無人駕駛汽車簡介

王子正　程麗

摘 要：近年來隨著科技的進步，無人駕駛技術也在不斷提高，無人駕駛汽車能夠解放操作者雙手，通過計算機技術和傳感技術等，使汽車變得更加便捷智能，提高交通效率。本文通過國內(nèi)外無人駕駛的發(fā)展現(xiàn)狀引入，接著詳細進一步介紹無人駕駛汽車的概念及其技術的工作原理。無人駕駛是建立在信息感知、控制和執(zhí)行等環(huán)節(jié)基礎上的跨行業(yè)、跨學科的綜合技術，它的核心技術為環(huán)境感知技術、高精度地圖技術以及路徑規(guī)劃與決策技術。最后本文介紹了國內(nèi)外無人駕駛汽車的發(fā)展歷程，并展望了無人駕駛未來的發(fā)展前景。

關鍵詞：無人駕駛；環(huán)境感知技術；信息感知；發(fā)展歷程；發(fā)展前景

1 引言

2015年12月16日，中國互聯(lián)網(wǎng)巨頭百度公司宣布，公司研發(fā)的無人駕駛汽車在北京路試成功，并成立了百度無人駕駛事業(yè)部。 2016年1月6日，在美國拉斯維加斯召開的CES消費電子展上，傳統(tǒng)的著名汽車制造公司奧迪、寶馬、大眾以及創(chuàng)新公司FaradayFuture等發(fā)布了全新自動駕駛車型。4月26日，谷歌、福特、 Uber、Lyft以及中國吉利控股旗下沃爾沃宣布，將建立一個自動駕駛汽車聯(lián)盟，以促進自動駕駛技術的推廣和應用。與此同時，谷歌為了更好地開發(fā)無人駕駛汽車，宣布與意大利菲亞特汽車公司展開合作。近年來，奧迪、大眾、奔馳等著名汽車制造公司以及谷歌、百度等著名互聯(lián)網(wǎng)公司，都在不斷涉足智能汽車領域，搶占無人駕駛技術的前沿。無人駕駛汽車的發(fā)展，必將推動汽車行業(yè)的快速發(fā)展，也會給汽車行業(yè)帶來一次重大變革。

汽車的發(fā)明給社會帶來了諸多便捷和效率，汽車工業(yè)的發(fā)展也進一步促進了經(jīng)濟的發(fā)展與人類的創(chuàng)新。人們的不斷需求，也使得汽車的年產(chǎn)量和汽車的保有量也再增加，所以研發(fā)更加便捷安全的汽車成為重中之重?？萍嫉倪M步也帶動著計算機控制技術不斷進步，現(xiàn)在的汽車制造中越來越多的采用計算機自動控制技術，使無人駕駛技術不斷趨于完善，從而提升其的效率、安全與節(jié)能。

2 無人駕駛汽車

無人駕駛汽車（self-driving car）是一種主要依靠車內(nèi)的以計算機系統(tǒng)為主的智能駕駛儀來實現(xiàn)無人駕駛的智能汽車，又稱為自動駕駛汽車、電腦駕駛汽車等[1]。無人駕駛汽車能夠在道路上安全可靠地行駛，主要通過車載傳感對行駛車輛的周圍環(huán)境進行感知與識別，對獲取的車輛位置、交通信號、道路以及障礙物等信息經(jīng)行分析處理，從而控制汽車的速度和轉向。

無人駕駛技術是一門建立在信息感知、信息控制以及信息執(zhí)行等環(huán)節(jié)基礎上的多學科、跨行業(yè)的綜合性技術[2]。車輛智能化的基礎包括：信息感知、處理控制、動作執(zhí)行，車輛智能將經(jīng)由高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）向整車自動駕駛發(fā)展。無人駕駛技術一般分為六個等級，依次為完全手動駕駛、輔助駕駛、部分模塊自動化、特定條件下自動化、高度自動化以及全自動化的無人駕駛[3]。

3 無人駕駛汽車的工作原理

無人駕駛系統(tǒng)組成包括車載雷達，電腦處理系統(tǒng)，激光測距儀，微型傳感器，視頻攝像頭，電腦資料庫等[4]。如圖1所示。

無人駕駛汽車需要感知車輛和周圍物體間的距離，激光射線可以滿足這一技術要求，車頂安裝能夠發(fā)射激光射線的激光測距儀，通過從發(fā)射到接觸物體反射回來的時間，車載電腦便可計算出和物體間的距離。

車輛為了能夠避開道路路障和提前做出處理，需要車載雷達探測行駛中車輛周圍的固定路障。車輛為了更好地探測路障，車載雷達的布局方式采用前三后一的安裝格局。安裝在車后方的雷達探測在車輛變換車道時左右后方是否有車，由于車頂?shù)募す鉁y距儀激光反射具有盲點區(qū)域，車后雷達彌補這一不足，達到防止車輛發(fā)生側面撞擊，同時在車輛倒車時，判斷車輛的倒車距離，防止發(fā)生倒車碰撞。安裝在車前的三個車載雷達，能夠探知車前方是否有路口以及是否有車剎車動作，雷達把探測信息傳遞給車載電腦，系統(tǒng)對探測信息進行判斷和處理，并作出相應指示操作。

如圖2所示，在車輛底部裝有雷達、超聲波、攝像頭等設備，能夠檢測出車輛行駛方向上的角速度、加速度等一些重要數(shù)據(jù)，再利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)行整合處理，能夠精確計算行駛車輛的具體位置。

如圖3所示，無人駕駛汽車為保障車輛在道路上正常行駛，符合交通法規(guī)，必須在車輛車頭安裝攝像頭經(jīng)行對道路地面分析判斷，避免發(fā)生占道、偏離路線以及行駛錯道。車輛在通過交通崗時，要利用車載雷達經(jīng)行對人、車、物的分析判斷，避免發(fā)生交通事故。車輛對交通信號的判斷是通過車載攝像機捕獲的實時圖像，再結合雷達測量的路口距離，分析處理后對車輛做出停車、行駛，加速、減速等指示，提高交通效率，達到無人駕駛的目的。

4 無人駕駛汽車的發(fā)展歷程

4.1 國外無人駕駛汽車的發(fā)展歷程

20世紀50年代，國外就開始了對無人駕駛車輛的探索研究。美國貝瑞特電子公司在 1953年研制出全球第一臺通過改裝牽引式拖拉機而成的自主導航車，它的功能還僅僅局限于在布置好的導軌上傳送貨物。1971年，英國道路研究實驗室（RRL）通過一段視頻展示了其測試的一輛與通用想法類似的自動駕駛汽車。80年，美國國防部為了讓汽車擁有充分的自主權，開啟了自主地面車輛（AVL）新計劃，該項目采用攝像頭和計算機系統(tǒng)，來檢測地形并對車進行導航。90年，奔馳汽車公司和德國慕尼黑聯(lián)邦國防軍大學合作研制改裝了奔馳S500汽車，為其配備了多種傳感器，達到了實時監(jiān)測車輛周圍的環(huán)境并作出相應反應，而其自動駕駛距離已經(jīng)超過了1000公里。

進入 21世紀，無人駕駛汽車取得了更大的進步。2005年，美國斯坦福大學成功地對一輛大眾途銳經(jīng)行配備激光測距儀、處理器以及GPS導航的改裝[6]，也對現(xiàn)在的無人駕駛汽車具有重大的借鑒意義。2009年，在美國國防部的支持下，谷歌開始研發(fā)無人駕駛汽車項目，一年之后年，谷歌公司自主研制的無人駕駛汽車在城市道路上經(jīng)行了行駛測試。2011年，無人駕駛汽車與普通汽車一樣可以上路的相關法律在美國得到通過，谷歌公司便獲得了美國無人駕駛汽車的授權，谷歌公司也成為了世界上第一個授權公司。隨著政策的有利支持，無人駕駛技術在不斷的完善，次年，無人駕駛汽車便進入人們的日常生活，一輛谷歌無人駕駛汽車獲得了美國內(nèi)華達州機動車輛管理局頒發(fā)的牌照 [7]。2014年5月，在美國科技新聞網(wǎng)站舉辦的“Code大會”上，谷歌發(fā)布了最新研發(fā)的無人駕駛汽車原型 [8]。2016年3月，谷歌研發(fā)的具有人工智能系統(tǒng)的無人駕駛車，被美國車輛安全監(jiān)管機構認為符合聯(lián)邦法律，意味著無人駕駛汽車又邁出了嶄新的一步。

目前，許多知名汽車公司都在研發(fā)無人駕駛汽車，都有獨立的技術平臺以及產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，希望可以占領無人駕駛技術的前沿科技。

4.2 國內(nèi)無人駕駛汽車的發(fā)展歷程

我國無人駕駛汽車技術雖然研究起步較晚，但一直在循序漸進地推進之中。20世紀 80年代，我國開始了對無人駕駛汽車項目研制開，1980年，作為國家重點研究開發(fā)項目的無人駕駛汽車前身的“遙控駕駛的防核化偵察車”由國家立項。1989年，我國的首輛智能小車在國防科技大學研制成功。1992年，無人駕駛技術取得重大進步，國防科技大學、北京理工大學等著名大學研制成功了由中型面包車增加配備計算機、控制系統(tǒng)和傳感器改裝而成的我國第一輛真正意義上能夠自主行駛的測試樣車（ATB-1），ATB-1無人車具有人工駕駛性能也有自動駕駛性能，該測試樣車的成功標志著我國無人駕駛技術研發(fā)的正式啟動。

進入 21世紀，我國加快了對無人駕駛技術的重點研制開發(fā)，國家“863計劃”的頒布，使無人駕駛汽車得到更多的技術和政策支持。2000年，作為我國無人駕駛汽車科學技術前沿的國防科技大學宣布其研究開發(fā)的第4代無人駕駛汽車試驗成功。2003年，國防科技大學和一汽共同合作研發(fā)成功了一輛無人駕駛汽車——紅旗 CA7460，該汽車能夠根據(jù)車輛前方障礙的情況經(jīng)行自動變換車道。兩年后，我國的首輛城市無人駕駛汽車由著名高校上海交通大學研制成功。2011年，國防科技大學和中國一汽在2006年研發(fā)的無人駕駛汽車紅旗HQ3取得重大進步，該車首次完成了高速全程無人駕駛試驗[9]，地點從湖南長沙出發(fā)，到湖北武漢結束，無人駕駛的平均速度達到 87km/h，全程總行駛距離為286公里，標志著我國又取得了新的技術突破。

2012年11月，軍事交通學院研制的無人駕駛汽車完成了高速公路測試，是第一輛得到了我國官方的認證無人汽車，其高速公路測試行駛路程為京津高速臺湖收費站到距離其104公里的天津東麗收費站[10]。2015年12月，百度無人駕駛汽車完成北京開放高速路的自動駕駛測試，意味著無人駕駛這一項技術從科研開始落地到產(chǎn)品。2016年3月，“十三五”汽車工業(yè)發(fā)展規(guī)劃意見出臺，規(guī)劃要求在十三五期間建立汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新體系，積極發(fā)展智能網(wǎng)聯(lián)汽車。

5 無人駕駛的核心技術

無人駕駛汽車是車輛通過車載傳感系統(tǒng)感知汽車行駛過程中周圍的道路環(huán)境狀況，同時對獲取的信息經(jīng)行分析處理，具有自動規(guī)劃行車路線并對車輛經(jīng)行導航，從而到達預定目的地的智能汽車[11]。能夠保障無人駕駛汽車行駛安全可靠的核心技術主要有環(huán)境感知技術、高精度地圖技術以及路徑規(guī)劃與決策技術三個方面。

5.1 環(huán)境感知技術

作為無人駕駛汽車系統(tǒng)中最基礎的模塊，環(huán)境感知技術的功能如同人類的眼和耳一樣，其主要由激光雷達、視覺攝像頭、毫米波雷達等設備組成，用來獲取無人駕駛汽車周圍詳細的環(huán)境信息，為車輛正確的行為決策提供必要的信息支持，從而達到無人駕駛。

（1）激光雷達：利用激光技術、GPS系統(tǒng)以及慣性測量裝置從而獲得相關數(shù)據(jù)，并自動生成高精確的數(shù)字高程模型，輸送給車載電腦。無人駕駛汽車中的激光雷達有兩個核心功能：其一是3D建模進行環(huán)境感知，通過激光掃描得到汽車周圍環(huán)境的3D模型，運用相關算法比對上一幀和下一幀環(huán)境的變化探測出周圍的車輛和行人。其二是同步建圖加強定位，實時得到的全局地圖，通過和高精度地圖中特征物的比對，加強車輛導航與定位的精準度。

（2）視覺攝像頭：具有人工智能中的圖像識別功能，實現(xiàn)對駕駛員狀態(tài)、障礙物以及行人的檢測和交通標志、路標的識別等功能。

（3）毫米波雷達：無人駕駛里極其重要的傳感器，是智能汽車高級駕駛輔助系統(tǒng)的標配傳感器。雷達采用的毫米波的波長為 1mm-10mm，其頻率為30-300GHz，具有非常強的穿透力[12]。毫米波雷達與超聲波雷達以及激光、紅外等光學傳感相比，具有體積小、質(zhì)量輕以及全天候全天時的特點，而且其空間分辨率高、穿透障礙物的能力強，極大提高了信息感知的準確性。

5.2 高精度地圖技術

高精度地圖和動態(tài)交通信息是無人駕駛汽車重要組件，在輔助感知、路徑規(guī)劃、輔助決策中起到了重要作用。高精度地圖是無人駕駛汽車的重要輔助技術，能夠提前使車輛獲知車輛行駛前方的方向和路況[13]。動態(tài)交通信息通過互聯(lián)網(wǎng)和GPS系統(tǒng)能夠獲取實時的交通信息狀況，并傳遞給行駛車輛，同時車載電腦對信息經(jīng)行分析處理，來判斷道路擁堵的程度，并選擇最佳行駛路徑對車輛經(jīng)行導航。

5.3 路徑規(guī)劃與決策技術

路徑規(guī)劃是決策技術的初級環(huán)節(jié)，其中涉及到的是路徑搜索算法，并結合提供的實時動態(tài)交通信息，在傳統(tǒng)靜態(tài)路徑規(guī)劃基礎上，實時動態(tài)調(diào)整及修改車載電腦最初對車輛所規(guī)劃好的行駛路徑，最終尋找出到達目的地的最優(yōu)路徑。決策技術的高級環(huán)節(jié)便是機器學習中的深度學習，在前兩個核心技術對無人駕駛汽車提供的實時環(huán)境數(shù)據(jù)和交通大數(shù)據(jù)的基礎上，深度學習能夠不斷對無人駕駛系統(tǒng)進行改進完善，使無人駕駛汽車在面對復雜交通狀況和交通環(huán)境的時候，系統(tǒng)可以作出智能、合理的判斷，并進行最優(yōu)處理。這也是目前無人駕駛整個環(huán)節(jié)中最核心的技術，受益于谷歌、特斯拉、百度等科技巨頭的潛心研究，算法已加速成熟。

6 無人駕駛汽車行業(yè)發(fā)展前景

目前國內(nèi)外對無人駕駛汽車的研究方向大致有以下三個方面：（ 1）高速公路環(huán)璋下的無人駕駛系統(tǒng)；（ 2）城市環(huán)璋下的無人駕駛系統(tǒng)；（ 3）特殊環(huán)璋下的無人駕駛系統(tǒng)[14]。

無人駕駛汽車目前雖已走進人們的視線，但其技術還在探索和完善當中，因為無人駕駛的相當多的科學技術還處于概念階段以及研發(fā)測試過程，需要一定的時間再能達到真正的推廣。隨著科學技術的不斷發(fā)展以及政策的大力支持，無人駕駛汽車的量產(chǎn)可能已經(jīng)提上日程，其中中國無人駕駛汽車量產(chǎn)時間更是指日可待。2015年底，百度公司便制定的無人駕駛汽車的量產(chǎn)時間，其目標為3年能夠商用，5年可達量產(chǎn)。長安汽車對無人駕駛汽車項目制定實現(xiàn)量產(chǎn)時間的目標為2018年。美國谷歌公司對其無人駕駛汽車項目制定的目標為2020年能夠實現(xiàn)商業(yè)化， 2025年能夠達到量產(chǎn)。

目前，仍有三大因素制約著國內(nèi)外無人駕駛技術的發(fā)展：（1）技術安全；（2）法規(guī)倫理；（3）過度風險[15]。

由于無人駕駛汽車還處在研發(fā)測試階段，導致其產(chǎn)品存在一些問題以及技術不成熟，但無人駕駛汽車依然成為汽車產(chǎn)業(yè)的熱點和前沿技術，而且一些機構認為，無人駕駛產(chǎn)業(yè)發(fā)展已超出市場預期目標，因此有相當多的公司和企業(yè)對無人駕駛的前景表示樂觀。

隨著無人駕駛汽車技術的逐漸成熟，相關機構預計，2019 年無人駕駛汽車將擁有超過25%的全球市場滲透率，預計到2020年，我國無人駕駛汽車將占有汽車行業(yè)的700億-800億元的市場規(guī)模，且其年均復合增長可達 60%左右。可想而知，也許在不久的將來，行駛在道路上是比比皆是的安全、高效、節(jié)能的無人駕駛汽車，使城市和交通變得更加智能。最后讓我們拭目以待無人駕駛汽車真正的到來。

參考文獻：

[1]陳慧巖，熊光明，龔建偉，姜巖 .無人駕駛汽車概論 [M].北京理工大學出版社 2014.

[2]呂宏，劉大力，孫嘉燕 .從無人駕駛汽車奔赴世博會看未來汽車 [J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新2010（6）：12-14.

[3]喬維高，徐學進 .無人駕駛汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及方向[J].上海汽車2007（7）：40-43.

[4] 王培 .無人駕駛智能車的導航系統(tǒng)研究 [D].西安：西安工業(yè)大學，2012.

[5]李小樂 .基于連續(xù)視頻幀的多特征融合道路車輛檢測方法研究 [D].長沙：湖南大學 2013.

[6]Campbell MEgerstedt M.Autonomous drivingin urban environments：approaches，lessons and challenges[J].Philosophical Transactions of the Royal Society2010（9）：4649-4672.

[7]Siva R K.Narla.The evolution ofconnected vehicle technology：from smart drivers to smart cars to… self-driving cars[J].ITE Journal，2013（7）：22-26.

[8]Chen GZhang W.Design of prototype simulation system for driving performance of electromagnetic unmanned robot appliedto automotive test[J].Industrial Robot： AnInternational Journal201542（1）：74-82.

[9]龔毅 .一種無人駕駛車輛路徑跟蹤控制方式研究 [D].南京：南京理工大學 2014.

[10]張翔 .2013年全球汽車技術發(fā)展趨勢 [J].汽車工程師，2013（3）.

[11]趙陽 .無人駕駛汽車關鍵技術 [J].中國科技博覽2011（26）：272-272.

[12]王慧君 .毫米波被動成像及圖像處理的研究 [D].南京：南京理工大學，2007.

[13]趙盼 .城市環(huán)境下無人駕駛車輛運動控制方法的研究 [D].合肥：中國科學技術大學，2012.

[14]賈祝廣，孫效玉，王斌等 .無人駕駛技術研究及展望 [J].礦業(yè)裝備2014（5）：44-48.

[15]張賢啟，余有晟，劉俊才 .無人駕駛汽車的發(fā)展及可行性 [J].山東工業(yè)技術 2015（4）：50-50.