自動(dòng)駕駛汽車系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)綜述

孟祥雨　張成陽　蘇沖

摘 要：隨著科技的革新，汽車電子化已成為一種趨勢(shì)。而自動(dòng)駕駛已經(jīng)成為現(xiàn)階段汽車研究的一個(gè)重點(diǎn)和熱點(diǎn)。通過感知系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，能夠推動(dòng)人類交通發(fā)展，同時(shí)有效拓寬科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，是人類交通發(fā)展史上的一大進(jìn)步和創(chuàng)新。基于此，本文將著重探究自動(dòng)駕駛汽車感知實(shí)際的研究現(xiàn)狀，以及自動(dòng)駕駛系統(tǒng)所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而提出相應(yīng)的工作建議，展望自動(dòng)駕駛技術(shù)發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)駕駛;感知;技術(shù)

1 自動(dòng)駕駛技術(shù)

1.1 等級(jí)劃分

伴隨著智能控制，互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)駕駛技術(shù)成為時(shí)下的一個(gè)熱點(diǎn)。自動(dòng)駕駛是借助感知系統(tǒng)來獲取車輛及外界環(huán)境等眾多數(shù)據(jù)信息，通過系統(tǒng)的分析和判斷，來做出相應(yīng)的駕駛決策，整個(gè)過程無需人工操作就能夠完成汽車駕駛。相對(duì)于傳統(tǒng)的汽車駕駛技術(shù)來說，自動(dòng)駕駛技術(shù)具有很強(qiáng)的實(shí)用性。而在現(xiàn)階段的自動(dòng)駕駛研究過程當(dāng)中，可以將自動(dòng)駕駛分為不同的5個(gè)等級(jí)。第1個(gè)等級(jí)是無自動(dòng)化，即完全由駕駛?cè)藛T來操作，沒有任何的科學(xué)技術(shù)作為輔助。第2個(gè)等級(jí)是單項(xiàng)自動(dòng)化，與無自動(dòng)化相比，單向自動(dòng)化中有了一項(xiàng)自動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加減速，自動(dòng)緊急制動(dòng)等操作。第3個(gè)等級(jí)是多項(xiàng)自動(dòng)化，與單項(xiàng)自動(dòng)化相比，多項(xiàng)自動(dòng)化功能更加智能化，在實(shí)際的應(yīng)用過程中能夠在完成自動(dòng)控制方向的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加減速，在遇到突發(fā)情況時(shí)，能夠很好的解決危機(jī)。第4個(gè)等級(jí)為有限自動(dòng)，與前兩項(xiàng)自動(dòng)化相比，有限自動(dòng)駕駛操作更為靈活便捷，能夠有效實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，當(dāng)遇到問題時(shí)，能夠給予充足的時(shí)間讓駕駛者做出反應(yīng)。因而第4個(gè)等級(jí)更加適用于特定的場(chǎng)景和環(huán)境。第5個(gè)等級(jí)是完全自動(dòng)，在汽車的整個(gè)駕駛過程當(dāng)中全部由自動(dòng)控制，不需要人力介入，且駕駛的場(chǎng)景更加復(fù)雜多樣[1]。

1.2 系統(tǒng)框架

為了保障汽車自動(dòng)駕駛能夠順利進(jìn)行，首先要有一套完整的感知系統(tǒng)來代替駕駛?cè)双@取周圍信息。其次，在自動(dòng)駕駛中為了保障相應(yīng)的駕駛指令能夠符合實(shí)際的環(huán)境和實(shí)際的駕駛要求，則需要智能的算法作為基礎(chǔ)，且能夠有高性能的硬件作為控制系統(tǒng)，借助這兩套系統(tǒng)來代替駕駛者來完成相應(yīng)的駕駛指令。同時(shí)能夠結(jié)合具體的駕駛環(huán)境選擇合適的行駛路徑，保障自動(dòng)駕駛能夠順利進(jìn)行。最后，在汽車駕駛中，駕駛者的操作直接決定了汽車駕駛的結(jié)果。在汽車自動(dòng)駕駛過程中，為了保障其安全性和穩(wěn)定性，則要全面加強(qiáng)環(huán)境感知，內(nèi)部感知和駕駛?cè)说母兄ぷ?，這就需要建立一套完善的感知系統(tǒng)。結(jié)合車上的傳感器來獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而讀取汽車所處的環(huán)境和狀態(tài)，綜合考慮到車內(nèi)外的溫度，空氣流量，壓力，動(dòng)力等眾多客觀因素的影響，來實(shí)施相應(yīng)的操作功能。

2 自動(dòng)駕駛關(guān)鍵技術(shù)

在汽車自動(dòng)駕駛研究中，最主要的是在汽車自動(dòng)駕駛中如何進(jìn)行環(huán)境感知和定位，只有做好這兩方面的工作才能夠?yàn)槠囆旭偁顩r的判斷和控制提供理論依據(jù)。通過感知明確汽車行駛的狀態(tài)，同時(shí)能夠捕獲汽車行駛周邊的道路網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。而加強(qiáng)環(huán)境感知，能夠有效提高自動(dòng)駕駛的場(chǎng)景理解能力，通過大量的訓(xùn)練和擬合，提高汽車自動(dòng)駕駛的學(xué)習(xí)能力和判斷能力，從而幫助汽車更好的了解其所處的位置環(huán)境。在汽車自動(dòng)駕駛中，通過規(guī)劃能夠保障其相應(yīng)的決策和計(jì)劃更加科學(xué)合理，能夠不違背社會(huì)道德和交通法規(guī)，從而保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。而借助數(shù)據(jù)總線加強(qiáng)汽車的控制工作能夠保證汽車的行駛安全。關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用和操作如圖1所示：

2.1 感知

在環(huán)境感知中，需要識(shí)別大量的環(huán)境信息。在車道線檢測(cè)中，可以利用雷達(dá)車道檢測(cè)方式以有效提高自動(dòng)駕駛汽車周邊環(huán)境信息獲取的速度。但在實(shí)際的應(yīng)用過程中，由于激光雷達(dá)成本高昂，很難大規(guī)模的應(yīng)用和推廣。而借助多傳感器融合技術(shù)，利用具體的坐標(biāo)來進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，以此獲取車道線。例如在紅綠燈識(shí)別中，可以通過智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)來獲取紅綠燈的狀態(tài)信息，但由于成本太高，不具有推廣性。而借助視覺算法通過顏色和形狀來獲取紅綠燈的信息難以保障信息獲取的穩(wěn)健性。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，可以通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方式，利用支持向量機(jī)進(jìn)行大量的訓(xùn)練，以高精度的獲取紅綠燈的位置和大小等信息，從而為汽車自動(dòng)駕駛提供相應(yīng)保障。在汽車自動(dòng)駕駛定位中，GPS定位的效果相對(duì)較好，但成本投入相對(duì)較大。利用雷達(dá)和攝像機(jī)來定位，結(jié)合具體的概率模型來完成汽車位移定位，以更好的完成自動(dòng)駕駛定位任務(wù)。

2.2 規(guī)劃

在自動(dòng)駕駛中，其面臨的最大問題是如何保障車能夠順利到達(dá)目的地，且能夠避開障礙物，在準(zhǔn)時(shí)到達(dá)目的地的同時(shí)如何保障行車軌跡最近。自動(dòng)駕駛中包含任務(wù)、行為和動(dòng)作等三方面的規(guī)劃工作。任務(wù)規(guī)劃決定了行車的路徑，借助有向網(wǎng)絡(luò)圖明確道路之間的連接情況、路況等信息，利用路網(wǎng)圖來開展自動(dòng)駕駛路徑規(guī)劃工作，能夠保障汽車行駛路徑最優(yōu)[2]。而借助插值曲線技術(shù)，以從汽車行駛的安全性，舒適性和汽車自動(dòng)駕駛中所面臨的一系列突發(fā)狀況考慮，選擇合適的行車路線并確定適當(dāng)?shù)乃俣?。通過行為規(guī)劃，為汽車駕駛做好準(zhǔn)備，綜合周邊環(huán)境以及城市的交通狀況，判定自動(dòng)駕駛車的行駛狀態(tài)，是跟車還是超車，是停車讓行人通過還是繞行，借助有效狀態(tài)機(jī)來感知汽車行駛環(huán)境，進(jìn)而做出相應(yīng)的決策，保障車輛行駛安全。通過動(dòng)作規(guī)劃，以保障汽車自動(dòng)駕駛動(dòng)作能夠順利進(jìn)行。通過計(jì)算效率來優(yōu)化配置空間，借助完整的算法，加強(qiáng)行車約束。而通過組合規(guī)劃和抽樣計(jì)劃，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)空間模型到離散空間模型的有效轉(zhuǎn)換，進(jìn)而為自動(dòng)駕駛的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃提供理論依據(jù)。

2.3 控制

在自動(dòng)駕駛過程中，借助硬件設(shè)備實(shí)施相應(yīng)的控制工作，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，保障自動(dòng)駕駛的安全性。其中包括經(jīng)典控制，模型預(yù)測(cè)控制兩種方式。反饋控制以綜合考慮到汽車周邊的環(huán)境精準(zhǔn)規(guī)劃汽車的動(dòng)作和行駛路線，以保障汽車能夠執(zhí)行準(zhǔn)確的操作，且能夠精準(zhǔn)把控油門，方向，剎車等信號(hào)，使得汽車能夠按照預(yù)期目標(biāo)行駛。而且模型預(yù)測(cè)控制，結(jié)合車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來預(yù)測(cè)未來一個(gè)階段車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過該方式能夠有效避免不安全事故發(fā)生，同時(shí)能夠結(jié)合具體的路況實(shí)時(shí)調(diào)整車輛的運(yùn)行狀況。通過反饋矯正，保障車輛運(yùn)行的安全性，而通過滾動(dòng)優(yōu)化，使得自動(dòng)駕駛能夠更加貼近駕駛?cè)说鸟{駛狀況，使得車輛系統(tǒng)的操作在可控范圍內(nèi)進(jìn)行。

3 結(jié)語

總之，自動(dòng)駕駛技術(shù)改變了人們的出行方式，同時(shí)也推動(dòng)了交通行業(yè)的發(fā)展。而隨著數(shù)據(jù)處理技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)的不斷發(fā)展，越來越多的感知技術(shù)運(yùn)營而生，且逐漸應(yīng)用到自動(dòng)駕駛技術(shù)的研究當(dāng)中。很顯然自動(dòng)駕駛技術(shù)的研究與應(yīng)用已成為必然趨勢(shì)，而在惡劣的條件下如何加強(qiáng)環(huán)境感知，完成自動(dòng)駕駛有待進(jìn)一步研究和探索，具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]王藝帆.自動(dòng)駕駛汽車感知系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].汽車電器，2016，（12）：12-16.

[2]趙祥模，承靖鈞，徐志剛.等.基于整車在環(huán)仿真的自動(dòng)駕駛汽車室內(nèi)快速測(cè)試平臺(tái)[J].中國公路學(xué)報(bào)，2019，32（6）：124-136.DOI：10.19721/j.cnki.1001-7372.2019.06.013.