自動駕駛客車關(guān)鍵技術(shù)分析

王龍杰

摘 要：自動駕駛客車是集計算機科學(xué)、模式識別和智能控制技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物，也是衡量一個國家科研實力和工業(yè)水平的一個重要標志，在國防和國民經(jīng)濟領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。我公司為了把握先機決定研發(fā)自動駕駛客車，文章對該車多傳感器融合定位技術(shù)、車用無線通信技術(shù)（V2X）、智能線控底盤技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進行了詳細闡述。

關(guān)鍵詞：自動駕駛客車;多傳感器融合定位技術(shù);車用無線通信技術(shù);智能線控底盤技術(shù)

Abstract： The automatic driving bus is the product of the high development of computer science， pattern recognition and intelligent control technology， and it is also an important symbol to measure the scientific research strength and industrial level of a country. It has a broad application prospect in the field of national defense and national economy. In order to grasp the opportunity， our company decided to develop the self driving bus. In this paper， the key technologies such as multi-sensor fusion positioning technology， vehicle wireless communication technology （V2X） and intelligent wire controlled chassis technology are described in detail.

Keywords： Automatic driving bus; Multi-sensor fusion positioning technology; Vehicle wireless communication tech -nology; Intelligent wire control chassis technology

前言

自動駕駛客車是通過車載傳感系統(tǒng)感知道路環(huán)境，自動規(guī)劃行車路線并控制車輛到達預(yù)定目標的智能客車[1]。自動駕駛客車為了實現(xiàn)其自動駕駛的功能需要完成感知定位、決策規(guī)劃和控制執(zhí)行等任務(wù)，在其感知定位系統(tǒng)、決策規(guī)劃系統(tǒng)和控制執(zhí)行系統(tǒng)中至關(guān)重要的關(guān)鍵技術(shù)是多傳感器融合定位技術(shù)、車用無線通信技術(shù)（V2X）及智能線控底盤技術(shù)等，現(xiàn)將其技術(shù)要點分析如下。

1 多傳感器融合定位技術(shù)

1.1 概述

多傳感器信息融合是將不同傳感器對某一目標或環(huán)境特征描述的信息，綜合成統(tǒng)一的特征表達信息及其處理的過程[2]。具體來講就是協(xié)調(diào)利用多個傳感器資源實現(xiàn)多傳感器信息融合，通過對各種傳感器及其觀測信息的合理支配和使用，將各種傳感器在空間和時間上的互補與冗余信息依據(jù)某種優(yōu)化準則加以組合，產(chǎn)生對觀測環(huán)境或?qū)ο蟮囊恢滦越忉尯兔枋觥?/p>

1.2 原理

多傳感融合的原理就是得到全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）和特征匹配自定位系統(tǒng)等的輸入數(shù)據(jù)。然后對這些數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、數(shù)據(jù)配準和數(shù)據(jù)融合等處理后，精準的輸出車輛自身的速度、位置和姿態(tài)等信息。

1.3 優(yōu)勢

GNSS應(yīng)用廣泛、適用范圍廣、定位精度高，但其更新頻率過低僅有10Hz左右無法滿足自動駕駛系統(tǒng)對實時定位的要求。INS更新頻率較高，達到200Hz以上，滿足自動駕駛系統(tǒng)的需求;但由于誤差累積的原因，它的準確度隨時間和行駛距離的增加而降低，因此也無法完整保證定位的準確性。通過多傳感器信息融合技術(shù)將GNSS與INS的數(shù)據(jù)進行融合，可以為車輛定位提供實時準確的位置信息。

2 車用無線通信技術(shù)（V2X）

2.1 概述

車用無線通信技術(shù)（V2X）[3]是將車輛與一切事物相連接的新一代信息通信技術(shù)，其中V代表車輛，X代表任何與車交互信息的對象，當(dāng)前X主要包含車、人、交通路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)。V2X交互的信息模式包括：車與車之間、車與路之間、車與路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施（如紅綠燈、交通攝像頭、路側(cè)單元等）之間、車與人之間的交互。

2.2 原理

V2X是一種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點（汽車、智能交通燈等）可以發(fā)射、捕獲并轉(zhuǎn)發(fā)信號。利用V2X，車輛可以獲取周圍環(huán)境的未知參數(shù)及附近車輛的運行狀態(tài)，這些狀態(tài)包括速度、位置、行駛方向、剎車等基本的安全信息。然后車載端主動安全算法將處理所獲取的信息，并按照優(yōu)先級對信息進行分類，對可能發(fā)生的危險情景進行預(yù)警，緊急情況下可以利用車輛執(zhí)行端對車輛進行控制從而規(guī)避風(fēng)險。V2X技術(shù)開啟了對四周360°智能感知，這一技術(shù)能夠在各種危險情況下提醒駕駛者，從而大大減少汽車碰撞事故的發(fā)生并緩解交通擁堵。

2.3 優(yōu)勢

2.3.1 覆蓋面更廣

300～500m的通信范圍相比十幾米的雷達探測范圍要遠得多，不僅是前方障礙物、身旁和身后的建筑物、車輛都會互相連接，大大拓展了駕駛員的視野范圍，駕駛員能獲得的信息更多更立體。

2.3.2 有效避免盲區(qū)

由于所有物體都接入互聯(lián)網(wǎng)，每個物體都會有單獨的信號顯示，因此即便是視野受阻通過實時發(fā)送的信號可以顯示視野范圍內(nèi)看不到的物體狀態(tài)，也就降低了盲區(qū)出現(xiàn)的概率，從而充分避免了因盲區(qū)而導(dǎo)致的潛在危險。

3 智能線控底盤技術(shù)

智能線控底盤系統(tǒng)就是將駕駛員的操縱意圖經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)化為電信號（或環(huán)境感知得到的操縱指令），通過CAN總線[4]傳輸?shù)綀?zhí)行機構(gòu)并實現(xiàn)精準控制的一種系統(tǒng)。智能線控底盤主要包括四大系統(tǒng)（原理如圖1所示）：線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、線控制動系統(tǒng)、線控油門系統(tǒng)和線控換擋系統(tǒng)[5]，現(xiàn)分別闡述如下。

3.1 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Steering By Wire ，簡稱SBW）

3.1.1 概述

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向器之間的機械連接，直接通過電信號控制轉(zhuǎn)向電機來控制汽車轉(zhuǎn)向，主要由轉(zhuǎn)向盤總成、轉(zhuǎn)向執(zhí)行總成和主控制器（ECU）3個主要部分以及自動防故障系統(tǒng)、電源等輔助系統(tǒng)組成。

3.1.2 原理

駕駛員根據(jù)路況轉(zhuǎn)動方向盤（或由CAN發(fā)送的方向盤轉(zhuǎn)動指令），轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動時帶動轉(zhuǎn)角傳感器的大齒輪轉(zhuǎn)動，大齒輪帶動裝有磁體的兩個小齒輪轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生變化的磁場，通過敏感電機檢測這種變化產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角信號，通過CAN總線將數(shù)據(jù)發(fā)送出到主控制器，主控制器根據(jù)內(nèi)部的程序，計算出合適的前輪轉(zhuǎn)角并發(fā)送到轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機，實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向。

3.1.3 優(yōu)勢

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)除了具有一般線控系統(tǒng)安全、輕便、控制精確的優(yōu)點之外，還可以輕易地通過控制程序?qū)崿F(xiàn)變傳動比控制甚至理想傳動比控制，即提高在低速時轉(zhuǎn)向的靈敏性和高速時轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性，控制汽車的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角，提高轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。

3.2 線控制動系統(tǒng)（Brake By Wire，簡稱BBW）

3.2.1 概述

線控制動系統(tǒng)主要由制動踏板、電控單元ECU以及各種傳感器等組成，取消了制動踏板和制動器之間的液壓（或氣壓）與機械連接，而是通過傳感器接收制動踏板的行程和踏板力，并把信號傳遞給電控單元，制動意圖通過制動踏板轉(zhuǎn)角傳感器的轉(zhuǎn)角、角加速度等信號來識別。

3.2.2 原理

當(dāng)駕駛員踩下制動踏板時（或由CAN總線發(fā)送的剎車指令），輸入桿會推動閥體移動，位于下方的踏板行程傳感器會把踏板行程信息傳遞給電子控制單元，電子控制單元將踏板行程信息處理之后得到合適的制動力矩，并把制動信號傳遞給直流無刷電機，電機轉(zhuǎn)動將制動力矩通過二級齒輪單元放大后推動助力器閥體，最終推動制動缸實現(xiàn)制動。

3.2.3 優(yōu)勢

由于取消了制動踏板和制動器之間的液壓（或氣壓）與機械連接，大大減少了制動器起作用的時間，提高了制動效能，縮短了制動距離。由于取消了液壓（或氣壓）控制，不會有液體（或氣體）泄漏，減少了保養(yǎng)和維修的成本。

采用線控技術(shù)以后剎車響應(yīng)時間縮短至90ms左右，相對傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)400～600ms、電控液壓系統(tǒng) 120-150ms的反應(yīng)時間優(yōu)勢非常明顯。

采用了電控制動系統(tǒng)（EBS）[6]，該新技術(shù)可以與再生制動等電制動手段結(jié)合，滿足日常剎車的要求，降低制動系統(tǒng)的磨損，同時也能通過電機的反向作用、彌補剎車踏板在制動能量回收等狀態(tài)下的力度反饋，讓駕駛更為順暢。

3.3 線控油門系統(tǒng)（Throttle By Wire，簡稱TBW）

3.3.1 概述

線控油門也稱電子油門，主要由加速踏板、加速踏板位置傳感器以及電子油門控制單元等組成，加速踏板有地板式和懸掛式兩種形式，結(jié)合加速踏板位置傳感器反映駕駛者的操作意圖，并將信號傳遞給控制單元。

3.3.2 原理

線控油門系統(tǒng)的工作原理是，當(dāng)駕駛員踩下加速踏板時，駕駛員的操作意圖被加速踏板位置傳感器感知，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號（或由CAN總線發(fā)送的目標加速度指令），輸送給電子油門控制單元，電子油門控制單元得到這個信號后，結(jié)合當(dāng)前驅(qū)動電機的工作狀態(tài)、車速等信息，通過分析和計算當(dāng)前驅(qū)動電機的最佳扭矩，經(jīng)過電機控制器控制輸出電能的電壓、電流幅值或者頻率來改變電機轉(zhuǎn)矩，達到控制整車速度、加速度的目的。同時動力電機上的傳感器將轉(zhuǎn)速等信息反饋給電子控制單元，實現(xiàn)了閉環(huán)控制，從而達到最優(yōu)的控制效果。

3.3.3 優(yōu)勢

線控油門系統(tǒng)除了控制精度高，結(jié)構(gòu)更為簡單之外，可以根據(jù)汽車的工況以及驅(qū)動電機的工作狀態(tài)，結(jié)合駕駛員的油門踏板深度（或由CAN總線發(fā)送的目標加速度指令），實時調(diào)節(jié)驅(qū)動電機扭矩的大小，合理控制輸入電能的大小，減少不必要的大油門，提高驅(qū)動電機的工作效率。

3.4 線控換擋系統(tǒng)（Shift By Wire，簡稱SBW）

3.4.1 概述

線控換擋系統(tǒng)由擋位選擇模塊、電控單元、執(zhí)行模塊、停車控制ECU、停車執(zhí)行機構(gòu)和擋位指示燈等組成。

3.4.2 原理

在該系統(tǒng)中，通過擋位按鍵的傳感器將換擋信號傳遞給電控單元，電控單元處理信號后將指令發(fā)送給換擋電機，實現(xiàn)前進擋、倒擋和空擋的切換。其停車控制ECU會根據(jù)換擋電控單元發(fā)出的換擋指令，控制停車執(zhí)行機構(gòu)。

3.4.3 優(yōu)勢

1）消除了傳統(tǒng)機械部件與變速器聯(lián)動的約束，從而提升了設(shè)計自由度。

2）換擋齒輪的切換由電機驅(qū)動，減少了操縱力。

3）結(jié)構(gòu)簡化，減少維護費用，換擋響應(yīng)快，操控靈敏。

4）當(dāng)駐車時，只需輕觸駐車開關(guān)就可實現(xiàn)駐車換擋，操作簡捷省時。

4 結(jié)論

自動駕駛車輛己經(jīng)成為世界車輛工程領(lǐng)域研究的熱點和汽車工業(yè)增長的新動力，很多發(fā)達國家都將其納入到各自重點發(fā)展的智能交通系統(tǒng)當(dāng)中。我公司研發(fā)的自動駕駛客車中采用的多傳感器融合定位技術(shù)、車用無線通信（V2X）技術(shù)及智能線控底盤技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)在國內(nèi)的自動駕駛領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，在該車試運行后經(jīng)測試達到了L4級（在特定的條件下不需要駕駛員可以完全完成駕駛?cè)蝿?wù)），我們將總結(jié)經(jīng)驗不斷提高，相信在推廣市場后必將會受到廣大客戶的歡迎。

參考文獻

[1] 360百科.無人駕駛汽車[EB/OL].[2020-01-10].https：// baike.so.com/ doc/6063867-6276926.html.

[2] 王建，徐國艷，陳競凱，等.無人駕駛技術(shù)概論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2019：100.

[3] 中商產(chǎn)業(yè)研究院.2018年中國車用無線通信技術(shù)發(fā)展前景研究報告[EB/OL].[2018-07-10].http：//www.askci.com/news/chanye/2018 0710/1355491125787.shtml.

[4] 趙立軍，佟欽智，魏平濤等.電動汽車結(jié)構(gòu)與原理[M].北京：北京大學(xué)出版社，2012：149-150.

[5] 陳家瑞，張建文，高瑩，等.汽車構(gòu)造（上冊）[M].3版.北京：機械工業(yè)出版社，2019：13-15.

[6] GB 7258-2017，機動車運行安全技術(shù)條件[S].北京：中國標準出版社，2017：21.