挑戰(zhàn)前沿 創(chuàng)新以恒

劉巖松

1986年以來(lái)，在何克忠教授的帶領(lǐng)下，清華智能車技術(shù)不斷取得創(chuàng)新，為國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的科技發(fā)展帶來(lái)了先進(jìn)的理念和啟發(fā)。

清華大學(xué)智能技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室THMR課題組，以何克忠教授為創(chuàng)新帶頭人，先后承擔(dān)了與無(wú)人車技術(shù)有關(guān)的“七五”至“十一五”國(guó)家科技重點(diǎn)項(xiàng)目6項(xiàng)，國(guó)家863計(jì)劃“智能交通”等科技研究項(xiàng)目8項(xiàng)，同時(shí)還承擔(dān)了由國(guó)家郵政研究所、徐工集團(tuán)、Omron公司等國(guó)內(nèi)外企業(yè)支持的與無(wú)人車技術(shù)有關(guān)的研發(fā)課題6項(xiàng)。先后設(shè)計(jì)和研制成室內(nèi)智能移動(dòng)機(jī)器人THMR-Ⅰ、THMR-Ⅱ、THMR-ⅡA和室外智能移動(dòng)機(jī)器人THMR-Ⅲ和THMR-V，并于2000年與徐工集團(tuán)協(xié)作，成功地開發(fā)了LTU125A自動(dòng)攤鋪機(jī)；THMR課題組還成功開發(fā)了多項(xiàng)總線式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如TH-STD-7000、TH-IPC-7000、TH-104-7000以及嵌入式測(cè)控機(jī)模板，如TH-MCS-7855、TH-MCS-7816和TH-MCS-7845等，它們已分別應(yīng)用于玻璃窯爐控制、農(nóng)藥生產(chǎn)過(guò)程控制、郵政物料運(yùn)輸車控制、自動(dòng)攤鋪機(jī)控制、智能機(jī)器人控制以及汽車安全輔助駕駛系統(tǒng)等。

本刊記者：無(wú)人車的科技價(jià)值有哪些？它的發(fā)展前景您如何評(píng)價(jià)？

何克忠：從行車安全來(lái)說(shuō)，無(wú)人車是采用計(jì)算機(jī)和電子儀器來(lái)檢測(cè)環(huán)境信息和車體狀態(tài)信息的，車體的動(dòng)作也是用計(jì)算機(jī)和電子機(jī)電裝置來(lái)控制的，因此無(wú)人車對(duì)環(huán)境、對(duì)車體的狀況看得清楚、看得精確，動(dòng)作快捷、靈敏，更沒(méi)有誤把油門當(dāng)作剎車去踩的可能。而人工駕駛時(shí)，人對(duì)環(huán)境和車體狀態(tài)的觀察和感知緩慢、動(dòng)作反應(yīng)遲緩，還受精神狀態(tài)的影響，甚至發(fā)出誤判和錯(cuò)誤動(dòng)作。因此無(wú)人駕駛較之人工駕駛在安全性、可靠性上要高得多。

無(wú)人車技術(shù)運(yùn)用廣泛，可應(yīng)用于軍用、民用、公交、消防或星球探測(cè)車輛或載體等的自動(dòng)駕駛、輔助駕駛和遙控駕駛；無(wú)人車技術(shù)也廣泛應(yīng)用于危險(xiǎn)、有毒、有害場(chǎng)合或人類難以到達(dá)場(chǎng)合的探測(cè)、觀察、處理、監(jiān)控、維護(hù)和排障；除此以外，無(wú)人車技術(shù)還在工廠、碼頭、倉(cāng)庫(kù)、基地、機(jī)場(chǎng)的巡視和物料運(yùn)輸?shù)确矫嬗兄匾膽?yīng)用。

本刊記者：我們知道，早在2003年，您就領(lǐng)導(dǎo)完成了達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的智能車THMR-V。為我們?cè)敿?xì)介紹一下該成果？

何克忠：清華大學(xué)智能技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)室THMR課題組經(jīng)過(guò)多年的努力，在1995年研制成我國(guó)第一臺(tái)無(wú)人駕駛車THMR-III，見圖1；在2003年研制成功清華無(wú)人駕駛車THMR-V見圖2，該無(wú)人車THMR-V能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的車道線自動(dòng)跟蹤，準(zhǔn)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的道路跟蹤，復(fù)雜環(huán)境下的道路避障、道路停障以及視覺(jué)臨場(chǎng)感遙控駕駛等功能。在車道線自動(dòng)跟蹤研究中，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)跟蹤，平均時(shí)速為每小時(shí)100公里，最高時(shí)速達(dá)到每小時(shí)150公里。駛出了全球極速。

本刊記者：在無(wú)人車THMR-V的研制過(guò)程中遇到了哪些關(guān)鍵技術(shù)，是如何解決的？

何克忠：在研制過(guò)程中，遇到關(guān)鍵技術(shù)有：道路和車道線的檢測(cè)技術(shù)；高速車體的控制技術(shù)；方向盤轉(zhuǎn)角的精密檢測(cè)與傳動(dòng)技術(shù)；智能車的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)；工業(yè)級(jí)測(cè)量控制模板的開發(fā)；測(cè)控裝置的安全性、可靠性。

1.道路和車道線的檢測(cè)技術(shù)

針對(duì)道路識(shí)別和車道線的檢測(cè)技術(shù)，提出了基于擴(kuò)充轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)的道路理解技術(shù)。這種技術(shù)大幅度降低了道路圖像處理和車道線識(shí)別的計(jì)算量，提高了車道線檢測(cè)的速度，保證了車道線檢測(cè)和道路環(huán)境理解的實(shí)時(shí)性，而且能夠有效避免路面上其它車道標(biāo)志的干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在車道線跟蹤階段，全部計(jì)算過(guò)程的周期縮短到不足20毫秒，滿足了高速無(wú)人車自主行駛的實(shí)時(shí)性需求。

2.高速無(wú)人車的控制技術(shù)

對(duì)于高速車體的控制，采用了基于混合模糊邏輯的控制方法。該方法是把傳統(tǒng)的PID控制與模糊邏輯控制結(jié)合起來(lái)，提出了一種混合模糊邏輯控制算法，該算法具有很高的實(shí)時(shí)性、控制精度和魯棒性，滿足了智能車高速自主導(dǎo)航的需要。

3.方向盤轉(zhuǎn)角檢測(cè)與精密傳動(dòng)技術(shù)

高速行駛的無(wú)人車，方向角有些微的偏差，無(wú)人車將會(huì)沖出車道線乃至沖離道路。對(duì)于方向盤轉(zhuǎn)角的檢測(cè)，選擇了精密的絕對(duì)光碼盤，并且設(shè)計(jì)了合適的傳動(dòng)比，配置了精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

4.無(wú)人車的分層遞階的體系結(jié)構(gòu)

無(wú)人車是一個(gè)復(fù)雜、龐大的電子機(jī)電系統(tǒng)，包括多個(gè)車體控制系統(tǒng)，多種不同數(shù)量的傳感器和檢測(cè)裝置，多臺(tái)實(shí)現(xiàn)不同功能的電子計(jì)算機(jī)，要把如此復(fù)雜、龐大的系統(tǒng)中的各個(gè)部件有機(jī)、高效地組織起來(lái)，有條不紊地協(xié)調(diào)工作是無(wú)人車體系結(jié)構(gòu)要解決的關(guān)鍵技術(shù)。我們采用了分層遞階的體系結(jié)構(gòu)：智能級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)，它們都選用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，三級(jí)之間實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。

智能級(jí)是根據(jù)起始點(diǎn)位置、目標(biāo)點(diǎn)位置和電子地圖進(jìn)行全局路徑規(guī)劃，規(guī)劃出-條最佳的可通行的路徑。當(dāng)全局路徑發(fā)生變故，影響行進(jìn)時(shí)，智能級(jí)將進(jìn)行全局路徑的重規(guī)劃。兩種規(guī)劃的結(jié)果都發(fā)送給協(xié)調(diào)級(jí)。

協(xié)調(diào)級(jí)接受執(zhí)行級(jí)各個(gè)傳感器傳來(lái)的位置信息和車體的狀態(tài)信息，協(xié)調(diào)級(jí)對(duì)相應(yīng)的信息進(jìn)行融合，建立車體的狀態(tài)模型和環(huán)境模型，并將部份信息，上傳給智能級(jí)供全局路徑規(guī)劃使用，協(xié)調(diào)級(jí)根據(jù)上述兩種模型和智能級(jí)送來(lái)的規(guī)劃路徑，進(jìn)行局部路徑規(guī)劃，并據(jù)此進(jìn)行軌跡規(guī)劃，向執(zhí)行級(jí)發(fā)出車體動(dòng)作命令，如方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向，油門的車速命令乃至剎車、檔位等命令。

執(zhí)行級(jí)包括車體（方向、油門、剎車、檔位、啟停等）控制系統(tǒng)；激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)；攝像機(jī)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)；GPS、慣導(dǎo)等車體定位系統(tǒng)；磁羅盤-光碼盤位置、速度測(cè)量系統(tǒng)等。執(zhí)行級(jí)接受協(xié)調(diào)級(jí)發(fā)來(lái)的車體控制命令，控制車體動(dòng)作；并向協(xié)調(diào)級(jí)發(fā)送各個(gè)傳感器采集到的車體狀態(tài)信息和車體的環(huán)境信息。

這種分層遞階的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了功能的分散，用多臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)各自不同的功能，避免了一臺(tái)計(jì)算機(jī)功能過(guò)多、過(guò)于集中帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。另外從實(shí)時(shí)性、快速性，編程的簡(jiǎn)便、安全、可靠方面也有很大的優(yōu)點(diǎn)。endprint

5.工業(yè)級(jí)測(cè)量控制模板的開發(fā)

無(wú)人車的工作環(huán)境十分惡劣，環(huán)境溫度范圍寬，振動(dòng)幅度大，抗電磁干擾要求高。對(duì)于車體控制系統(tǒng)課題組先后開發(fā)了工業(yè)級(jí)STD總線、104總線、IPC總線和CAN總線等總線式測(cè)控模板，實(shí)現(xiàn)模擬量的輸入、輸出，開關(guān)量的輸入、輸出等功能。這些模板分別通過(guò)工業(yè)過(guò)程控制總線STD、104、IPC、CAN等與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

本刊記者：當(dāng)下以及未來(lái)，無(wú)人車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有哪些挑戰(zhàn)？相比世界領(lǐng)先水平，我們還有哪些差距？

何克忠：為了讓中國(guó)無(wú)人車輛得到更好的發(fā)展，我們認(rèn)為應(yīng)該在以下幾個(gè)方面繼續(xù)努力：

1.提高無(wú)人車的可靠性和安全性

無(wú)人車上路最重要的難題是可靠性和安全性，尤其包括無(wú)人車上的控制裝置如方向、油門、剎車等控制系統(tǒng)；攝像機(jī)、激光雷達(dá)、方向位置等檢測(cè)部件；供電系統(tǒng)和工控機(jī)的可靠性和安全性。

2.加速、加強(qiáng)無(wú)人車研制單位與汽車制造行業(yè)的結(jié)合

無(wú)人車輛的研究應(yīng)該盡早與汽車行業(yè)協(xié)作或結(jié)合，如車體控制裝置等從研制過(guò)程與汽車行業(yè)協(xié)作，以汽車要求的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、調(diào)試、安裝，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和批量化，以提高新增的無(wú)人車設(shè)備、裝置的可靠性。

3.加強(qiáng)無(wú)人車重要設(shè)備、裝置的研究，建立制造基地

眾所周知，對(duì)于無(wú)人車的工作溫度要求是十分苛刻的，從零下數(shù)十℃到零上數(shù)十℃，而常用的傳感器如攝像機(jī)、工控機(jī)等的工作溫度也就0℃-50℃，遠(yuǎn)不能滿足可靠性要求，應(yīng)采用新技術(shù)、新方法、新材料加強(qiáng)對(duì)無(wú)人車使用的設(shè)備或裝置的研制和開發(fā)。

目前國(guó)內(nèi)使用的無(wú)人車傳感器，如激光雷達(dá)、微波雷達(dá)、攝像機(jī)、紅外傳感器等大部份是從國(guó)外進(jìn)口，基本上沒(méi)有國(guó)產(chǎn)的高性能產(chǎn)品。國(guó)家應(yīng)該加大投入，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究、加強(qiáng)原材料研究，建立較齊全的無(wú)人車用的傳感器生產(chǎn)基地。

4.加大對(duì)無(wú)人車技術(shù)研究的支持力度，加大經(jīng)費(fèi)的投入

無(wú)人駕駛汽車的研究涉及機(jī)械、光學(xué)、電學(xué)、計(jì)算機(jī)、汽車技術(shù)等，是多種學(xué)科、多種技術(shù)的交叉和綜合，需要大量的人力、物力、財(cái)力的投入。雖然近年來(lái)國(guó)家加大了投入，但是與實(shí)際的需要、與國(guó)外經(jīng)費(fèi)的投入相差很大，需要加大對(duì)無(wú)人車技術(shù)研究的支持力度，加大經(jīng)費(fèi)的投入，以加快我國(guó)無(wú)人駕駛車輛技術(shù)的發(fā)展。endprint