)，整體可分為環(huán)境感知系統(tǒng)、行為決策系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。1.環(huán)境感知系統(tǒng)人類在執(zhí)行駕駛?cè)蝿?wù)的過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)觀察和分析車輛自身的狀態(tài)、路面、車輛、行人、交通標(biāo)志、交通標(biāo)線和交通信號(hào)燈等的狀況，也就是對(duì)交通環(huán)境的“感知”。這種“感知”首先是通過(guò)感觀(主要是視覺，還包括聽覺、觸覺和嗅覺)來(lái)獲取信息，然后利用自身經(jīng)驗(yàn)和邏輯推理來(lái)理解信息，并做出決策，力求安全平穩(wěn)地駕駛車輛。無(wú)人駕駛汽車在進(jìn)行自主行駛的時(shí)候也需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行感知，進(jìn)而根據(jù)所得到的有用的環(huán)境信息產(chǎn)生行為決策。無(wú)人駕駛汽車是通過(guò)車上配備的傳感器來(lái)感知環(huán)境信息的，這些傳感器主要包括攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、紅外相機(jī)、光電編碼器、GPS和慣性測(cè)量單元(InertialMeasurementUnit，IMU)等。其中，攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)以及紅外相機(jī)是用于獲取環(huán)境信息，光電編碼器、GPS和IMU是用于獲取車身狀態(tài)的信息。這些傳感器依據(jù)不同的原理獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，獲取數(shù)據(jù)之后，車載單元還需要采用一定的方法提取出數(shù)據(jù)中對(duì)于智能行為決策有用的信息，比如探測(cè)到障礙物、檢測(cè)車道線、檢測(cè)和識(shí)別交通標(biāo)志、定位和姿態(tài)估計(jì)等等。2.行為決策系統(tǒng)行為決策是指無(wú)人駕駛汽車根據(jù)給定路網(wǎng)文件，獲取的交通環(huán)境信息和自身行駛狀態(tài)，自主產(chǎn)生遵守交通規(guī)則的駕駛決策的過(guò)程。無(wú)人駕駛汽車行為決策系統(tǒng)主要包含全局路徑規(guī)劃(或任務(wù)規(guī)劃)、行為規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃(或運(yùn)動(dòng)規(guī)劃)。路徑規(guī)劃的目的是在無(wú)人駕駛汽車行車之前找到一條“最優(yōu)”的路徑供無(wú)人駕駛汽車行駛?！白顑?yōu)”的標(biāo)準(zhǔn)可以是最短行車距離、最少行車時(shí)間、最低費(fèi)用和最少擁堵等，當(dāng)然前提都是在保證行駛的安全性和遵守交通規(guī)則。全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃都是屬于路徑規(guī)劃的范疇。全局路徑規(guī)劃為無(wú)人駕駛汽車的自主駕駛提供方向性的引導(dǎo)，確定其依次需要通過(guò)的路段和區(qū)域序列。行為規(guī)劃是處于全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃中間的層次，行為規(guī)劃根據(jù)全局路徑規(guī)劃的確定的路徑和當(dāng)前的道路狀況，確定當(dāng)前無(wú)人駕駛汽車應(yīng)該進(jìn)入什么行駛模式，比如路口左轉(zhuǎn)模式、超車模式等。局部路徑規(guī)劃依照行為規(guī)劃確定的當(dāng)前行駛模式，結(jié)合環(huán)境感知獲取的信息計(jì)算出局部范圍內(nèi)精確的行駛軌跡。無(wú)人駕駛汽車采取的是全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃相結(jié)合的方式。3.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是根據(jù)局部路徑規(guī)劃給出的行駛軌跡和速度規(guī)劃以及無(wú)人駕駛汽車當(dāng)前的位置、姿態(tài)和速度，產(chǎn)生對(duì)油門、剎車、方向盤和變速桿的控制命令，以跟蹤規(guī)劃出的行駛軌跡。當(dāng)然，油門、剎車、方向盤和變速桿上需加裝底層控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)執(zhí)行控制操作。除了增強(qiáng)無(wú)人駕駛汽車自身智能行為的能力以外，還可以采用道路交通智能化的方式，通過(guò)車與車通信(V2V)和車與交通系統(tǒng)通信(V2X)來(lái)獲取車輛速度、實(shí)時(shí)路況等信息，從而提升整個(gè)交通系統(tǒng)的駕駛安全性和交通通行效率。“無(wú)人駕駛”的現(xiàn)有問(wèn)題目前，無(wú)人駕駛汽車產(chǎn)業(yè)化的瓶頸問(wèn)題主要有技術(shù)安全問(wèn)題、過(guò)渡風(fēng)險(xiǎn)、成本問(wèn)題、法律法規(guī)問(wèn)題等。1.技術(shù)問(wèn)題包括：如何消除強(qiáng)光照、積雪等惡劣行駛環(huán)境對(duì)無(wú)人駕駛汽車環(huán)境感知系統(tǒng)帶來(lái)的影響；在復(fù)雜行駛環(huán)境下，如何感知人類手勢(shì)信號(hào)，尤其是這些手