智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛的控制方法分析

吳政　韓冰　劉剛

摘 要：隨著汽車(chē)行業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于汽車(chē)的駕駛需求也有了更高的要求和標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)階段很多類(lèi)型的智能汽車(chē)為了滿足用戶的駕駛需求，通過(guò)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)駕駛的功能，這種自動(dòng)駕駛模式不僅能夠自動(dòng)對(duì)道路狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，而且還能夠在遇到突發(fā)交通事故時(shí)，自動(dòng)停止車(chē)輛運(yùn)行，確保駕駛?cè)说慕^對(duì)安全。因此本文將通過(guò)智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛技術(shù)概述、智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛的控制與執(zhí)行等幾個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行具體的研究分析。

關(guān)鍵詞：智能汽車(chē) 自動(dòng)駕駛 道路狀態(tài)識(shí)別

1 引言

智能汽車(chē)是一輛集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級(jí)輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)汽車(chē)，其集中運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代傳感、信息融合、通訊、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。隨著智能汽車(chē)相關(guān)技術(shù)的愈加成熟，其現(xiàn)如今已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)駕駛功能，智能汽車(chē)在傳感器、自動(dòng)控制系統(tǒng)等作用下能夠自動(dòng)對(duì)行駛道路狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)用戶的駕駛需求來(lái)自動(dòng)規(guī)劃行駛道路，并且在行駛過(guò)程中如若出現(xiàn)障礙物的話，其也能夠自動(dòng)進(jìn)行躲避，可以說(shuō)智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛功能大幅度的提高了車(chē)輛駕駛過(guò)程中的安全性和穩(wěn)定性。

2 智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛技術(shù)概述

智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛技術(shù)指的是利用電腦、雷達(dá)、傳感器等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)駕駛的智能化、無(wú)人化。傳統(tǒng)汽車(chē)主要是依靠人力控制的方式來(lái)進(jìn)行駕駛的，而智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛技術(shù)則能夠利用智能系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)進(jìn)行自動(dòng)化操作，智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)通過(guò)感知模塊、規(guī)劃決策模塊和執(zhí)行模塊自動(dòng)對(duì)車(chē)輛行駛過(guò)程中的運(yùn)行情況以及外界道路環(huán)境情況進(jìn)行分析，制定最佳的道路運(yùn)行方案，并根據(jù)實(shí)際智能汽車(chē)的實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)其行駛速度等參數(shù)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，確保智能汽車(chē)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛技術(shù)是汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的跨時(shí)代性標(biāo)志，其推動(dòng)汽車(chē)行業(yè)走向了智能化方向發(fā)展的道路，路徑規(guī)劃、自動(dòng)避障等自動(dòng)化功能使得車(chē)輛行駛更加安全，對(duì)于交通行業(yè)的發(fā)展也是有著極其重要的影響作用。

3 智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)主要能夠分為感知模塊、規(guī)劃決策模塊和執(zhí)行模塊三大模塊，其中感知模塊能夠?qū)χ悄芷?chē)行駛過(guò)程中的周邊數(shù)據(jù)信息進(jìn)行全面的收集，規(guī)劃決策模塊則能夠?qū)Ω兄K收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行具體的分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)車(chē)輛運(yùn)行進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，執(zhí)行模塊則能夠根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)模塊給予的命令，對(duì)智能汽車(chē)進(jìn)行自動(dòng)化操作，以此來(lái)完成實(shí)現(xiàn)智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛的目的。

3.1 感知模塊

感知模塊是確保智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛絕對(duì)安全的根本所在，其主要由各種類(lèi)型的大量傳感器組成，感知模塊主要能夠分為內(nèi)感知和外感知兩個(gè)方面，其中內(nèi)感知指的是利用智能汽車(chē)內(nèi)部的傳感器對(duì)汽車(chē)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)收集，而外感知?jiǎng)t指的是對(duì)外界道路交通環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)收集。感知模塊所收集到的所有信息數(shù)據(jù)對(duì)于其后期的自動(dòng)駕駛效果都有著至關(guān)重要的影響作用，而不管是內(nèi)感知收集到的信息數(shù)據(jù)，還是外感知收集到的信息數(shù)據(jù)，最終全部會(huì)被傳輸?shù)揭?guī)劃決策模塊中。同時(shí)感知模塊還能夠?qū)︸{駛?cè)藛T的駕駛狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)多個(gè)傳感器來(lái)及時(shí)收集到駕駛?cè)藛T駕駛車(chē)輛過(guò)程中的表情、心跳、腦電波變化情況等信息數(shù)據(jù)，這些信息數(shù)據(jù)也是決定是否開(kāi)展智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛功能的重要影響因素。

3.2 規(guī)劃決策模塊

如若說(shuō)感知模塊是智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的眼睛，那么規(guī)劃決策模塊則可以說(shuō)是智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的大腦，感知模塊收集到的所有信息數(shù)據(jù)全部會(huì)被傳輸?shù)揭?guī)劃決策模塊中，而規(guī)劃決策模塊一方面能夠通過(guò)對(duì)感知模塊收集到的車(chē)輛自身運(yùn)行信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，來(lái)及時(shí)掌握車(chē)輛的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)；另一方面其還能夠通過(guò)對(duì)車(chē)輛外界運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行分析，判斷車(chē)輛運(yùn)行是否存在安全風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。規(guī)劃決策模塊能夠?qū)︸{駛?cè)藛T的駕駛狀態(tài)進(jìn)行分析，判斷是否需要開(kāi)啟自動(dòng)駕駛模塊，而在開(kāi)始自動(dòng)駕駛模式之后其便能夠根據(jù)外界行駛環(huán)境來(lái)自動(dòng)控制車(chē)輛的行駛速度，并結(jié)合駕駛?cè)藛T的駕駛需求對(duì)行駛路線進(jìn)行規(guī)劃，如若在車(chē)輛行駛過(guò)程中遇到障礙物或者安全交通事故堵塞的話，那么智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的規(guī)劃決策模塊也能夠根據(jù)實(shí)際情況快速下達(dá)相關(guān)指令，自動(dòng)駕駛車(chē)輛繞行或停車(chē)，用以躲避障礙物或交通堵塞，確保駕駛?cè)藛T的絕對(duì)安全。

3.3 執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊則相當(dāng)于是智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的手臂，感知模塊收集信息，規(guī)劃決策模塊分析信息并傳達(dá)決策指令，而執(zhí)行模塊則最為簡(jiǎn)單，其只需要落實(shí)規(guī)劃決策模塊下達(dá)的指令即可。智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的規(guī)劃決策模塊能夠根據(jù)車(chē)輛行駛過(guò)程中的外界環(huán)境情況對(duì)其下達(dá)轉(zhuǎn)向、加速、剎車(chē)等指令，執(zhí)行模塊則能夠按照這些指令自動(dòng)操控智能汽車(chē)的相關(guān)軟件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)指令要求，從而以此來(lái)達(dá)到智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛的目的。感知模塊、規(guī)劃決策模塊與執(zhí)行模塊之間的連接是極其緊密的，任何模塊出現(xiàn)故障問(wèn)題都會(huì)對(duì)智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)功能作用的發(fā)揮造成極其嚴(yán)重的影響，因此在智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中也要定期做好系統(tǒng)的全面檢測(cè)工作，通過(guò)維護(hù)檢測(cè)的方式來(lái)確保智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性，這樣才能夠更好地推動(dòng)智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)功能作用的發(fā)揮。

4 智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛的控制與執(zhí)行

4.1 縱向控制

智能汽車(chē)的自動(dòng)駕駛控制主要能夠分為縱向控制和橫向控制兩個(gè)方面，其中縱向控制則主要指的是對(duì)車(chē)輛行駛速度的自動(dòng)控制。智能汽車(chē)在自動(dòng)駕駛過(guò)程中，其會(huì)根據(jù)當(dāng)前路況情況和駕駛?cè)藛T的需求自動(dòng)對(duì)車(chē)輛的駕駛速度進(jìn)行控制，并選擇合適的跟車(chē)距離，確保與前車(chē)距離保持在絕對(duì)安全的范圍內(nèi)。智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制中的縱向控制所涉及的技術(shù)內(nèi)容也是較為復(fù)雜的，傳感器的精準(zhǔn)性將會(huì)直接影響到縱向控制的效果，而且智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在進(jìn)行車(chē)輛信息數(shù)據(jù)分析的時(shí)候也要充分結(jié)合道路的限速情況，其能夠根據(jù)道路行駛狀況與限速情況對(duì)車(chē)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，既保證車(chē)輛行駛速度能夠滿足駕駛?cè)藛T的需求和道路行駛要求，又能夠盡可能地提升車(chē)輛自動(dòng)駕駛的安全性和穩(wěn)定性。

4.2 橫向控制

橫向控制也是智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制的重點(diǎn)之一，其縱向控制主要是對(duì)智能汽車(chē)的行駛速度進(jìn)行控制，而橫向控制則主要是對(duì)智能汽車(chē)打的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行控制。相比于縱向控制，智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的橫向控制難度更高一些，智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)能夠根據(jù)車(chē)輛的行駛路線對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，如若前方出現(xiàn)障礙物的時(shí)候，那么智能汽車(chē)便能夠?qū)?chē)輛兩邊以及后方的道路環(huán)境進(jìn)行分析，確保安全的前提下進(jìn)行變道運(yùn)動(dòng)，避免與障礙物發(fā)生碰撞。同時(shí)如若智能汽車(chē)在行駛過(guò)程中需要進(jìn)行轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的話，智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)也能夠在橫向控制的作用下自動(dòng)打開(kāi)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向燈，并占據(jù)轉(zhuǎn)向車(chē)道，最終完成轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)目的，智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)向角度和速度也有著較高的要求和標(biāo)準(zhǔn)，其能夠根據(jù)對(duì)路口狀況的分析選擇合適的轉(zhuǎn)向角度和行駛速度，確保車(chē)輛能夠安全穩(wěn)定的通過(guò)交通路口。

4.3 車(chē)輛控制平臺(tái)

大多數(shù)智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制平臺(tái)都是由整車(chē)ECU電子控制單元與通信總線兩大模塊組成的，整車(chē)ECU電子控制單元在智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制中主要起到對(duì)車(chē)輛運(yùn)行情況進(jìn)行控制和計(jì)算的作用。車(chē)輛控制平臺(tái)是智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)體現(xiàn)的關(guān)鍵所在，駕駛?cè)藛T能夠通過(guò)車(chē)輛控制平臺(tái)對(duì)自動(dòng)駕駛參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并及時(shí)查看車(chē)輛在自動(dòng)行駛過(guò)程中產(chǎn)生的相關(guān)運(yùn)行信息數(shù)據(jù)，而且車(chē)輛控制平臺(tái)中的通信總線還能夠?qū)崿F(xiàn)智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)不同模塊之間的連接，通過(guò)通信總線能夠使得智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)的可靠性得到提升，同時(shí)駕駛?cè)藛T也能夠利用通信總線及時(shí)掌握到車(chē)輛道路狀況以及車(chē)輛自動(dòng)行駛相關(guān)信息。

4.4 智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛車(chē)輛道路狀況識(shí)別

在智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制中最重要的便是需要做好道路交通狀況的自動(dòng)識(shí)別工作，智能汽車(chē)在道路中進(jìn)行自動(dòng)駕駛過(guò)程中，其感知模塊能夠?qū)ν饨绲缆方煌ōh(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的收集分析，規(guī)劃決策模塊則能夠根據(jù)感知模塊收集到的信息對(duì)車(chē)輛行駛的道路狀況進(jìn)行識(shí)別處理。智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制中的道路狀況識(shí)別主要能夠分為兩個(gè)方面，其中一方面表現(xiàn)為智能汽車(chē)在自動(dòng)駕駛過(guò)程中自動(dòng)對(duì)周邊道路交通環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，如若存在障礙物等問(wèn)題的話，那么智能汽車(chē)便能夠根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行繞道行駛或者停車(chē)待行；另一方面則表現(xiàn)為智能車(chē)輛對(duì)行駛路線的規(guī)劃設(shè)計(jì)，智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)能夠與道路網(wǎng)絡(luò)相連接，及時(shí)接受到當(dāng)前道路的同行信息，如若道路前方出現(xiàn)交通堵塞問(wèn)題的話，那么智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)對(duì)行駛路線進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，盡可能地避開(kāi)擁堵路段，確保車(chē)輛能夠在最短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)行駛到指定目的地。

4.5 智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制仿真驗(yàn)證

4.5.1 ISG電機(jī)數(shù)字模型和自動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制

在對(duì)智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制仿真模型進(jìn)行建立的時(shí)候需要對(duì)ISG電機(jī)的數(shù)字模型和自動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制進(jìn)行模擬應(yīng)用。在智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制仿真模型中使用的ISG電機(jī)普遍為永磁同步電機(jī)，該電機(jī)的整體性能是比較好的，其具有高效、高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性及低振動(dòng)噪聲的特點(diǎn)。假設(shè)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)阻尼，忽略高次諧波、磁飽和、渦流、磁滯損耗及溫度等對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響，來(lái)對(duì)ISG電機(jī)的數(shù)字模型進(jìn)行建立并將其應(yīng)用于智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制仿真模型中便能夠直觀地體現(xiàn)出ISG電機(jī)的各方面特性。

4.5.2 智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制仿真模型

在進(jìn)行智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制仿真模型構(gòu)建的時(shí)候首先需要對(duì)各方面條件進(jìn)行控制，確定智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制的冷、熱等條件，其次便是需要對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行明確，主要研究電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的關(guān)聯(lián)，這樣才能夠更好地在智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制仿真模型中明確各方面因素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)速度造成的影響。智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制仿真模型的控制對(duì)象主要是ISG電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)部分，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和ISG電機(jī)轉(zhuǎn)矩共同作用于發(fā)動(dòng)機(jī)和ISG電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和，經(jīng)過(guò)積分器來(lái)得到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)智能汽車(chē)初始啟動(dòng)時(shí)只會(huì)啟動(dòng)ISG電機(jī)，而后等到蓄電池的電量無(wú)法滿足智能汽車(chē)運(yùn)行需求時(shí)，ISG電機(jī)便會(huì)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速提升，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升速度則為智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制速度，通過(guò)智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制仿真模型來(lái)對(duì)影響其自動(dòng)駕駛效果的各方面因素全部進(jìn)行有效檢測(cè)，分析智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛過(guò)程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，以此來(lái)研究智能汽車(chē)自動(dòng)控制駕駛過(guò)程，從而為提高智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制性能工作的開(kāi)展奠定下堅(jiān)實(shí)良好的基礎(chǔ)。

4.5.3 智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)模擬檢測(cè)

將智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制仿真模型建設(shè)完畢之后，還需要對(duì)其實(shí)際駕駛效果進(jìn)行模擬檢測(cè)，檢測(cè)人員根據(jù)智能汽車(chē)的駕駛需求將其進(jìn)行模擬自動(dòng)行駛，并在車(chē)輛自動(dòng)行駛過(guò)程中對(duì)汽車(chē)的行駛速度、轉(zhuǎn)向情況等各方面功能全部進(jìn)行具體的檢測(cè)分析，在智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)模擬檢測(cè)過(guò)程中需要將其存在的不足之處挖掘出來(lái)，并不斷優(yōu)化汽車(chē)的性能響應(yīng)能力。而且通過(guò)仿真軟件VTD、carla等還能夠?yàn)橹悄芷?chē)運(yùn)行創(chuàng)建不同的運(yùn)行環(huán)境，例如在智能汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)其前方道路設(shè)置障礙物，那么便能夠以此來(lái)檢測(cè)智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的自動(dòng)避障功能，分析其具體反應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間等，以此為基礎(chǔ)判斷智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛的安全性和可控性。

5 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制技術(shù)的成功應(yīng)用使得汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展真正意義上的邁入了智能化時(shí)代。通過(guò)智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)能夠?qū)Ⅰ{駛?cè)藛T的雙手完全解放出來(lái)，而且隨著智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制技術(shù)的愈加成熟，其所能夠發(fā)揮的功能作用也是越來(lái)越明顯，該技術(shù)有效地解決了駕駛?cè)藛T在駕駛車(chē)輛時(shí)走神、犯困等安全隱患問(wèn)題，既能夠輔助駕駛?cè)藛T駕駛車(chē)輛，又能夠自動(dòng)駕駛車(chē)輛運(yùn)行，在保證車(chē)輛駕駛安全性的同時(shí)降低了交通事故發(fā)生的可能性，從根本上有利于推動(dòng)汽車(chē)行業(yè)甚至整個(gè)交通行業(yè)的發(fā)展。

課題項(xiàng)目：2023年度自治區(qū)高?？蒲幸话沩?xiàng)目，自然科學(xué)類(lèi)，項(xiàng)目名稱(chēng)《基于PANOSIM的全路況智能駕駛輔助系統(tǒng)測(cè)試研究》，項(xiàng)目編號(hào)NJZY23065。

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