側(cè)向駕駛輔助系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)趨勢(shì)

馬駿昭

摘 要：先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driving Assistance System，ADAS）是智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)（Intelligent and Connected Vehicle，ICV）現(xiàn)階段發(fā)展的重要力量，文章詳細(xì)列舉分析了側(cè)向駕駛輔助的發(fā)展現(xiàn)狀，包括彎道速度預(yù)警、盲區(qū)監(jiān)測(cè)、車(chē)門(mén)開(kāi)啟預(yù)警、變道碰撞預(yù)警、車(chē)道偏離預(yù)警以及車(chē)道保持輔助和交通擁堵輔助。并以市場(chǎng)和量產(chǎn)化為導(dǎo)向，分析技術(shù)趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē);側(cè)向駕駛輔助;發(fā)展現(xiàn)狀;技術(shù)趨勢(shì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U471.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）14-20-04

Abstract： Advanced driving assistance system （ADAS） is significant for current development of intelligent and connected vehicles（ICV）. This article expounds the state-of-the-art of lateral advanced driving assistance system， which including corner speed warning， blind spot detection， door open warning， lane changing warning， lane departure warning， lane keep assistance and traffic jam assistance. Based on market and mass production.， the technical trend is analysed.

Keywords： Intelligent and connected vehicl; Lateral driving assistance; State-of-art; Technical trends

CLC NO.： U471.1 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）14-20-04

1 智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)發(fā)展簡(jiǎn)述

現(xiàn)如今，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)一百多年的發(fā)展，已逐步由傳統(tǒng)的行駛和運(yùn)輸工具，向交通運(yùn)輸體系中用戶的智能移動(dòng)終端轉(zhuǎn)變。智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)成為轉(zhuǎn)變中的新型汽車(chē)，智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)泛指可與通信網(wǎng)絡(luò)智能信息交換，并且可進(jìn)行自主決策控制的車(chē)輛[1]，能夠提升駕駛員的行車(chē)安全性、舒適性和高效性。智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)技術(shù)是多學(xué)科融合的，囊括了汽車(chē)制造業(yè)、通信服務(wù)業(yè)和交通基礎(chǔ)設(shè)施等。因此，智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)可劃分為“三橫兩縱式架構(gòu)”[2]，如圖1所示。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)在國(guó)家戰(zhàn)略層面必將成為中國(guó)先進(jìn)制造業(yè)的中流砥柱[2]?！吨袊?guó)制造2025重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖》中指出，將制定適合中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的智能駕駛輔助標(biāo)準(zhǔn)，旨在加快發(fā)展高精度高抗擾能力的環(huán)境感知傳感器，高智能化的決策芯片和高精準(zhǔn)度高自適應(yīng)性的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)車(chē)輛高效、舒適、智能和個(gè)性化駕駛[3]?！吨悄芫W(wǎng)聯(lián)汽車(chē)技術(shù)路線圖》提出了總體發(fā)展目標(biāo)，發(fā)展趨勢(shì)如圖2所示，到2020年，汽車(chē)輔助駕駛（Driver Assistance，DA）、部分自動(dòng)駕駛（Partial Automation，PA）和有條件的自動(dòng)駕駛（Conditional Automa -tion，CA）新車(chē)裝配率超過(guò)50%;到2025年，汽車(chē)DA、PA和CA新車(chē)裝配率超過(guò)80%，其中PA和CA級(jí)新車(chē)裝配率達(dá)25%;到2030年，汽車(chē)DA及以上級(jí)別的智能駕駛系統(tǒng)成為新車(chē)標(biāo)配。

2 側(cè)向駕駛輔助系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

駕駛輔助功能從車(chē)輛運(yùn)動(dòng)方向上可以劃分為縱向駕駛輔助和側(cè)向駕駛輔助。以中國(guó)交通事故深入研究（CIDAS）數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)車(chē)輛的側(cè)向運(yùn)動(dòng)較容易產(chǎn)生交通事故。主要的事故場(chǎng)景有：車(chē)輛偏離車(chē)道發(fā)生事故;車(chē)輛行駛與左側(cè)盲區(qū)內(nèi)的兩輪車(chē)發(fā)生碰撞;車(chē)輛行駛與右側(cè)盲區(qū)內(nèi)的兩輪車(chē)發(fā)生碰撞;車(chē)輛偏離車(chē)道后與前方車(chē)輛及兩輪車(chē)發(fā)生碰撞;車(chē)輛行駛過(guò)程中與盲區(qū)內(nèi)的車(chē)輛發(fā)生碰撞等5個(gè)場(chǎng)景。如車(chē)輛應(yīng)用相應(yīng)的側(cè)向駕駛輔助系統(tǒng)，有助于大幅減少這些場(chǎng)景下的交通事故。以下將詳細(xì)闡述側(cè)向駕駛輔助中七個(gè)功能的發(fā)展現(xiàn)狀。

2.1 彎道速度預(yù)警

彎道速度預(yù)警（Corner Speed Warning，CSW）：對(duì)車(chē)輛狀態(tài)和前方彎道進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)行駛速度超過(guò)通過(guò)彎道的安全車(chē)速時(shí)發(fā)出警告信息[4]。

彎道速度預(yù)警系統(tǒng)的感知部件為高清攝像頭和車(chē)載傳感器，攝像頭模塊一般布置在汽車(chē)的后視鏡上，該模塊自帶控制器，通過(guò)進(jìn)行圖像信息采集和處理獲得前方道路參數(shù)。車(chē)載傳感器采集車(chē)輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)，例如加速度、車(chē)速、橫擺角速度和質(zhì)心位置等;依據(jù)道路參數(shù)和車(chē)輛參數(shù)，系統(tǒng)算法會(huì)進(jìn)行計(jì)算處理，得到道路的彎道半徑和車(chē)輛安全車(chē)速邊界值，從而判斷車(chē)輛當(dāng)前狀態(tài)是否存在風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)控制單元判斷當(dāng)前車(chē)速高于安全車(chē)速邊界值，如果判定結(jié)果是車(chē)速過(guò)高，系統(tǒng)將會(huì)對(duì)駕駛員發(fā)送預(yù)警信息，例如聲光報(bào)警和方向盤(pán)振動(dòng)等，引導(dǎo)駕駛員及時(shí)采取制動(dòng)或者轉(zhuǎn)向，避免車(chē)輛甩尾或側(cè)傾事故的發(fā)生。為實(shí)現(xiàn)車(chē)速預(yù)警的功能，彎道速度預(yù)警系統(tǒng)一般由道路識(shí)別模塊、安全車(chē)速計(jì)算模塊、安全狀態(tài)判斷模塊和人機(jī)交互模塊四部分組成，其主要工作流程如圖3所示。

彎道安全臨界車(chē)速與車(chē)輛轉(zhuǎn)彎半徑直接相關(guān)，當(dāng)通過(guò)計(jì)算道路曲率得到車(chē)輛彎道轉(zhuǎn)彎半徑，結(jié)合車(chē)輛動(dòng)力學(xué)參數(shù)并根據(jù)一定的算法計(jì)算可得出車(chē)輛臨界安全車(chē)速，因此，對(duì)于不同類(lèi)型的車(chē)輛，測(cè)量彎道半徑是計(jì)算車(chē)輛臨界安全車(chē)速的關(guān)鍵。近年來(lái)，出現(xiàn)了利用全球定位系統(tǒng)（GPS）、激光、超聲波、紅外等技術(shù)來(lái)測(cè)量彎道半徑的方法，但是，視覺(jué)信號(hào)仍然具有成本低、采集信號(hào)范圍寬、用戶友好性高等先天優(yōu)勢(shì)，尤其是在車(chē)道圖像的檢測(cè)識(shí)別上具有明顯優(yōu)勢(shì)。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的提高，數(shù)字圖像處理精度高，再現(xiàn)性好，靈活性高和適用面寬的優(yōu)點(diǎn)將愈發(fā)凸顯。

2.2 盲區(qū)監(jiān)測(cè)

盲區(qū)監(jiān)測(cè)（Blind Spot Detection，BSD）：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)駕駛員視野盲區(qū)，并在其盲區(qū)內(nèi)出現(xiàn)其它道路使用者時(shí)發(fā)出提示或警告信息[5]。

盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般采用分級(jí)報(bào)警，當(dāng)其他車(chē)輛進(jìn)入盲區(qū)，但系統(tǒng)判斷并無(wú)碰撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)啟動(dòng)一級(jí)報(bào)警，布置在左右外后視鏡上或A柱上的LED報(bào)警指示燈將點(diǎn)亮;當(dāng)系統(tǒng)判斷盲區(qū)內(nèi)有車(chē)輛且有碰撞風(fēng)險(xiǎn)，將啟動(dòng)二級(jí)報(bào)警，報(bào)警指示燈開(kāi)始閃爍，儀表盲區(qū)監(jiān)測(cè)圖標(biāo)閃爍、蜂鳴報(bào)警音響起、座椅震動(dòng)等多種報(bào)警方式將共同啟動(dòng)。根據(jù)車(chē)型級(jí)別和行駛工況的不同，盲區(qū)監(jiān)測(cè)范圍有較大差異，主要為側(cè)后盲區(qū)（如圖4所示）和轉(zhuǎn)向盲區(qū)，觸發(fā)的邊界條件有車(chē)速、檔位和中控門(mén)鎖。

盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能是建立在毫米波雷達(dá)對(duì)盲區(qū)探測(cè)的基礎(chǔ)上的，抗干擾能力強(qiáng)、精準(zhǔn)度高的毫米波雷達(dá)是盲區(qū)監(jiān)測(cè)理想的傳感器，毫米波雷達(dá)的工作頻率以24GHZ和77GHZ為主。通過(guò)優(yōu)化控制系統(tǒng)算法，盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還可以進(jìn)一步拓展出車(chē)門(mén)開(kāi)啟預(yù)警（Door Open Warning，DOW）和變道碰撞預(yù)警（Lane Changing Warning，LCW）等功能。

2.3 車(chē)門(mén)開(kāi)啟預(yù)警

車(chē)門(mén)開(kāi)啟預(yù)警（Door Open Warning，DOW）：在停車(chē)狀態(tài)即將開(kāi)啟車(chē)門(mén)時(shí)，監(jiān)測(cè)車(chē)輛側(cè)后方的其它道路使用者，并在可能因車(chē)門(mén)開(kāi)啟而發(fā)生碰撞危險(xiǎn)時(shí)發(fā)出警告信息[6]。

車(chē)門(mén)開(kāi)啟預(yù)警系統(tǒng)主要應(yīng)用于車(chē)輛路邊停車(chē)應(yīng)用場(chǎng)景。系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)車(chē)門(mén)后側(cè)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)，包括速度、距離、角度和方向，確定目標(biāo)物體的位置，預(yù)測(cè)目標(biāo)物體在預(yù)警區(qū)域內(nèi)的停留時(shí)域和車(chē)內(nèi)乘客開(kāi)門(mén)動(dòng)作時(shí)域，通過(guò)比較兩者時(shí)域是否有重合來(lái)判斷風(fēng)險(xiǎn)，如有風(fēng)險(xiǎn)則觸發(fā)預(yù)警，提醒駕乘人員開(kāi)門(mén)時(shí)注意安全，或者進(jìn)行車(chē)門(mén)制動(dòng)，阻止乘客打開(kāi)車(chē)門(mén)。因此，傳感器探測(cè)目標(biāo)并獲取其狀態(tài)參數(shù)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。車(chē)門(mén)開(kāi)啟預(yù)警系統(tǒng)主要由車(chē)輛信息感知模塊、目標(biāo)物體感知模塊、預(yù)警控制模塊、預(yù)警執(zhí)行模塊四個(gè)部分組成，系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖5所示。

2.4 變道碰撞預(yù)警

變道碰撞預(yù)警（Lane Changing Warning，LCW）：在車(chē)輛變道過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相鄰車(chē)道，并在車(chē)輛側(cè)/后方出現(xiàn)可能與本車(chē)發(fā)生碰撞危險(xiǎn)的其它道路使用者時(shí)發(fā)出警告信息[7]。

變道碰撞預(yù)警是盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的又一項(xiàng)拓展功能，其系統(tǒng)開(kāi)啟條件與盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、車(chē)門(mén)開(kāi)啟預(yù)警系統(tǒng)的控制邏輯相似。變道碰撞預(yù)警系統(tǒng)傳感器對(duì)車(chē)輛側(cè)后方障礙物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)包括速度，距離以及方位角度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，車(chē)輛行駛中側(cè)后方物體可能運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖6所示。

如上圖所示，A為相鄰車(chē)道的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)車(chē)輛，B為本車(chē)道報(bào)警區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)車(chē)輛，C為本車(chē)正后方的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)車(chē)輛。A、B和C可能的運(yùn)動(dòng)軌跡如表1所示。

2.5 車(chē)道偏離預(yù)警

車(chē)道偏離預(yù)警（Lane Departure Warning，LDW）：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輛在本車(chē)道的行駛狀態(tài)，并在出現(xiàn)非駕駛意愿的車(chē)道偏離時(shí)發(fā)出警告信息[8]。

車(chē)道偏離預(yù)警系統(tǒng)的工作流程主要分為道路圖像預(yù)處理、車(chē)道檢測(cè)、車(chē)道線檢測(cè)和車(chē)道偏離檢測(cè)。為了計(jì)算輸入圖像中的關(guān)心區(qū)域，系統(tǒng)須對(duì)已知的范圍進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)車(chē)輛在直線道路或大曲率半徑道路，檢測(cè)范圍會(huì)變得無(wú)限大，因此一般系統(tǒng)須在不超過(guò)250米的道路曲率半徑下工作，并在位于車(chē)道邊界外0.3m的最晚警戒線和車(chē)道邊界內(nèi)0.75m的最早的警戒線范圍內(nèi)設(shè)置報(bào)警閾值。車(chē)道識(shí)別是系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，目前，主流的車(chē)道識(shí)別算法是在感興趣區(qū)域 （Region of Interest，ROI）中建立搜索窗口的方法，在確定ROI的寬度時(shí)，以車(chē)道線的寬度為基準(zhǔn)設(shè)置，使系統(tǒng)能夠更好的處理非理想路況的不確定因素，并建立實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)搜索帶，除了能更精確的追蹤車(chē)道標(biāo)志線之外，還能更好地應(yīng)用于彎路路況。卷積法、Lucas-Kanade（L-K）光流法、車(chē)道線追蹤（Kalman濾波法）是目前較為常見(jiàn)的車(chē)道線檢測(cè)算法[9]，預(yù)警算法中的關(guān)鍵是根據(jù)采集到的圖像信息中的邊線探測(cè)點(diǎn)擬合車(chē)道線。然而，圖像噪聲，車(chē)道線不完整等情況無(wú)法避免，如何在清晰度降低的情況下快速準(zhǔn)確的檢測(cè)出車(chē)道線成為關(guān)鍵。

2.6 車(chē)道保持輔助

車(chē)道保持輔助（Lane Keep Assistance，LKA）：包括車(chē)道偏離抑制（Lane Departure Prevention，LDP）和車(chē)道居中控制（Lane Centering Control，LCC）兩級(jí)功能。車(chē)道偏離抑制：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輛與車(chē)道線的相對(duì)位置，在其將要超出車(chē)道線時(shí)介入車(chē)輛橫向運(yùn)動(dòng)控制，以輔助駕駛員將車(chē)輛保持在原車(chē)道內(nèi)行駛。車(chē)道居中控制：在車(chē)輛行駛過(guò)程中，持續(xù)自動(dòng)控制車(chē)輛橫向運(yùn)動(dòng)，使車(chē)輛始終在車(chē)道中央?yún)^(qū)域內(nèi)行駛[10]。

車(chē)道保持輔助系統(tǒng)可分為感知層、決策控制層和執(zhí)行層三部分：感知層用于采集車(chē)道信息及車(chē)輛信息;決策控制層基于輔助力矩及真實(shí)駕駛員轉(zhuǎn)向力矩生成虛擬駕駛員轉(zhuǎn)向力矩;執(zhí)行層主要為電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)。

2.7 交通擁堵輔助

交通擁堵輔助（Traffic Jam Assistance，TJA）：在車(chē)輛低速通過(guò)交通擁堵路段時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輛前方及相鄰車(chē)道行駛環(huán)境，經(jīng)駕駛員確認(rèn)后自動(dòng)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行橫向和縱向控制。

交通擁堵輔助系統(tǒng)基于“前視攝像頭（Forward Camera Module，F(xiàn)CM）和前毫米波雷達(dá)（Forward Radar Module，F(xiàn)RM）”的傳感器組合進(jìn)行開(kāi)發(fā)，可同時(shí)進(jìn)行橫向或縱向運(yùn)動(dòng)控制，因此可認(rèn)為是L2級(jí)ADAS功能[11]。一般交通擁堵輔助系統(tǒng)的工作速度區(qū)間為0～60km/h，在此速度范圍內(nèi)可為駕駛員提供車(chē)輛的縱向和橫向輔助。交通擁堵輔助系統(tǒng)的縱向輔助由自適應(yīng)巡航控制ACC（Adaptive Cruise Control）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，將自身車(chē)輛維持在固定的車(chē)速或者與前方道路使用者的固定時(shí)距行駛。系統(tǒng)較典型的橫向輔助策略是，如果車(chē)道線存在，車(chē)輛會(huì)被維持在車(chē)道之內(nèi)行駛，否則車(chē)輛會(huì)跟隨前方車(chē)輛的橫向移動(dòng)行駛。

交通擁堵輔助系統(tǒng)的觸發(fā)條件包括：所有車(chē)門(mén)完全關(guān)閉;駕駛員正確佩戴安全帶;啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)并掛入D擋;ESC處于開(kāi)啟狀態(tài)并駐車(chē)制動(dòng)未激活等。

3 側(cè)向駕駛輔助系統(tǒng)技術(shù)趨勢(shì)

駕駛輔助系統(tǒng)可提高駕駛員行車(chē)安全性和駕駛舒適性，是提升出行效率、解決交通事故頻發(fā)問(wèn)題的有效措施。當(dāng)前國(guó)內(nèi)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量穩(wěn)步快速增長(zhǎng)，廣大汽車(chē)用戶走向多樣化，以用戶為導(dǎo)向的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)理念越來(lái)越被汽車(chē)廠家采用，駕駛輔助系統(tǒng)在提升汽車(chē)產(chǎn)品力和用戶友好度上作用明顯，因此駕駛輔助系統(tǒng)的技術(shù)必然是以量產(chǎn)為基礎(chǔ)，以用戶為導(dǎo)向不斷發(fā)展。

3.1 環(huán)境感知系統(tǒng)融合開(kāi)發(fā)

單一的攝像頭或雷達(dá)方案存在先天的優(yōu)勢(shì)和不足。攝像頭方案的優(yōu)勢(shì)在于成本較低，開(kāi)發(fā)門(mén)檻較低。其不足在于受天氣、環(huán)境等外部因素影響大和算法穩(wěn)定性較差。雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)在于穩(wěn)定可靠、受天氣等影響較小，不足是成本高和缺乏辨識(shí)能力。因此，采用雷達(dá)和攝像頭融合方案，綜合多傳感器的信息輸入將會(huì)是未來(lái)的主流環(huán)境感知系統(tǒng)配置。

3.2 智能通用芯片開(kāi)發(fā)

在駕駛輔助功能多樣化的背景下，單一系統(tǒng)專(zhuān)用硬件芯片雖然有成本和性能等優(yōu)勢(shì)，但每個(gè)功能系統(tǒng)需要獨(dú)立開(kāi)發(fā)算法，開(kāi)發(fā)周期過(guò)長(zhǎng)且存在技術(shù)融合壁壘。相比較，通用芯片能更快地適應(yīng)ADAS系統(tǒng)整體開(kāi)發(fā)，從而大幅縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，加速產(chǎn)品上市。

3.3 建立科學(xué)的駕駛行為模型

量產(chǎn)車(chē)型配置的駕駛輔助系統(tǒng)面向廣大用戶，需考慮不同用戶的個(gè)人差異。因此，建立科學(xué)的駕駛?cè)诵袨槟Ｐ驮贏DAS系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中尤為重要，通過(guò)多維信息的融合可以使駕駛?cè)诵袨楸O(jiān)測(cè)結(jié)果更為完整，能夠更加可靠地將識(shí)別駕駛?cè)诵袨橐鈭D，使系統(tǒng)警告觸發(fā)和行車(chē)干預(yù)更加科學(xué)。

4 結(jié)束語(yǔ)

高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)發(fā)展中占據(jù)著舉足輕重的地位，其中側(cè)向駕駛輔助系統(tǒng)和應(yīng)用可以有效提高駕駛安全性。本文詳細(xì)闡述了典型側(cè)向駕駛輔助系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，側(cè)向駕駛輔助系統(tǒng)在環(huán)境感知層，智能決策層和控制執(zhí)行層均具備應(yīng)用于量產(chǎn)車(chē)型并面向客戶的產(chǎn)業(yè)能力。

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