無人駕駛重卡在開放道路測試中存在的問題及分析

韋澤富 姚勝利

摘 要：通過企業(yè)調研和文獻查閱，介紹了無人駕駛技術應用于港區(qū)水平運輸的現(xiàn)狀以及技術落地的優(yōu)勢與可行性，簡述了無人駕駛重卡車的基本運行過程;分析了目前無人駕駛重卡在開放道路測試中經常出現(xiàn)的問題，包括天氣的影響（光照強度、可見度等）、無人駕駛系統(tǒng)的穩(wěn)定性、舒適性和整體經濟性等，為無人駕駛技術的改進提供一定的方向。

關鍵詞：無人駕駛重卡;水平運輸;舒適度;非線性控制

中圖分類號：U469.5+2 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）21-36-04

Abstract： Through enterprise research and literature review， this paper introduces the status quo of the application of driverless technology in horizontal transportation of port area and the advantages and feasibility of technology landing. And this paper analyzes the problems that often occur in the open road test of unmanned heavy truck， including the influence of weather （light intensity， visibility， etc.）， stability， comfort and overall economy of unmanned vehicle system， and puts forward some relevant suggestions for improvement.

Keywords： Unmanned heavy truck; Horizontal transport; Comfort; Nonlinear control

CLC NO.： U469.5+2 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-36-04

前言

在全球前十的港口排名中，有7個位于中國。由于港口貨物吞吐量的激增，各港口集團正努力尋找全新的運輸方式，以提升綜合效率和經濟效益。無人駕駛技術賦能港口貨運的方式便應運而生。無人駕駛重卡是在原有重型卡車的基礎上研發(fā)的，融合了5G通信、視覺感知和高精度地圖等前沿技術。當前國外主要有沃爾沃、奔馳-戴姆勒、寶馬等知名企業(yè)開展研究。國內有三一海工集團采用5G通信、車路協(xié)同、高精度定位等新技術研發(fā)無人電動集卡[1];由天津港集團、中國重汽集團和主線科技公司攜手打造的無人駕駛電動港口牽引車在天津港區(qū)內試運營[2];上汽、上港和中國移動公司聯(lián)合開發(fā)的“5G+L4級”智能重卡也進入示范運營;圖森、贏徹科技等初創(chuàng)公司也紛紛加入無人駕駛的市場中，無人駕駛技術在港口物流的運用已成為了研究熱點。

無人駕駛技術在港口物流運輸中是具有一定的落地優(yōu)勢。首先港區(qū)內的道路可以不受交管部門的管制，可以暫時避開相關交通法規(guī)的約束[3];無人駕駛重卡在港區(qū)內行駛的速度一般不超過40km/h，而且路況比較簡單，作業(yè)車輛和機械較有序行駛。所以整體上降低了無人駕駛技術在港區(qū)內實施的難度，具備較高的可行性[4]。

1 無人駕駛概述

1.1 無人駕駛的基本過程

無人駕駛通?？煞譃楦兄?、預測、規(guī)劃和控制四個部分，如圖1所示。感知系統(tǒng)包括視覺感知（前視和周視攝像頭）、激光雷達、毫米波雷達、加速度計、GPS+慣性導航組合系統(tǒng)等軟硬件，以定位汽車和獲取周圍環(huán)境信息;隨后汽車還要進一步分析和預測周圍運動物體在未來一段時間內的行駛軌跡;借助感知和預測的信息，以及高精度地圖，控制系統(tǒng)即可進行最優(yōu)路徑規(guī)劃，避免發(fā)生沖突;計算出規(guī)劃路徑后，無人駕駛系統(tǒng)即控制汽車行駛軌跡盡可能與設計軌跡重合在一起，以減少誤差。該誤差為汽車的實際路徑與規(guī)劃路徑的橫向偏離值，如NVIDA公司開發(fā)的產品常用roaderror值表示該值。

2 開放道路的定義

開放道路接近于實際道路，是指在某一區(qū)域范圍內，互相連通的道路。開放道路具有較多的車道、紅綠燈和路口，而且交通參與者（車輛、行人、其它動物等）復雜多變，道路環(huán)境更真實，如圖2所示。在開放道路進行研究測試，其結果具備較高真實性，所以許多企業(yè)開始轉向開放道路測試。上汽紅巖研發(fā)的5G智能重卡已在上海的滴水湖環(huán)湖二路進行26.1km的開放道路測試。

3 無人駕駛重卡現(xiàn)存的問題

3.1 天氣影響

3.1.1 光照強度

光照強度的大小主要會影響無人駕駛重卡的視覺感知與定位，當周圍環(huán)境的光照強度太高或太低時，都會影響車載攝像頭對周圍環(huán)境的感知，造成預測的信息不準確，最終輸出錯誤的執(zhí)行結果。

例如實測場景1（如圖3所示）：天氣是晴天，無人駕駛重卡S（主車）在路口左轉，主車前方有目標車T1同樣左轉，主車右方有一目標車T2已從隧道駛出;所在路口位于大橋底下，主車S由強光環(huán)境進入橋底的弱光環(huán)境后，緊急制動，之后繼續(xù)行駛。在回放車載CAN數據時，發(fā)現(xiàn)是因為主車誤檢與目標車T2即將發(fā)生路徑交叉碰撞而制動。

實測場景2（如圖4和圖5所示）：時間是夜晚，主車S在右側行車道內保持行駛，當左側的目標車完全超過主車時，因為路燈的投射而在主車前方形成目標車的陰影區(qū)，主車S的前視攝像頭將該陰影區(qū)誤檢為障礙物而制動，隨后繼續(xù)行駛。而且在夜間測試時，該問題曾多次出現(xiàn)。

3.1.2 可見度

周圍環(huán)境的可見度會對感知系統(tǒng)能否準確感知造成一定影響。霧天、雨雪天的可見度較低，無人駕駛重卡對周圍交通參與者、靜止物體的感知與識別能力會有所下降，從而影響了后續(xù)的預測、規(guī)劃和控制的過程。在雨霧天氣進行道路測試時，經常會出現(xiàn)的問題有：當主車（測試車）被其它車輛超車時，因為干擾車濺起較多的水霧，主車的攝像頭、激光雷達等部件會受到干擾，容易將濺起的水霧誤檢為障礙物而制動。另外，在雨霧天氣中測試時，視覺感知模塊的攝像頭等傳感器容易沾附水滴，導致清晰度、可見度均有所下降，影響視覺感知能力。

針對光照強度、可見度對無人駕駛重卡的感知造成的影響，可以對某些特定的環(huán)境設置相應的感知優(yōu)先級。例如：由于激光雷達測距、識別障礙物更精準，所以在晴朗夜間或其它光強較低的環(huán)境行駛時，可以將其感知優(yōu)先級設為最高，即主要以激光雷達感知的環(huán)境信息進行建模;而毫米波雷達輻射的電磁波穿透雨霧、煙、灰的能力強，所以在雨、霧、雪、霾等天氣中行駛時，適合將其設為最高感知優(yōu)先級。

3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性

現(xiàn)今無人駕駛領域尚未實現(xiàn)完全自動化和商業(yè)化，與無人駕駛系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大關系。隨著測試時間、強度的增加，無人駕駛系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耐久性均會有不同程度的下降。比如：無法切換至無人駕駛模式、自行退出無人駕駛模式、無人駕駛的操作軟件出現(xiàn)閃跳等故障，需要多次重啟無人駕駛系統(tǒng)或排查故障才能正常使用。在提高感知系統(tǒng)準確度的同時，如何大大提高無人駕駛系統(tǒng)的穩(wěn)定性是今后需要努力的方向，比如可以開發(fā)性能更強大的處理器來適應越來越復雜、真實的測試環(huán)境;提升信息傳輸速率等。

3.3 舒適性

無人駕駛汽車的乘坐舒適度是較低的，特別是重卡，由于大多是采用非獨立懸架，其舒適度原本就比乘用車低，再加上無人駕駛系統(tǒng)對車輛動力系統(tǒng)和制動系統(tǒng)的非線性控制[5]，造成對乘坐者的縱向位移前后變化較大，而人體對縱向振動（x方向）造成的不舒適度較為敏感[6]，因此在無人駕駛重卡內乘坐時，舒適性更低。

（1）無人駕駛系統(tǒng)對車輛動力系統(tǒng)的非線性控制導致的乘坐舒適度下降，大多是發(fā)生在持續(xù)車速較低的工況，一般是車速不高于20km/h，因為此時車輛的動力系統(tǒng)處于較低擋位，不超過3擋，車輛的加速度對油門大小的控制較敏感。如圖6和表1所示，如果限定車輛速度不高于15km/h，速度誤差不超過±2km/h，則無人駕駛重卡的速度超過15km/h時（設為時間為t1），無人駕駛系統(tǒng)就會控制油門踏板松開，因為存在行駛阻力而使車輛的加速度由正變?yōu)樨摚俣ㄜ囕v前進方向為正向）;繼續(xù)行駛一段時間，速度降至15km/h以下時（設為時間t2），無人駕駛系統(tǒng)再次控制油門踏板加速，如此循環(huán)控制。那么較強的車輛縱向振動主要產生于加速度出現(xiàn)突變的t1、t2、t3···等時刻，也就降低了乘坐時的舒適性。當車輛行駛速度較高時，比如車速大于60km/h，由于維持車輛自身的速度所需的加速度較小，所以乘坐者對于該控制機理產生的縱向振動不太敏感，故不作討論。

（2）無人駕駛系統(tǒng)對車輛制動系統(tǒng)的非線性控制是普遍存在的，這是影響無人駕駛車輛舒適度的主要原因，現(xiàn)階段，對車輛制動系統(tǒng)的控制機理通常為：設置制動減速度盡可能高一些，這樣制動距離就能盡可能小，以提高車輛在制動時的安全性，但是這樣會增加車輛縱向振動量，使乘坐舒適性下降。對于一些非必須緊急制動的場景，可以對其控制機理進行優(yōu)化，把制動距離適當延長，這樣制動減速度就能減少，增加乘坐舒適性。例如：在非必須緊急制動的紅綠燈路口前制動停車時，可控制制動系統(tǒng)在較遠處輕踩剎車，以較小減速度制動，最后在路口停車線前停車。

另外，在坡度較大的坡道上（如大于10%），由于坡道加速度較大，如果限制行駛車速較低，例如不超過30km/h，速度誤差不超過±2km/h，如圖7和表2所示進行分析。假設車輛從t1時刻開始下坡，在坡道加速度的作用下，車速超過30km/h時（設為t2時刻），無人駕駛系統(tǒng)就會控制制動系統(tǒng)執(zhí)行減速，假設加速度的方向沿坡道向下為正，那么此時車輛的加速度方向由正變負，產生突變;當減速至低于30km/h的某一速度值時，就會控制制動踏板松開，車輛繼續(xù)在坡道滑行;當車速超過30km/h之后再執(zhí)行減速，如此循環(huán)控制。那么較強烈的車輛縱向振動就會產生于加速度出現(xiàn)突變的t2、t3、t4···等時刻。

因此，需要從線性化控制車輛動力系統(tǒng)和制動系統(tǒng)等方面來優(yōu)化與研究，以提升無人駕駛重卡車上人員的乘坐舒適性或者保證車上貨物的完整。還有，轉向系統(tǒng)的轉向角連續(xù)、穩(wěn)定的輸出也是必要的，以提高車輛轉彎時的操縱穩(wěn)定性和舒適性。

3.4 整體經濟性

日本新能源產業(yè)技術綜合開發(fā)機構（NEDO）認為，縮短車距可以減少中間車輛的空氣阻力，使列隊行駛的卡車的平均燃效提高15%以上[7]。上汽集團也公開了上海洋山深水港5G智能重卡項目的相關預期數據，比如可以將東海大橋的通行效率提升100%，單點作業(yè)效率提升10%，使用LNG燃料，污染物排放減少60%。如果未來3～5年，無人駕駛重卡的相關技術能成熟落地，對運輸成本的縮減確實很可觀。但是目前，由于無人駕駛重卡的行駛控制機理與有人駕駛存在較大的差別，經常存在誤檢制動等問題，會對車輛零部件的使用壽命造成一定影響，使車輛磨損件、易損件的更換周期極大的縮短，這會造成不少社會資源的浪費。所以，新技術的開發(fā)不能只讓單方面的經濟效益得到提高，還應著眼于提高整體社會效益。

4 總結

貨運港口引入無人駕駛技術的優(yōu)勢及其可行性是明顯的，目前無人駕駛重卡在開放道路測試時，存在的重復性問題有：視覺感知系統(tǒng)會受環(huán)境天氣、可見度等客觀條件的影響，可能會產生誤檢的結果，建議針對不同的行駛環(huán)境設置相應的感知優(yōu)先級來優(yōu)化;無人駕駛系統(tǒng)的穩(wěn)定性較低，更進一步提高無人駕駛系統(tǒng)的穩(wěn)定性應是今后努力的方向，可以開發(fā)性能更強大的處理器、提升信息傳輸速率等;乘坐舒適性較低，應對無人駕駛重卡的動力系統(tǒng)和制動系統(tǒng)的控制算法進行相關優(yōu)化，以更接近人的駕駛習慣;整體經濟性和社會效益仍然偏低，建議從整體綜合優(yōu)化無人駕駛重卡甚至整個物流水平運輸系統(tǒng)。

參考文獻

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[3] 閆倩.人工智能的行政執(zhí)法分析——以無人駕駛汽車為例[J].法制博覽，2020（03）：102-103.

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