無人駕駛汽車關(guān)鍵技術(shù)研究

無人駕駛汽車的關(guān)鍵技術(shù)研究摘要：對(duì)無人駕駛汽車及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。概括性描述了無人駕駛汽車的定義、意義及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，論述了無人駕駛汽車中應(yīng)用到的環(huán)境感知、障礙規(guī)避、路徑規(guī)劃、車輛控制等關(guān)鍵技術(shù)，詳細(xì)論述了自動(dòng)避障系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)執(zhí)行模塊從而闡明了其工作原理及工作過程，對(duì)無人駕駛汽車的未來做出了合理展望。關(guān)鍵詞：無人駕駛汽車；自動(dòng)測(cè)距；自動(dòng)避障KeyTechnologyResearchofDriver-lessCarAbstract：Abstract:Thedriver-lesscaranditskeytechnologiesarestudied.Generaldescriptionofthedefinition,significanceandresearchstatusathomeandabroadofunmannedvehicles,discussestheapplicationofkeytechnologyinunmannedvehicleslikeenvironmentalawareness,obstacleavoidance,pathplanningandvehiclecontrol.Theautomaticcollisionavoidancesystemofdataacquisition,dataprocessing,dataexecutionmodulearediscussedindetailwhichclarifyitsworkingprincipleandworkingprocess,inadditiontomakeareasonablefutureprospectsoftheunmannedvehicle.Keywords：driver-lesscar;automaticlocation;automaticobstacleavoidance1引言隨著社會(huì)的進(jìn)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(cái)產(chǎn)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(xué)技術(shù)，使汽車能夠做到完全的無人駕駛，并保證絕對(duì)的行車安全，無人駕駛汽車一定會(huì)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO、美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)SAE、中國(guó)國(guó)標(biāo)GB等國(guó)內(nèi)外權(quán)威機(jī)構(gòu)均未給出無人駕駛汽車的確切定義。通過中外學(xué)者對(duì)無人駕駛汽車認(rèn)識(shí)的總結(jié)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(chǔ)之上發(fā)展起來的，通過給車輛裝備智能軟件和多種感應(yīng)設(shè)備，包括車載傳感器、雷達(dá)、GPS以及攝像頭等，實(shí)現(xiàn)車輛的自主安全駕駛，安全高效地到達(dá)目的地并達(dá)到完全消除交通事故的目標(biāo)，是集自動(dòng)控制技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能技術(shù)、視覺計(jì)算等眾多技術(shù)于一體的新型智能汽車，是計(jì)算機(jī)科學(xué)、模式識(shí)別和智能控制技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)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(dòng)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(jìn)技術(shù)如ABS防抱死系統(tǒng)、TCS牽引力控制系統(tǒng)、倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)、自適應(yīng)巡航系統(tǒng)等，這些技術(shù)一方面使人們對(duì)汽車的操控越來越簡(jiǎn)化，同時(shí)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(dòng)識(shí)別路面上的白黃線及交通標(biāo)識(shí)，從而準(zhǔn)確判斷行車方向與汽車所處方位。汽車前方安裝有激光測(cè)距儀及雷達(dá)，它時(shí)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(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，能夠隨時(shí)高效的處理汽車各個(gè)傳感器發(fā)送過來的信息，這又是無人汽車的“大腦”。機(jī)器出錯(cuò)的機(jī)會(huì)是小于人腦的，并且速度更快反應(yīng)更加靈敏，也不會(huì)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(zhǔn)確的識(shí)別交通信號(hào)燈與路面標(biāo)識(shí)并嚴(yán)格按預(yù)設(shè)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(guó)內(nèi)外研究狀況2.3.1國(guó)外研究狀況美國(guó)是世界上研究無人駕駛車輛最早、水平最高的國(guó)家之一[1]。早在20世紀(jì)80年代，美國(guó)就提出自主地面車輛計(jì)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(xué)、麻省理工學(xué)院等都先后于20世紀(jì)80年代開始研究無人駕駛車輛。1995年美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)研制的無人駕駛汽車,完成了橫穿美國(guó)東西部的無人駕駛試驗(yàn)。在全長(zhǎng)5000km的美國(guó)州際高速公路上，整個(gè)實(shí)驗(yàn)96%以上的路程是車輛自主駕駛的，車速達(dá)50~60km/h。德國(guó)于1987年研制成功的無人駕駛汽車VaMoRs-M，在號(hào)稱世界上最規(guī)范的德國(guó)高速公路上進(jìn)行了無人駕駛實(shí)驗(yàn)。在德國(guó)軍方的護(hù)送車隊(duì)及直升飛機(jī)的保障下，它創(chuàng)下了97km/h的最高時(shí)速。隨后的幾年，德國(guó)國(guó)防軍大學(xué)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(lǐng)域時(shí)速上的世界紀(jì)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(dòng)駕駛系統(tǒng)主要由道路誘導(dǎo)、車隊(duì)行駛、追尾防止和運(yùn)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(jù)埋設(shè)在道路中間的永久性磁石進(jìn)行導(dǎo)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(cè)試，截止2012年8月8日，這些無人駕駛汽車已經(jīng)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(guó)內(nèi)華達(dá)州機(jī)動(dòng)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?cè)肫胀ㄈ说囊暰€。圖2-1谷歌無人駕駛汽車2.3.2國(guó)內(nèi)研究狀況我國(guó)無人駕駛汽車研究開始較晚[2][3]，步伐較之歐美國(guó)家也略為落后。1980年，“遙控駕駛的防核化偵察車”由國(guó)家立項(xiàng)1989年，我國(guó)首輛智能小車在國(guó)防科技大學(xué)誕生1992年，2000年4月，國(guó)防科技大學(xué)研制的第4代無人駕駛汽車試驗(yàn)成功。2003年，在中國(guó)第一汽車集團(tuán)公司的贊助下，國(guó)防科技大學(xué)完成的紅旗旗艦CA7460無人駕駛。其中c為光速。然后設(shè)激光發(fā)射器發(fā)射的第二束激光測(cè)的距離為s'，則在發(fā)射這連續(xù)兩束激光時(shí)間間隔內(nèi)，障礙物和汽車距離變化為，為汽車與障礙物之間的相對(duì)距離變化。設(shè)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(duì)速度為相對(duì)距離變化乘以時(shí)間的倒數(shù)即頻率，即相對(duì)速度。從而，汽車與前方障礙物發(fā)生碰撞時(shí)間為相對(duì)距離除以相對(duì)速度，即是發(fā)生碰撞需要的時(shí)間。根據(jù)碰撞需要的時(shí)間，然后進(jìn)一步判斷是否需要報(bào)警或強(qiáng)行剎車。3.2.3動(dòng)作執(zhí)行模塊本部分主要介紹如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)剎車的設(shè)計(jì)方案。在介紹自動(dòng)剎車設(shè)計(jì)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(chǎn)生高壓，當(dāng)汽車駕駛員踩下剎車板，觸發(fā)壓力傳感器產(chǎn)生電流，該電流使電磁閥1打開，同時(shí)非門電路使電磁閥3關(guān)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(shí)現(xiàn)剎車。在壓力傳感器產(chǎn)生電流使電磁閥1打開的同時(shí)，非門電路使電磁閥2變低電平，使電磁閥2關(guān)閉，從而在剎車時(shí)高壓油不會(huì)回流到油池。同樣，當(dāng)汽車駕駛員松開剎車板，電磁閥1關(guān)閉，電磁閥2和電磁閥3均打開，油泵產(chǎn)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(shù)類型的機(jī)動(dòng)車如拖拉機(jī)，東風(fēng)貨車等剎車結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)剎車，對(duì)以上普通汽車剎車結(jié)構(gòu)作了適當(dāng)改進(jìn)，如圖3-3所示。具體做法是：在電磁閥1油路上并聯(lián)另一個(gè)油路，增加一個(gè)電磁閥，同時(shí)，采用或非門電路控制電磁閥2和電磁閥3這樣，當(dāng)剎車板踩下或者數(shù)據(jù)處理模塊給出高電平時(shí)，這兩個(gè)電磁閥均會(huì)關(guān)閉。當(dāng)數(shù)據(jù)處理模塊未強(qiáng)行剎車時(shí)，并聯(lián)的電磁閥關(guān)閉，當(dāng)汽車駕駛員踩下剎車板時(shí)，電磁閥1打開，電磁閥2和電磁閥3關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)剎車。當(dāng)數(shù)據(jù)處理模塊需要強(qiáng)行剎車時(shí)，并聯(lián)的電磁閥打開，同時(shí)通過或非門電路，數(shù)據(jù)處理模塊關(guān)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(jīng)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)行剎車。圖3-3改進(jìn)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(guān)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(shù)據(jù)，規(guī)劃。路徑規(guī)劃的目標(biāo)是在復(fù)雜道路環(huán)境中，基于一定的準(zhǔn)則（時(shí)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(biāo)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(jù)一定的規(guī)則和當(dāng)前環(huán)境信息，確定可行及相對(duì)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(jù)局部信息需要實(shí)時(shí)更新。局部路徑是在宏觀的指導(dǎo)下，進(jìn)行微觀上的規(guī)劃更加準(zhǔn)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(shì)場(chǎng)法、可視圖法、隨機(jī)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(shù)是無人駕駛汽車中的核心與關(guān)鍵技術(shù)之一[7]，一般可分為速度控制和方向控制，因?yàn)檐囕v自身建模的困難和環(huán)境的多變?cè)斐绍囕v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(jīng)網(wǎng)絡(luò)或者將眾多算法結(jié)合的控制技術(shù)。無人駕駛車輛的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)際上就是通過調(diào)節(jié)車輛運(yùn)動(dòng)的速度和方向，使無人車沿著期望的路徑運(yùn)動(dòng)，由于無人駕駛車輛一般工作在未知的、動(dòng)態(tài)的復(fù)雜環(huán)境中，所以無人駕駛是一個(gè)非常完善的技術(shù)研究平臺(tái)，運(yùn)動(dòng)控制是無人駕駛車輛系統(tǒng)研究中極其關(guān)鍵的問題之一，因?yàn)橐磺卸夹枰獰o人駕駛車輛的精確行駛來保證上層的目標(biāo)。4無人駕駛汽車的發(fā)展及展望雖然目前要實(shí)現(xiàn)無人駕駛汽車產(chǎn)業(yè)化仍然存在種種種問題，無人駕駛汽車實(shí)質(zhì)上就是建立在汽車的主動(dòng)安全及智能化技術(shù)逐步升級(jí)基礎(chǔ)之上的，只要市場(chǎng)對(duì)于這些技術(shù)有持續(xù)的需求，就能推動(dòng)傳統(tǒng)汽車向完全無人化演進(jìn)。因此，相當(dāng)多的國(guó)家和各大企業(yè)對(duì)其前景表示樂觀。如今，已開發(fā)出來的無人駕駛技術(shù)包括自適應(yīng)巡航控制、路標(biāo)識(shí)別、車道保持、智能剎車等，這些都還僅僅只屬于汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)范疇，要推動(dòng)無人駕駛汽車的發(fā)展還需開發(fā)更為先進(jìn)的傳感器技術(shù)。另外，車—車、車—基礎(chǔ)設(shè)施通信系統(tǒng)也將推動(dòng)無人駕駛汽車的發(fā)展。美國(guó)IEEE預(yù)測(cè)[10]，到2040年全球上路的汽車總量中，75%將會(huì)是無人駕駛汽車。市場(chǎng)研究公司IHS則預(yù)測(cè)，2025年全球無人駕駛汽車銷量將達(dá)到23萬輛，2035年將達(dá)到1180萬輛，屆時(shí)無人駕駛汽車保有量將達(dá)到5400萬輛。其中，2035年4級(jí)完全無人駕駛汽車每年銷量可達(dá)到480萬輛，到2035年，北美在無人駕駛汽車市場(chǎng)上的份額將達(dá)到29%中國(guó)為24%，西歐為20%未來，人類交通系統(tǒng)或?qū)l(fā)生翻天覆地的變化。美國(guó)NavigantResearch近期發(fā)表的一份報(bào)告預(yù)測(cè)，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(dòng)駕駛車輛在全球汽車市場(chǎng)的滲透率約僅0.01%，但在2035年可提升至75%。但無人駕駛技術(shù)現(xiàn)階段的發(fā)展重點(diǎn)還是輔助駕駛，以提高人工駕駛的安全性，要真正實(shí)現(xiàn)完全無人駕駛商業(yè)化運(yùn)行可能還需20年。產(chǎn)業(yè)專家對(duì)于無人駕駛汽車市場(chǎng)的看法及預(yù)測(cè)意見尚存分歧；分析師對(duì)于2030~2035年之間的自動(dòng)駕駛車輛數(shù)量預(yù)測(cè)，從2000、3000到9000萬輛都有。不同的預(yù)測(cè)取決于他們所預(yù)期的無人駕駛汽車市場(chǎng)在發(fā)展之前將面臨的法律以及商業(yè)障礙的差異。5結(jié)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(huì)用上智能型無人駕駛汽車。那是一種將探測(cè)、識(shí)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(jī)、綠色環(huán)保動(dòng)力系統(tǒng)、新型結(jié)構(gòu)材料等頂尖科技成果為一體的智慧型汽車?？傮w來看，我國(guó)無人駕駛汽車的發(fā)展還需要多方面共同努力。汽車供應(yīng)商對(duì)于各種車輛駕駛輔助功能的研究是無人駕駛汽車技術(shù)不斷向前發(fā)展的源動(dòng)力；網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)與安全的發(fā)展是無人駕駛汽車技術(shù)進(jìn)一步飛躍的保證；政策與法律的制定與實(shí)施，又是無人駕駛汽車真正上路的前提。

參考文獻(xiàn)喬維高,徐學(xué)進(jìn).無人駕駛汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及方向[J].上海汽車,2007,07:40-43.楊帆.無人駕駛汽車的發(fā)展現(xiàn)狀和展望[J].上海汽車,2014,03:35-40.端木慶玲,阮界望,馬鈞.無人駕駛汽車的先進(jìn)技術(shù)與發(fā)展[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2014,03:30-33.龔毅.一種無人駕駛車輛路徑跟蹤控制方式研究[D].南京理工大學(xué),2