智能車輛系統(tǒng)發(fā)展概述

李明軒　張加特　雷超帆

摘 要：介紹智能車輛系統(tǒng)的研究內(nèi)容、研究與應(yīng)用現(xiàn)狀。智能車輛的使用可以改善道路安全狀況，提高道路的利用率。智能車輛的行駛環(huán)境是很復(fù)雜的，為了得到一個可靠的決策，必須利用道路信息，其他車輛和目標(biāo)的位置和動態(tài)信息和司機的狀態(tài)信息等多源信息。智能車輛研究涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括傳感器技術(shù)、機器視角、GPS 技術(shù)、通訊技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)等，尤其是數(shù)據(jù)融合技術(shù)中的多目標(biāo)跟蹤與匹配以及基于卡爾曼濾波器的狀態(tài)估計技術(shù)等。

關(guān)鍵詞：智能車輛；傳感器；數(shù)據(jù)融合

作為智能交通系統(tǒng)（ ITS： Intelligent TransportationSystem） 的一個重要組成部分，智能車輛系統(tǒng)（ IV：Intelligent Vehicles） 利用傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)、通訊技術(shù)、計算機技術(shù)等，辨識車輛所處的環(huán)境和狀態(tài)，并根據(jù)各傳感器所得到的信息作出分析和判斷，或者給司機發(fā)出勸告和報警信息，提請司機注意規(guī)避危險； 或者在緊急情況下，幫助司機操作車輛（即輔助駕駛系統(tǒng)） ，防止事故的發(fā)生，使車輛進入一個安全的狀態(tài)； 或者代替司機的操作，實現(xiàn)車輛運行的自動化。

1 智能車輛的研究內(nèi)容

智能車輛系統(tǒng)的研究內(nèi)容主要包括3 個部分，即為司機提供勸告或預(yù)警信號的系統(tǒng)，如車輛碰撞預(yù)警系統(tǒng)等； 在一定的條件下對車輛實施控制的系統(tǒng)，如輔助駕駛系統(tǒng)或緊急情況下的干預(yù)如碰撞規(guī)避系統(tǒng)等； 車輛的全控操作即車輛的自動化，如車輛在自動高速公路上的自動駕駛等。

1.1 碰撞預(yù)警和司機勸告系統(tǒng)

碰撞預(yù)警和司機勸告系統(tǒng)利用安裝于車上的各種傳感器，實時監(jiān)測車輛周圍的行駛環(huán)境，并對得到的信息進行分析處理，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有危及本車行車安全的行為或狀態(tài)時，及時發(fā)出報警或勸告信號，提醒本車司機及時處理。報警系統(tǒng)一般包括追尾碰撞報警、盲區(qū)報警、離道報警、變道或合道報警、交叉道口碰撞報警、行人檢測與報警、后碰撞報警以及司機狀態(tài)監(jiān)測與報警等不同組成部分，其目的就是檢測到有任何一種危險時，在司機的有效安全反應(yīng)時間內(nèi)，提醒司機注意或采取措施，防止有損車輛安全的事件發(fā)生。

1.2 車輛輔助駕駛系統(tǒng)

輔助駕駛系統(tǒng)是在一定的條件下，對車輛實施自動控制的智能系統(tǒng)。當(dāng)碰撞預(yù)警系統(tǒng)檢測到有碰撞危險，向司機多次發(fā)出報警或勸告信息，司機都未能及時對報警信號進行處理，危險程度越來越高時，碰撞規(guī)避系統(tǒng)接管對車輛的控制，通過制動、駕駛、油門調(diào)節(jié)等機動措施，使車輛恢復(fù)到一個安全狀態(tài)。輔助駕駛系統(tǒng)包括自適應(yīng)巡行控制系統(tǒng)（ACC： AdaptiveCruise Control） ，車道保持系統(tǒng)和安全停車系統(tǒng)等。1.3 車輛自動化系統(tǒng)

為了減輕司機的勞動強度，避免長時間枯燥地重復(fù)某一動作，發(fā)展了各種類型的車輛自動控制系統(tǒng)，用以完全取代人的操作，如在交通擁擠的場合，車輛基本上處于運行和停止兩種狀態(tài)之間，司機不斷地重復(fù)著同一動作，在這種情況下，低速自動化（LSA：low speed automation） 可以代替司機的操作，從事這種單一、枯燥操作。小間距車列（platoon） 系統(tǒng)（或稱為車群系統(tǒng)） ，利用車與車間的通訊系統(tǒng)，及時將前車當(dāng)前的運行狀態(tài)、下一步要采取的措施、目的地等信息告訴后車，后車根據(jù)前車的狀態(tài)和動作，及時調(diào)整運行策略，始終與前車保持一個較小的安全車距。車列系統(tǒng)內(nèi)各車的間距可以小到幾米或十幾米，因而，它可以大大提高道路的通行能力和道路的利用率。利用GPS 和數(shù)字地圖等組成的電子導(dǎo)航系統(tǒng)，可以控制車輛在隔離或封閉區(qū)域如公交車道、貨場等區(qū)域內(nèi)自動運行。

2 智能車輛的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 碰撞報警系統(tǒng)

全世界每年因為車輛碰撞所造成的財產(chǎn)損失以千億計，人員死亡約百萬人，而70 %～90 %的交通事故是人為因素造成的，其中56 %是司機識別錯誤引起的。因此，利用各種傳感器技術(shù)，提高對環(huán)境的辨識能力，是減少交通事故的一個有力措施。美國、日本和歐洲的眾多汽車廠家和研究機構(gòu)，利用安裝于車上的各種傳感器如毫米波雷達、激光雷達、機器視角及超聲傳感器等，制成了各種報警系統(tǒng)的樣機，并進行了各種試驗，這些系統(tǒng)能隨時給司機發(fā)出各種報警和勸告信息。由于交通環(huán)境的復(fù)雜性，虛警和可靠性問題是一直困繞碰撞報警（CW：Collision Warning） 系統(tǒng)應(yīng)用的一個重要原因，如基于雷達的CW系統(tǒng)一般不易區(qū)分前面正在變道的車輛和正在轉(zhuǎn)彎的車輛，基于機器視角的CW系統(tǒng)往往不能精確確定目標(biāo)的位置等。最小的虛警率、最大的可靠性、盡量低的價格等要求，使得CW系統(tǒng)在一般車輛上的應(yīng)用進展緩慢。

2.2 輔助駕駛系統(tǒng)

在某種意義上可以認為，碰撞報警系統(tǒng)與車輛控制系統(tǒng)組成了輔助駕駛系統(tǒng)。如防追尾碰撞系統(tǒng)就涉及車輛追尾碰撞報警，車輛的縱向控制（減速或制動） 和橫向控制（變道行駛，彎道行駛） 等。高級的輔助駕駛系統(tǒng)就是自適應(yīng)巡行控制（ACC） ，本田、尼桑和豐田已開發(fā)了相應(yīng)的系統(tǒng)涉及車道定位、間距控制、自動制動、障礙物報警及打瞌睡報警等安全子系統(tǒng)。歐洲則致力于司機狀態(tài)檢測、道路條件測量、圖像加強（增強） 以及傳感器融合等。實際運行表明，ACC 可以降低司機的疲勞度，提高燃料的利用率。現(xiàn)在的ACC 系統(tǒng)適合于高速公路系統(tǒng)，正在研制的下一代將會支持交通擁擠狀況下的停止運行工作方式。

根據(jù)道路情況，自動調(diào)整車輛速度是提高安全性的又一種手段。這種系統(tǒng)利用路邊的通訊設(shè)施或衛(wèi)星定位系統(tǒng)以及包含特定路段限速信息的在線地圖，要求或控制車輛在不同路段，以不同的最大車速運行。荷蘭、英國、韓國以及瑞典等國建立了類似的試驗系統(tǒng)，試驗表明，采用這種系統(tǒng)后事故降低了約20 %。

2.3 車輛的自動化操作

車輛的全自動操作具有行駛安全、便于形成高效率的交通流、方便司機、提高道路利用率等特點，這種系統(tǒng)在20 世紀(jì)90 年代已有樣機展示。如美國的NvLabO5 系統(tǒng)，德國的VaMoRsOP 和Caravelle 系統(tǒng)等。

智能車輛系統(tǒng)是一個高技術(shù)密集，各學(xué)科交錯的領(lǐng)域，涉及到傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)等高新技術(shù)。美國、日本、歐盟等發(fā)達國家對智能車輛系統(tǒng)的研究給予了足夠的重視，投入了大量的人力、物力和財力，可以預(yù)見智能車輛系統(tǒng)在未來的幾年內(nèi)會有一個持續(xù)穩(wěn)定的研究和開發(fā)過程。我國在智能車輛系統(tǒng)的研究領(lǐng)域與國外有一定的差距，而智能車輛系統(tǒng)的研究會促進汽車工業(yè)及其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其中蘊涵著巨大的市場潛力。因此，我們應(yīng)在政府的有效組織下，聯(lián)合有關(guān)的研究機構(gòu)、汽車廠商、高等院校等，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，爭取在智能車輛系統(tǒng)領(lǐng)域縮小與國際先進水平的差距，盡早開發(fā)這一潛在的巨大市場。