汽車自動(dòng)駕駛原理及關(guān)鍵技術(shù)分析

曹愛(ài)君

摘 要：近年來(lái)，由于國(guó)民生活水平的不斷提高，推動(dòng)了我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。但是隨著國(guó)內(nèi)汽車保有量的急劇增加，導(dǎo)致了交通事故發(fā)生頻率和人員傷亡數(shù)量也在逐年攀升，因此汽車自動(dòng)駕駛技術(shù)的研究與發(fā)展受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。本文從汽車的自動(dòng)駕駛?cè)胧郑謩e介紹了汽車自動(dòng)駕駛的基礎(chǔ)原理及其相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：汽車;自動(dòng)駕駛;關(guān)鍵技術(shù)

1 前言

自二十一世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平一直保持著快速、穩(wěn)定和健康發(fā)展的趨勢(shì)，國(guó)民生活水平也隨之得到穩(wěn)步提高，對(duì)汽車的需求量呈現(xiàn)出了井噴式的增加，由此推動(dòng)了我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，2019年機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.48億輛，汽車保有量達(dá)2.6億輛。也就意味著中國(guó)大約平均每5個(gè)人中就有1個(gè)人擁有一臺(tái)汽車，但也帶來(lái)了交通事故數(shù)量急劇攀升、環(huán)境污染嚴(yán)重等社會(huì)問(wèn)題。有研究表明，在國(guó)內(nèi)日漸復(fù)雜的交通環(huán)境和傳統(tǒng)駕駛方式是導(dǎo)致交通事故的主要原因，而車輛自動(dòng)化程度的提高，不僅可以緩解駕駛員的駕駛壓力，還可以很大程度提高行車安全性和交通有序性，因此汽車的自動(dòng)駕駛技術(shù)的研究和發(fā)展對(duì)解決我國(guó)汽車行車安全問(wèn)題，降低交通事故的發(fā)生率有著十分重要的意義。本文就如何實(shí)現(xiàn)汽車的自動(dòng)駕駛功能，以及汽車自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵技術(shù)包括哪些內(nèi)容進(jìn)行了全面而詳細(xì)的介紹，旨在為解決我國(guó)汽車的行車安全問(wèn)題提出基本的理論依據(jù)。

2 汽車自動(dòng)駕駛的原理及分類

2.1 汽車自動(dòng)駕駛的原理

汽車自動(dòng)駕駛的原理是指汽車在駕駛過(guò)程中可通過(guò)車載傳感器接收外界駕駛環(huán)境的相關(guān)信息，將所探測(cè)到的道路、車輛位置和障礙物等信息輸入到車載電腦的CPU進(jìn)行邏輯推理和運(yùn)算，然后將結(jié)果指令輸出到執(zhí)行器，進(jìn)而通過(guò)改變汽車轉(zhuǎn)向、速度等控制車輛的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)汽車在限定或非限定條件下代替人類駕駛員，進(jìn)行部分自動(dòng)或全自動(dòng)安全、可靠地駕駛。研究表明，自動(dòng)駕駛車輛可通過(guò)自主感知交通行駛環(huán)境，進(jìn)行全局軌跡和局部預(yù)期軌跡的理想規(guī)劃，減少駕駛員的駕駛負(fù)擔(dān)，有效提升車輛行駛安全性，降低交通安全事故的發(fā)生率。另外，還有研究表明，裝有自動(dòng)駕駛技術(shù)的汽車，可大幅度提升現(xiàn)有道路車輛的容納能力，有效減輕道路堵塞狀況，緩解環(huán)境污染，解決因汽車保有量急劇增加而導(dǎo)致的各類社會(huì)和環(huán)境問(wèn)題。

2.2 汽車自動(dòng)駕駛的分類

目前，國(guó)際汽車工程師協(xié)會(huì)自動(dòng)駕駛車輛標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)將車輛按照自動(dòng)駕駛的能力由低到高的六個(gè)等級(jí)（L0-L5）。L0是指汽車處于完全沒(méi)有自動(dòng)駕駛能力階段，但是可以結(jié)合汽車的行駛環(huán)境信息，給予駕駛員某些危險(xiǎn)預(yù)警的能力，例如道路偏離預(yù)警、盲區(qū)監(jiān)測(cè)、夜視等駕駛輔助系統(tǒng)，可有效提升駕駛員對(duì)潛在危險(xiǎn)的感知能力，但是車輛的所有控制操作必須有駕駛員自主完成。L1階段是指汽車帶有一定輔助駕駛功能，汽車載有的自動(dòng)駕駛技術(shù)可以結(jié)合車輛接收的行駛環(huán)境信息，主動(dòng)的向駕駛員提供車輛行駛指令，此階段的車輛配備自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)、自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)或車道保持系統(tǒng)中任意一種主動(dòng)控制系統(tǒng)。處于L2階段的汽車可實(shí)現(xiàn)部分自動(dòng)駕駛功能，車輛可根據(jù)適時(shí)的行駛環(huán)境信息代替駕駛員對(duì)車輛進(jìn)行加速、制動(dòng)或轉(zhuǎn)向等多種輔助控制，進(jìn)入此階段的汽車可同時(shí)具有縱向與側(cè)向運(yùn)動(dòng)控制能力，配備自適應(yīng)巡航系統(tǒng)、自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)或車道保持系統(tǒng)等多種主動(dòng)控制系統(tǒng)。L3和L4則分別被稱作“有條件自動(dòng)駕駛”階段和“高度自動(dòng)駕駛”階段，處于此階段的汽車，可根據(jù)其行駛環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)有條件的完全車輛控制，而L5階段被稱為“完全自動(dòng)駕駛”階段，顧名思義處于此階段的車輛可以在所有道路與環(huán)境條件下自主完成所有車輛控制操作，駕駛員在此過(guò)程中不必保持接管車輛的能力。

3 汽車自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵技術(shù)

目前，汽車自動(dòng)駕駛技術(shù)研究最核心的問(wèn)題是汽車在自動(dòng)駕駛過(guò)程中如何實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知和車輛控制，這兩方面的問(wèn)題是解決汽車行駛狀況的判斷和控制問(wèn)題的理論依據(jù)。因此，我們可以將汽車自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵技術(shù)歸結(jié)為車輛環(huán)境感知技術(shù)、車輛軌跡規(guī)劃系統(tǒng)和車輛控制系統(tǒng)三個(gè)方面。

3.1 車輛環(huán)境感知技術(shù)

車輛的自動(dòng)駕駛技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，首先要求車輛具備在行駛過(guò)程中能夠準(zhǔn)確獲取周圍環(huán)境信息的能力，包括宏觀環(huán)境感知、周圍環(huán)境感知和行駛狀態(tài)信息感知的能力。目前，國(guó)內(nèi)自動(dòng)駕駛能力的車輛主要通過(guò)車載雷達(dá)、視頻攝影機(jī)和測(cè)距器、以及全球定位系統(tǒng)等輔助工具對(duì)車輛周圍的環(huán)境進(jìn)行收集，通過(guò)車聯(lián)網(wǎng)等信息處理平臺(tái)對(duì)周圍環(huán)境信息進(jìn)行快速、精確的分析，進(jìn)而結(jié)合周圍環(huán)境信息和車輛行駛狀態(tài)對(duì)車輛進(jìn)行自動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)駕駛功能。

車載雷達(dá)主要包括了激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)。激光雷達(dá)是一種可用于車輛探測(cè)目標(biāo)空間位置的主動(dòng)測(cè)量設(shè)備，主要應(yīng)用于車輛自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)和自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)。雖然其具有抗干擾能力強(qiáng)，分辨率高等特點(diǎn)，但其高昂的造價(jià)制約了其市場(chǎng)的推廣。另外，毫米波雷達(dá)屬于一種穿透能力極強(qiáng)的微波，與激光雷達(dá)類似，具有抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。有研究表明，毫米波雷達(dá)測(cè)距精度受天氣和環(huán)境因素影響小，具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、質(zhì)量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)，而且價(jià)格相對(duì)便宜，主要應(yīng)用于汽車防撞系統(tǒng)。

超聲波傳感器是以超聲波的特性為技術(shù)原理進(jìn)行開發(fā)的一種可測(cè)量速度、距離的傳感器。超聲波傳感器具有數(shù)據(jù)處理快速、便捷的特點(diǎn)，但檢測(cè)距離較短且精確度不高等缺點(diǎn)也較為突出，因此其主要用于汽車的倒車?yán)走_(dá)等對(duì)汽車附近障礙物、精度要求較低的設(shè)備。

3.2 車輛軌跡規(guī)劃系統(tǒng)

汽車自動(dòng)駕駛的軌跡規(guī)劃系統(tǒng)是指當(dāng)自動(dòng)駕駛車輛接到任務(wù)指令時(shí)，車輛會(huì)通過(guò)對(duì)自身的位姿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，具體行駛環(huán)境信息，以及執(zhí)行任務(wù)的特性等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合與分析，規(guī)劃得到全局預(yù)期路徑和最優(yōu)局部預(yù)期路徑。因此，若要在短時(shí)間實(shí)現(xiàn)如此復(fù)雜的信息收集和數(shù)據(jù)分析處理能力，并規(guī)劃得到全局預(yù)期路徑和最優(yōu)局部預(yù)期路徑，只有通過(guò)車載電腦的CPU進(jìn)行科學(xué)的邏輯推理和運(yùn)算，結(jié)合全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)技術(shù)，綜合考慮路徑的曲率、弧長(zhǎng)等各種因素進(jìn)行局部路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)路徑最優(yōu)化選擇。

目前，自動(dòng)駕駛汽車主要使用的邏輯推理和運(yùn)算系統(tǒng)可根據(jù)其不同特點(diǎn)分為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、規(guī)則和混合路線的3種決策系統(tǒng)?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的決策系統(tǒng)主要模擬人類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)思考、決策、判斷過(guò)程，決定駕駛行為?；谝?guī)則的行為決策依賴于規(guī)則樹的算法，由編程工程師利用特定的程序語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。混合路線是以上兩種方式綜合利用。

3.3 車輛控制系統(tǒng)

研究表明，汽車的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是自動(dòng)駕駛汽車實(shí)現(xiàn)軌跡規(guī)劃和自主行駛的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一直是汽車自動(dòng)駕駛相關(guān)技術(shù)研究中的難點(diǎn)與熱點(diǎn)，是對(duì)車輛預(yù)期軌跡進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃，控制車輛行駛的一個(gè)高度數(shù)字化集成的系統(tǒng)，其主要包括車輛縱向速度控制和橫向轉(zhuǎn)向控制，

車輛縱向運(yùn)動(dòng)控制是指自動(dòng)駕駛汽車對(duì)行駛方向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制，主要包括速度、加速度控制，以及油門和制動(dòng)系統(tǒng)的控制等，目的是實(shí)現(xiàn)汽車自身與前方車輛或者障礙物距離的控制。自動(dòng)駕駛車輛的縱向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的可以通過(guò)結(jié)合車載攝像頭或車載毫米波雷達(dá)檢測(cè)本車道前方目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、距離信息與本車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息控制車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與制動(dòng)系統(tǒng)，可以較好的完成車輛速度控制，如車輛的巡航控制（CC）和自適應(yīng)巡航控制（ACC）等功能的實(shí)現(xiàn)。

相對(duì)于縱向運(yùn)動(dòng)的研究，橫向運(yùn)動(dòng)的研究起步較晚，相對(duì)落后。車輛的橫向運(yùn)動(dòng)控制是指對(duì)汽車運(yùn)行方向的控制，目的是為了讓車輛沿著預(yù)設(shè)的路徑行駛，因此需要建立汽車轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)模型或模擬駕駛員換向操縱，主要有車道保持輔助（Lane Keeping）、自動(dòng)變道（Automatic Lane Changing）及軌跡跟蹤控制等。車輛的橫向運(yùn)動(dòng)控制是通過(guò)車輛前輪主動(dòng)轉(zhuǎn)向技術(shù)，使車輛在行駛過(guò)程中能夠更加快速靈敏地進(jìn)行轉(zhuǎn)向的功能，而其中車輛的軌跡跟蹤控制問(wèn)題是目前車輛的橫向運(yùn)動(dòng)控制研究比較集中的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。軌跡跟蹤控制是指對(duì)于已經(jīng)規(guī)劃成功了一條參考軌跡后，車輛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)通過(guò)一定方法來(lái)使車輛快速且平穩(wěn)地按照預(yù)先設(shè)定的參考軌跡行駛。軌跡跟蹤控制系統(tǒng)屬于車輛實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛功能的關(guān)鍵技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)車輛穩(wěn)定、安全行駛的理論基礎(chǔ)。但就目前來(lái)看，市面上大部分車載的軌跡跟蹤控制系統(tǒng)還沒(méi)有與車輛所受到的約束環(huán)境充分結(jié)合起來(lái)，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)境依賴的程度較高，導(dǎo)致如果行車環(huán)境發(fā)生較大變化時(shí)，車輛不能及時(shí)的根據(jù)周圍行駛環(huán)境發(fā)生的變化對(duì)軌跡跟蹤進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著人類科學(xué)技術(shù)不斷更新迭代，汽車自動(dòng)駕駛技術(shù)的研究也不斷深入，社會(huì)各界對(duì)自動(dòng)駕駛車輛研究的熱度有增無(wú)減。汽車自動(dòng)駕駛技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，不僅可顯著降低交通事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)和事故死亡率，同時(shí)還能有效解決環(huán)境污染和能源危機(jī)等社會(huì)問(wèn)題，對(duì)人類的健康發(fā)展具有重要意義。但是，汽車的自動(dòng)駕駛技術(shù)研究是一個(gè)投入巨大，且耗時(shí)漫長(zhǎng)的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)車輛真正的全工況自動(dòng)駕駛還有很長(zhǎng)一段路要走，因此需要社會(huì)各界科學(xué)家的通力合作才能得以實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓太安，夏順禮，趙久志，王亞斌，張寶鑫. 電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[C].安徽省汽車工程學(xué)會(huì)，安徽省汽車行業(yè)協(xié)會(huì)，2010：665-668.

[2]陳奎元，季學(xué)武.汽車EPS系統(tǒng)助力特性的設(shè)計(jì)研究[C].中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)轉(zhuǎn)向技術(shù)分會(huì)，中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)轉(zhuǎn)向器委員會(huì)， 全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分技術(shù)委員會(huì)，2014：1-8.

[3]曾慶抒，譚浩.基于平視顯示的汽車導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[C].上海優(yōu)帕?xí)褂邢薰荆?014：1-5.

[4]陳奎元，季學(xué)武.汽車EPS系統(tǒng)助力特性的設(shè)計(jì)研究[C].中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)，2013：93-100.