無(wú)人駕駛汽車的發(fā)展與研究

姜沛宏，張長(zhǎng)坤

（德州學(xué)院 汽車工程學(xué)院，山東 德州 253023）

無(wú)人駕駛汽車的發(fā)展與研究

姜沛宏，張長(zhǎng)坤

（德州學(xué)院 汽車工程學(xué)院，山東 德州 253023）

無(wú)人駕駛汽車（自動(dòng)駕駛汽車）對(duì)于交通系統(tǒng)的效率和安全性具有很大的幫助和提高，這將是未來(lái)汽車發(fā)展的主流。文章介紹了自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的功能、作用及技術(shù)原理，闡述了無(wú)人駕駛汽車的發(fā)展方向，并對(duì)其中存在的問(wèn)題進(jìn)行了探討。

無(wú)人駕駛汽車；自動(dòng)駕駛系統(tǒng)；車輛定位；車輛控制

無(wú)人駕駛汽車的本質(zhì)就是在一輛普通的汽車上裝配先進(jìn)的設(shè)備和儀器，來(lái)取代人的作用，可以對(duì)道路情況進(jìn)行判斷，對(duì)每時(shí)每刻遇到的情況進(jìn)行決策，采取相應(yīng)的行動(dòng)。主要利用車上安裝的傳感器來(lái)感受路況的變化，把檢測(cè)到的車輛、障礙物、道路狀況等信息進(jìn)行匯總，然后對(duì)車輛的行駛進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)向或者變速，使汽車安全地在道路上行駛，最終駛向目的地。

隨著我國(guó)汽車保有量的增加，道路交通擁堵現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，每年發(fā)生的交通事故也在不斷上升，為了更好的解決這一問(wèn)題，研究和開(kāi)發(fā)汽車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)是很必要的。自動(dòng)駕駛系統(tǒng)能很好的解決道路擁堵，提高交通系統(tǒng)效率。我國(guó)2001年成功研制出時(shí)速達(dá)到76km的無(wú)人駕駛汽車；2003年首臺(tái)高速無(wú)人駕駛汽車出現(xiàn)，時(shí)速相比增長(zhǎng)很大，能達(dá)到170km；2006年紅旗HQ3無(wú)人實(shí)驗(yàn)車研制成功；2015年百度與寶馬聯(lián)手成功實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)無(wú)人汽車的全自動(dòng)駕駛，此次測(cè)試是中國(guó)無(wú)人駕駛車的里程碑，標(biāo)志著其發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的階段。并且自動(dòng)駕駛汽車還可以大幅度減小交通事故的發(fā)生，降低車禍的死亡率，使交通系統(tǒng)更加安全。

1 自動(dòng)駕駛汽車系統(tǒng)的功能與構(gòu)成

自動(dòng)駕駛技術(shù)是一個(gè)系統(tǒng)，利用各種先進(jìn)的設(shè)備來(lái)替代司機(jī)，完成一個(gè)司機(jī)駕駛車輛的功能。不同的模塊之間彼此溝通協(xié)調(diào)，來(lái)完成下述功能：①控制車輛加速，剎車和轉(zhuǎn)向。②監(jiān)控周邊障礙物。③遵守當(dāng)?shù)亟煌ǚㄒ?guī)，把車輛運(yùn)送到目的地。

一個(gè)完整的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，主要有下面3個(gè)部分：①GPS（全球定位系統(tǒng)）和地圖信息。地圖信息要精準(zhǔn)，要包括所有靜止物體的準(zhǔn)確位置信息，地圖數(shù)據(jù)必須精確到厘米量級(jí)。②傳感器、雷達(dá)和攝像機(jī)。車載傳感器每時(shí)每刻都要對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行掃描；車載雷達(dá)可以對(duì)路中的車輛和路邊的障礙物進(jìn)行檢測(cè)；攝像機(jī)可以用來(lái)檢測(cè)路標(biāo)和交通信號(hào)燈，傳輸給處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。③處理器。收集大量信息并對(duì)其進(jìn)行分類分析，然后發(fā)出指令指導(dǎo)車輛進(jìn)行行駛路徑的改變。處理器會(huì)根據(jù)收集到的信息進(jìn)行處理然后選擇最安全、最便捷的解決方案。同時(shí)還能將數(shù)據(jù)分享，與其他的車輛進(jìn)行溝通，共同形成一個(gè)合理的交通系統(tǒng)，以減少車禍發(fā)生的可能性。

2 自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中各部分作用

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)能夠通過(guò)車載傳感器和控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與人、車、路的信息交換，使車輛具備智能的環(huán)境感知能力，并且能夠自動(dòng)分析車輛行駛的安全狀態(tài)，對(duì)要行駛的路線進(jìn)行自動(dòng)規(guī)劃，使車輛按照人的意愿到達(dá)目的地。

在無(wú)人駕駛汽車中，車的前后燈附近都有激光掃描儀，它們可以對(duì)車附近的環(huán)境和路況進(jìn)行觀察、掃描，構(gòu)建一個(gè)立體的道路模型。激光掃描儀還能識(shí)別各種交通標(biāo)志，無(wú)論是紅綠燈還是限速標(biāo)志都能被識(shí)別，然后調(diào)用控制系統(tǒng)中每一種標(biāo)志所對(duì)應(yīng)的行駛規(guī)則，以保證能夠安全行駛。車頭上方會(huì)有攝像頭，它能夠識(shí)別道路上的白線，進(jìn)而控制車輛行駛的方向。同樣在車頂上還會(huì)有一個(gè)雷達(dá)，雷達(dá)能夠檢測(cè)自動(dòng)駕駛汽車與前方車輛、行人和障礙物之間的距離，不會(huì)使車輛與其他物體碰撞，從而使車輛

安全行駛。在車的兩側(cè)會(huì)有超聲傳感器，感受車輛兩側(cè)方向上的情況變化。通過(guò)這些使自動(dòng)駕駛汽車的安全性最大化。

無(wú)人駕駛汽車的控制系統(tǒng)裝載在車的后備箱中，實(shí)質(zhì)是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，能夠分析處理各種數(shù)據(jù)信息，并對(duì)汽車發(fā)送指令，使汽車在各種不同的情形下都能進(jìn)行靈活行駛，如圖1所示。比如躲避行人與障礙物，按照交通規(guī)則行駛，不與其他車輛爭(zhēng)搶，不會(huì)使道路擁擠，從容前進(jìn)。同時(shí)在遠(yuǎn)處的指揮控制中心還可以對(duì)車輛下達(dá)指令，進(jìn)而車輛本身的計(jì)算機(jī)接收指令后再控制車輛進(jìn)行相關(guān)的行駛。

圖1 自動(dòng)駕駛系統(tǒng)框圖

3 無(wú)人駕駛汽車的關(guān)鍵技術(shù)

無(wú)人駕駛汽車有兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：定位技術(shù)和控制技術(shù)。這兩方面相輔相成、互相配合共同構(gòu)成了無(wú)人駕駛汽車。

（1）定位技術(shù)。在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的技術(shù)就是定位技術(shù)。車輛需要對(duì)周圍所有的人、車和障礙物進(jìn)行定位，獲得他們的準(zhǔn)確位置，才可以采取相應(yīng)的駕駛方法。目前最常用的技術(shù)是磁導(dǎo)航和視覺(jué)導(dǎo)航。其中，磁導(dǎo)航是目前最成熟可靠的方案。磁導(dǎo)航的最大優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)受到天氣等自然條件的影響，選擇磁導(dǎo)航可以在各種天氣環(huán)境下行駛，并且便于維護(hù)。但是磁導(dǎo)航也有缺點(diǎn)存在，它需要在道路中架設(shè)一定數(shù)量的導(dǎo)航設(shè)備，實(shí)施十分復(fù)雜，維護(hù)也較為不便。視覺(jué)導(dǎo)航就不存在這個(gè)問(wèn)題。視覺(jué)導(dǎo)航中車載主控計(jì)算機(jī)可以在車輛偏離目標(biāo)軌道前預(yù)知并預(yù)防。其缺點(diǎn)是，受天氣條件影響較大，如風(fēng)沙、大霧使能見(jiàn)度低或交通標(biāo)志不清晰時(shí)，視覺(jué)導(dǎo)航便會(huì)失效。但由于視覺(jué)導(dǎo)航對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的要求較低，是目前最有發(fā)張前景的定位方法。所以解決視覺(jué)導(dǎo)航存在的問(wèn)題便成為當(dāng)前的首要任務(wù)，首先需要精度極高的視覺(jué)導(dǎo)航儀，其次是增強(qiáng)交通標(biāo)志被識(shí)別的功能。

（2）控制技術(shù)。在無(wú)人駕駛系統(tǒng)中最核心的技術(shù)就是車輛控制技術(shù)，控制技術(shù)的好壞決定了無(wú)人駕駛汽車的成敗，控制技術(shù)主要包括速度控制和方向控制兩部分。自動(dòng)駕駛其實(shí)就是用電子技術(shù)控制汽車進(jìn)行的仿人駕駛。從駕駛員的普通駕駛中分析得知，對(duì)車輛的控制是一個(gè)典型的預(yù)瞄控制行為，此行為中駕駛員根據(jù)當(dāng)前道路的情況，找到一個(gè)預(yù)瞄點(diǎn)，根據(jù)預(yù)瞄點(diǎn)來(lái)控制車輛。目前最常見(jiàn)的方法是經(jīng)典的智能PID算法，例如模糊PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID等。

4 無(wú)人駕駛汽車的發(fā)展方向

無(wú)人駕駛汽車的研究方向可以分為高速公路環(huán)境、城市環(huán)境、特殊環(huán)境三種，三者之間相互重疊而各自又有不同的技術(shù)側(cè)重點(diǎn)。

（1）在高速公路環(huán)境下，系統(tǒng)將使用環(huán)境限定為具有道路標(biāo)志良好的高速公路上，在這種環(huán)境下系統(tǒng)要完成的工作是檢測(cè)道路標(biāo)志線，跟蹤標(biāo)志線行駛，對(duì)道路中的車輛和路標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛汽車進(jìn)入高速公路后的全自動(dòng)駕駛。這種應(yīng)用解決了目前社會(huì)中最普遍枯燥的駕駛行為，提高了社會(huì)生活的工作效率。

（2）在城市環(huán)境下，無(wú)人駕駛相對(duì)于高速環(huán)境下車輛行駛速度比較慢，因此在這種環(huán)境下的無(wú)人駕駛汽車更安全可靠，在一定程度上能夠解決城市區(qū)域的交通問(wèn)題，特別是在大型的公共場(chǎng)所如機(jī)場(chǎng)、公園、校園，在這些地方無(wú)人駕駛車的速度較慢，路程比較近。但是，城市環(huán)境相對(duì)比較復(fù)雜，對(duì)感知和控制的算法提出了更嚴(yán)格的要求，所以在城市環(huán)境下無(wú)人駕駛汽車的行駛是一個(gè)很大的難題，這將成為下一階段研究重點(diǎn)。

（3）在特殊環(huán)境下，尤其是駕駛系統(tǒng)在軍事中的應(yīng)用，國(guó)家一直都很重視這方面的發(fā)展。但是關(guān)鍵技術(shù)與其他兩種環(huán)境一樣，感知和控制的要求更加嚴(yán)格，但是在性能要求上的側(cè)重點(diǎn)不同。在特殊環(huán)境下使用時(shí)著重考慮的是在惡劣環(huán)境下的適應(yīng)性，這也是在未來(lái)推廣應(yīng)用需重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人駕駛汽車是未來(lái)汽車發(fā)展的主流方向，它的應(yīng)用會(huì)降低道路上汽車的行駛速度，能大大減少交通事故的發(fā)生，同時(shí)也能舒緩當(dāng)前交通擁擠的狀況，使交通系統(tǒng)安全可靠。無(wú)人駕駛汽車從根本上改變了傳統(tǒng)車輛的控制方式，最大化的提高交通系統(tǒng)的效率。在計(jì)算機(jī)技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的研究充滿生機(jī)，無(wú)人駕駛汽車將會(huì)廣泛的運(yùn)用到實(shí)際生活中，為人們的生活增添光彩。

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Development and Research of Intelligent Car

JIANG Pei-hong，ZHANG Chang-kun
（Automotive Engineering Institute，Dezhou College，Dezhou，Shandong 253023，China）

Intelligent cars（self-driving cars）is helpful for efficiency and safety of transportation system，which will be the mainstream of future development.This paper introduces the function and technical principle of automatic driving system，expounds the development direction of driverless cars，and discusses the existing problems.

driverless cars；autopilot system；vehicle positioning；vehicle control

U463.5

A

2095-980X（2016）10-0010-02

2016-09-14

姜沛宏（1993-），女，山東煙臺(tái)人，大學(xué)本科，主要研究方向：汽車工程。