無人駕駛汽車自動門系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀研究

鄭朝捷 曹福順

摘? ?要：隨著無人駕駛技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，無人駕駛自動門系統(tǒng)越來越受到重視。文章旨在梳理國內(nèi)外關(guān)于無人駕駛自動門系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，介紹了無人駕駛汽車自動門系統(tǒng)主要的技術(shù)及其發(fā)展趨勢，并比較了各類技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：無人駕駛;智能車門;智能汽車

1? ? 無人駕駛汽車簡介

無人駕駛汽車是一種智能汽車，依靠智能汽車外部的傳感器和內(nèi)部的計算機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)自動駕駛。根據(jù)美國國家公路交通安全管理局公布的劃分標(biāo)準(zhǔn)，智能車可以分為4個級別：駕駛輔助、半自動駕駛、高度自動駕駛和完全自動駕駛[1]。第4個級別屬于全無人駕駛的最高級別，是汽車駕駛自動化、智能化程度的最高級別，也就是人們習(xí)慣所說的無人駕駛。在未來，無人駕駛汽車可以通過車聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的互相傳輸，并且將最終取代人類駕駛，由于無人駕駛對車輛高效性、便捷性和可靠性的這一系列要求較高，需要人、車和路高度的協(xié)同。無人駕駛的發(fā)展需要打造落地生態(tài)，縱觀目前整個無人駕駛生態(tài)發(fā)展過程，依然存在很多待改進(jìn)的地方，比如無人駕駛在技術(shù)上做了一些革新。近年推出的5G通信技術(shù)和C-V2X技術(shù)，從根本上改進(jìn)了車輛網(wǎng)絡(luò)通信方式和質(zhì)量，使得100%安全的自動駕駛成為可能。

2? ? 無人駕駛汽車自動門系統(tǒng)簡介

智能自動門系統(tǒng)是無人駕駛汽車的必備系統(tǒng)，在沒有車門把手或者駕駛員操控的條件下，無人駕駛車輛能夠自動打開和關(guān)閉車門，以應(yīng)對不同的實(shí)際情況，讓乘客方便地上下車。目前，各大汽車公司推出的無人駕駛汽車自動門系統(tǒng)，不僅支持車門的自動開啟和關(guān)閉，而且具有防夾保護(hù)功能，可以有效保護(hù)乘員的手、手指間或財物免于擠壓。在智能車門這一方面，目前還未能在有關(guān)報道中查到相關(guān)的理論研究與實(shí)驗(yàn)室測試，更沒有商業(yè)應(yīng)用的記錄，這對于國內(nèi)無人駕駛汽車研究來說，是一個很好的方向。

3? ? 無人駕駛汽車自動門系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

3.1? 國內(nèi)無人駕駛汽車自動門系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)目前無人駕駛汽車自動門技術(shù)研究較少，多數(shù)研究是集中在車門安全方面。目前已有的資料均只對汽車車門開啟時的防碰撞做了研究，而在自適應(yīng)驅(qū)動車門、提升乘客上下車舒適度、方便乘客上下車等方面研究較少。

同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院的孫澤昌等[2]基于控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）總線技術(shù)，將局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（Local Interconnect Network，LIN）總線和CAN總線相結(jié)合，設(shè)計了一種車門防夾算法，實(shí)驗(yàn)證明，這項技術(shù)具有很高的實(shí)用性和可靠性。清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的楊新豐等[3]提出了一種座椅聯(lián)動式的汽車自動門控制系統(tǒng)，并且在Simulink上進(jìn)行了仿真，證明了此系統(tǒng)的可行性。陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司的宋方方等[4]分析研究了車門智能門鎖的設(shè)計，提出了一種智能車門門鎖的改進(jìn)方案。

3.2? 國外無人駕駛汽車自動門系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

國外Michael Strolz團(tuán)隊提出了借助力覺交互系統(tǒng)的阻抗式模型，研究了通過汽車門的驅(qū)動系統(tǒng)完成自動開關(guān)門。Halbritter研究了通過各類傳感器的組合，最后提出汽車車門開關(guān)驅(qū)動策略。綜合各類研究來看，如果可以將無人駕駛汽車車門自動開關(guān)與力覺交互系統(tǒng)結(jié)合，并通過傳感器感知車周邊狀況，理論上便可以實(shí)現(xiàn)在安全條件下，輔助乘客開門和關(guān)門，提高客戶上下汽車的舒適度。

目前，力覺交互系統(tǒng)主要有兩大類：阻抗控制方式和導(dǎo)納控制方式，國內(nèi)外對于力覺交互系統(tǒng)應(yīng)用較多的主要是機(jī)器人場景。阻抗式控制（Impedance Control，IC）檢測末端實(shí)際運(yùn)動信息，如位置、速度等，根據(jù)動力學(xué)模型將運(yùn)動信息轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)內(nèi)部的驅(qū)動力，將該力與自身驅(qū)動力比較，力差值進(jìn)行控制驅(qū)動輸出。導(dǎo)納控制方式（Admittance Control，AC）測量與環(huán)境接觸力，作為控制器輸入，根據(jù)接觸點(diǎn)的理想阻抗模型計算設(shè)備在此力作用下的理想位置輸出，直接將傳感器獲得的力轉(zhuǎn)化成設(shè)備運(yùn)動。結(jié)合無人駕駛汽車特性，導(dǎo)納式控制更符合本次方案選擇。目前車門把手主要有兩種型式：（1）純機(jī)械式，手動拉動把手，解開門鎖，然后打開車門。（2）電子感應(yīng)式，把手上集合電子感應(yīng)開關(guān)，當(dāng)觸發(fā)開關(guān)時，車身控制器（Body Control Module，BCM）發(fā)信號給門鎖，門鎖電動打開，然后手動打開車門。而當(dāng)車輛斷電時，把手失效，無法打開車門，出現(xiàn)安全隱患，鑒于此，有些車型就配有應(yīng)急開啟機(jī)構(gòu)，在斷電時，順利開啟車門，保證人身安全。

4? ? 無人駕駛汽車自動門系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀

4.1? 基于邊緣計算和云計算的乘客身份識別技術(shù)

隨著互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的進(jìn)一步深入，和網(wǎng)絡(luò)邊緣有關(guān)的設(shè)備數(shù)量和這些設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都將大幅度提升?；ヂ?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心預(yù)測，到2020年，全球設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將大于20澤字節(jié)，而大約3澤字節(jié)的數(shù)據(jù)都會在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行處理，在這種情形下，所有的數(shù)據(jù)都將被上傳到云計算中心，云計算中心通過其超強(qiáng)的計算能力處理問題并且將數(shù)據(jù)反饋給設(shè)備。

傳統(tǒng)云計算雖然目前運(yùn)用較為廣泛，但仍存有4個不足之處：（1）實(shí)時性不夠。（2）帶寬不足。（3）能耗較大。（4）不利于數(shù)據(jù)安全和隱私。

目前的無人駕駛技術(shù)，要求無人駕駛系統(tǒng)有較好的實(shí)時反應(yīng)能力，而在反應(yīng)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，必然包含著大量的無用數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)想要全部上傳到云端明顯是不切實(shí)際的，而目前興起的邊緣計算很好地解決了這個問題，邊緣計算經(jīng)過計算后再把重要的結(jié)果上傳到云端，這樣一來大大節(jié)約了帶寬資源。

邊緣計算具有3個優(yōu)點(diǎn)：（1）在邊緣處理臨時數(shù)據(jù)，減輕了帶寬和數(shù)據(jù)中心的壓力。（2）跳過了設(shè)備請求云計算中心的響應(yīng)過程，減少了系統(tǒng)延遲。（3）不再上傳用戶數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲在邊緣設(shè)備上，保護(hù)了使用者的隱私[5]。

4.2? 基于網(wǎng)聯(lián)協(xié)同感知的V2X精確定位技術(shù)

車對外界的信息交換（Vehicle to Everything，V2X），是一系列車載通信技術(shù)的總稱。國際V2X發(fā)展情況，以美國、歐洲、日本為代表的發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)90年代末期就開展V2X網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的研究，建立了以無線通信技術(shù)（802.11 P）為基礎(chǔ)的專用短程通信體系，并相繼劃分了專用頻譜，定義了車—車（Vehicle to Vehicle，V2V）、車—路（Vehicle to Infrastructure，V2I）、車—人（Vehicle to Person，V2P）等相關(guān)通信標(biāo)準(zhǔn)，并已逐步在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行測試[6]。美國方面，頒布了以802.11 P作為底層通信協(xié)議和IEEE1609系列規(guī)范作為高層通信協(xié)議的V2X車聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)，并對V2X通信的系統(tǒng)架構(gòu)、資源管理、安全機(jī)制等進(jìn)行定義。歐洲方面，成立V2X車聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)組對應(yīng)用、架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)、接入技術(shù)及通信安全等方面進(jìn)行研究，物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議同樣基于802.11 P[7]。雖然在V2X技術(shù)路徑選擇上，歐美國家有著不同的側(cè)重考慮，比較傾向于802.11 P，但是各方都已經(jīng)將基于蜂窩網(wǎng)的LTE-V技術(shù)看作是未來技術(shù)發(fā)展，如日本也將V2X候選頻段采取技術(shù)中立，將LTE-V作為802.11 P方案的另一個備選技術(shù)。

C-V2X定義了兩種互補(bǔ)的通信模式：Uu口模式以及PCS直接通信模式。C-V2X也可以通過Uu口實(shí)現(xiàn)車輛到網(wǎng)絡(luò)（Vehicle to Network，V2N）通信以及車輛到云端（Vehicle to Cloud，V2C）通信。C-V2X可以將路側(cè)單元（Road Side Unit，RSU）和蜂窩網(wǎng)絡(luò)兩者相結(jié)合，從而對汽車的操縱安全性進(jìn)行較大幅度的改善，通過將兩者的結(jié)合，可以有效降低成本，提高效益。C-V2X系統(tǒng)包括兩種空中接口：Uu和PCS。工作場景也相應(yīng)分為兩種：（1）基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋，既可以通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)的Uu接口，實(shí)現(xiàn)寬頻域、長距離通信服務(wù)，也可以由PCS接口，實(shí)現(xiàn)車輛直接與周邊基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行低時延、高可靠信息交互。（2）可獨(dú)立于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)未覆蓋地區(qū)借助PCS接口提供的V2X服務(wù)保證行車安全。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署的場景中，數(shù)據(jù)通信可以靈活地在PCS接口和Uu接口之間無縫切換。

4.3? 基于多信息融合的安全開關(guān)門保障技術(shù)

由于車門需要通過多傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測，會造成傳感器失效或誤判等問題，在多信息融合研究方面，為了進(jìn)一步提高路面坡度角識別的準(zhǔn)確度，胥加林提出了一種算法，可以有效地將多傳感器信息融合。為了分析車身姿態(tài)所受到的縱向加速度影響，胥加林在Simulink中提出了一種識別路面坡度的模型。通過Simulink仿真得到縱向加速度與車身縱向傾角之間的關(guān)系。實(shí)車實(shí)驗(yàn)表明，該算法具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠準(zhǔn)確識別當(dāng)前路面坡度角?；诙鄠鞲衅魅诤霞夹g(shù)，宋開臣提出了一種渦街信號檢測方法：首先，通過差壓傳感器可以測得鈍體前后的壓力差;其次，壓電傳感器可以從鈍體下游渦街傳感信號中得到頻率信息;最后，運(yùn)用無跡卡爾曼濾波算法將這兩種傳感器信號進(jìn)行融合，通過這種方法提升了數(shù)字帶通濾波器的精度。實(shí)驗(yàn)表明：這種信號檢測方法能夠有效地減少外界的強(qiáng)振動噪聲對于流速測量的影響，當(dāng)最大振動噪聲強(qiáng)度為渦街信號強(qiáng)度的4倍時，測量精確度可以達(dá)到100，這樣可以加強(qiáng)壓電式渦街流量計的抗振能力，提高了測量精度[8]。

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