無(wú)人駕駛汽車(chē)主動(dòng)避讓控制問(wèn)題的研究

崔迎濤 康健健

(河南科技職業(yè)大學(xué)，河南 周口 466000)

0 前言

隨著智能控制技術(shù)的逐步成熟，無(wú)人駕駛技術(shù)也得到了快速發(fā)展。與傳統(tǒng)的人工駕駛汽車(chē)相比，無(wú)人駕駛汽車(chē)在減輕駕駛?cè)藛T操作車(chē)輛疲勞度的同時(shí)，也可以有效降低駕駛?cè)藛T因操作不規(guī)范或危險(xiǎn)駕駛而導(dǎo)致交通事故發(fā)生的概率，這對(duì)保障車(chē)輛的行駛安全、提升車(chē)內(nèi)人員的體驗(yàn)感和舒適度都有著重要的意義。

基于互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展及日漸成熟，“第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5G)車(chē)聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)逐漸成為構(gòu)建智慧城市的有效手段之一[1]。汽車(chē)搭載了車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能化車(chē)載控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)與城市的交通網(wǎng)、能源網(wǎng)、交通控制中心等平臺(tái)高效的有機(jī)互聯(lián)，交互平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)獲取行車(chē)的相關(guān)信息，并指導(dǎo)駕駛?cè)藛T或者汽車(chē)做出準(zhǔn)確、安全的行駛操作。

本文在5G 車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)無(wú)人駕駛汽車(chē)的傳感控制系統(tǒng)功能展開(kāi)了設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)用5G、多傳感器、全球定位系統(tǒng)(GPS)、遠(yuǎn)程感應(yīng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人駕駛汽車(chē)快速主動(dòng)避障，并通過(guò)計(jì)算單元自主快速做出決策，規(guī)劃出最佳的避讓行駛方式，可有效緩解交通擁堵，提升了無(wú)人駕駛汽車(chē)的可靠性和安全性。

1 主動(dòng)避讓控制系統(tǒng)算法

1.1 基于模型預(yù)測(cè)控制(MPC)技術(shù)

在汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)避開(kāi)障礙物的所有策略中，有一種比較成熟的策略[2]，其方法如下：①識(shí)別障礙物；②對(duì)障礙物的狀態(tài)及車(chē)輛周?chē)h(huán)境進(jìn)行深入分析；③計(jì)算單元為車(chē)輛避障做出相應(yīng)的指令。當(dāng)車(chē)輛在較為復(fù)雜的路況下進(jìn)行緊急避障時(shí)，車(chē)輛的避障性與穩(wěn)定性之間會(huì)發(fā)生沖突，車(chē)輛控制系統(tǒng)會(huì)對(duì)車(chē)輛在路面較為平坦時(shí)留下的軌跡進(jìn)行分析，其采用的算法主要是基于MPC技術(shù)的預(yù)測(cè)模型。但采用這種模型進(jìn)行分析的前提是車(chē)輛留下的軌跡與車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)一致，因此，車(chē)輛控制系統(tǒng)可以采取MPC技術(shù)來(lái)避開(kāi)障礙物，且能以圖形的形式展示出車(chē)輛擬采取的避障路徑。

1.2 基于位置敏感探測(cè)器(PSD)的三角測(cè)距技術(shù)

目前，市場(chǎng)上大多數(shù)避障措施普遍存在系統(tǒng)復(fù)雜、成本高、難度大等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，本文創(chuàng)新性地提出了一種新型的車(chē)輛主動(dòng)躲避障礙物系統(tǒng)。該系統(tǒng)采集障礙物位置信息的技術(shù)為PSD 三角測(cè)距法，可將信息發(fā)送給數(shù)據(jù)采集、處理、控制等模塊，最后在車(chē)輛液晶屏上顯示出車(chē)輛遇到的障礙物信息。該系統(tǒng)可以自發(fā)、主動(dòng)地檢測(cè)出障礙物位置，具有較高的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

1.3 2種方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析

在實(shí)際應(yīng)用中，基于MPC技術(shù)的系統(tǒng)算法具有一定的缺陷，雖然車(chē)輛可以主動(dòng)采取一些措施應(yīng)對(duì)遇到的障礙物進(jìn)行預(yù)先躲避，但是該算法并沒(méi)有考慮車(chē)輛躲避障礙物后的穩(wěn)定性，導(dǎo)致車(chē)內(nèi)駕乘人員的體驗(yàn)感不佳。MPC技術(shù)是以降低汽車(chē)的穩(wěn)定性為條件來(lái)主動(dòng)躲避障礙物的，當(dāng)汽車(chē)成功躲避障礙物后，便不再考慮車(chē)輛整體的運(yùn)行穩(wěn)定性，從而增加了車(chē)輛因避讓障礙物而發(fā)生側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)?；贛PC 技術(shù)系統(tǒng)的算法沒(méi)有清晰、詳細(xì)地描寫(xiě)檢測(cè)、躲避障礙物的原理和方法，算法的有效性在技術(shù)方案中也沒(méi)有完全得到描述。

基于PSD 技術(shù)的系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的主動(dòng)避障給出了簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法[3]。該方法有可能將現(xiàn)在的輔助無(wú)人駕駛技術(shù)推向完全無(wú)人、完全自動(dòng)的全智能無(wú)人駕駛技術(shù)。如果這些技術(shù)能獲得成功，將成為智能汽車(chē)發(fā)展的里程碑，但其缺陷也是顯而易見(jiàn)的。目前，系統(tǒng)研究還未完全付諸于實(shí)踐，僅停留在概念層面，還沒(méi)有針對(duì)駕駛的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行有針對(duì)性地探索和實(shí)踐，缺乏相應(yīng)的試驗(yàn)突破。

與已有的傳統(tǒng)算法不同，本文采用的方法是采用多個(gè)傳感器，解決了以往僅采用1個(gè)傳感器帶來(lái)的障礙識(shí)別不清晰、準(zhǔn)確度不高的問(wèn)題，有效提升了自動(dòng)駕駛機(jī)動(dòng)車(chē)的可靠性和安全性。利用5G 通信技術(shù)構(gòu)建信息傳輸系統(tǒng)，可以有效解決因?yàn)閭鞲衅鬟^(guò)多導(dǎo)致的傳輸速度緩慢的問(wèn)題。此外，車(chē)輛避障后的穩(wěn)定性問(wèn)題也通過(guò)引入深度學(xué)習(xí)的方法得到了解決。

2 主動(dòng)避讓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5G 通信技術(shù)的理論傳輸速度峰值可以達(dá)到10 GB/s，其網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間可降低到毫秒級(jí)，能支持移動(dòng)速度為500 km/h的物體信號(hào)傳輸。在無(wú)人駕駛汽車(chē)的領(lǐng)域引入5G 通信技術(shù)，對(duì)加快該領(lǐng)域的發(fā)展起到了決定性的作用。汽車(chē)可以通過(guò)5G 通信技術(shù)，將其行駛信息快速上傳到服務(wù)器，然后由服務(wù)器對(duì)車(chē)輛的制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、加速等各項(xiàng)裝置進(jìn)行統(tǒng)一控制和操作，縮短信號(hào)的傳輸時(shí)間[4]。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)的基于5G 通信技術(shù)的汽車(chē)主動(dòng)避讓控制系統(tǒng)構(gòu)成如下：①環(huán)境傳感系統(tǒng)。包括雷達(dá)、車(chē)載攝像機(jī)、陀螺儀、速度傳感器和激光雷達(dá)等部件。該模塊不僅用于采集避撞物體的形狀和狀態(tài)、周?chē)煌?、行?chē)速度、車(chē)輛間距等信息，還用于采集車(chē)輛自身的運(yùn)行速度和轉(zhuǎn)向角度等信息。②車(chē)輛避障信息處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種微處理器設(shè)備，連接了汽車(chē)中所有傳感器和控制器，是整個(gè)汽車(chē)主動(dòng)避障系統(tǒng)中最重要的部分。車(chē)輛避障信息處理系統(tǒng)是“云端—管控端—用戶端”3層架構(gòu)中的用戶端，是用戶直接操縱系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)避障的入口。③車(chē)輛主動(dòng)避障控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向軸、制動(dòng)器、油路等控制器組成，這些控制器不屬于傳感器設(shè)備。車(chē)輛避障信息處理系統(tǒng)的所有信息輸出將作為控制系統(tǒng)的信息輸入內(nèi)容?？刂葡到y(tǒng)的目的不是云測(cè)車(chē)輛實(shí)時(shí)行駛的軌跡和線路，而是對(duì)車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，確保車(chē)輛運(yùn)行始終處于安全的狀態(tài)，避免交通事故的發(fā)生。

2.2 系統(tǒng)避障機(jī)制

主動(dòng)避障系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制如下：①利用無(wú)人駕駛汽車(chē)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)感知周?chē)h(huán)境，判斷避讓目標(biāo)的類(lèi)型和狀態(tài)等信息；②系統(tǒng)根據(jù)避險(xiǎn)對(duì)象的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行分析和決策，通過(guò)計(jì)算得出應(yīng)急避險(xiǎn)方案；③系統(tǒng)將決策信息發(fā)送到車(chē)輛控制設(shè)備以執(zhí)行避讓動(dòng)作；④根據(jù)避讓動(dòng)作所產(chǎn)生的實(shí)時(shí)信息判斷車(chē)輛避讓是否成功，判斷是否需要重新規(guī)劃避讓路徑的決策。以上應(yīng)急避讓系統(tǒng)能使汽車(chē)在即將發(fā)生事故之前主動(dòng)采取避障措施，降低汽車(chē)發(fā)生事故的概率。

2.3 系統(tǒng)避障步驟

車(chē)輛的主動(dòng)避障系統(tǒng)主要通過(guò)以下3個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行工作：①系統(tǒng)利用車(chē)輛上安裝的多個(gè)傳感器對(duì)車(chē)輛行駛的環(huán)境信息進(jìn)行有效采集，利用邊緣節(jié)點(diǎn)計(jì)算的方法對(duì)采集到的信息進(jìn)行快速處理，將處理得到的信息進(jìn)行綜合分析，辨別障礙物。②系統(tǒng)對(duì)障礙及車(chē)輛周邊環(huán)境信息進(jìn)行識(shí)別和分析，數(shù)據(jù)通過(guò)算法分析后，及時(shí)將邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)處理后的信息發(fā)送到5G 窗口，5G 窗口再迅速傳輸至自動(dòng)駕駛控制中心?？刂浦行耐ㄟ^(guò)已建立好的數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法，對(duì)比判斷后，將控制信息指令輸出至車(chē)輛主動(dòng)避障控制系統(tǒng)。③車(chē)輛主動(dòng)避障控制系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)響應(yīng)上述控制信息，完成避障動(dòng)作。

2.4 系統(tǒng)避障原理

本文設(shè)計(jì)的主動(dòng)避障系統(tǒng)的各子系統(tǒng)避障原理如下：①避障環(huán)境感知系統(tǒng)運(yùn)行原理。超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)、PSD 測(cè)距儀等多種、多個(gè)傳感器將采集到的障礙物及車(chē)輛周邊的環(huán)境信息通過(guò)5G 窗口傳輸至基站，基站通過(guò)側(cè)邊布設(shè)的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)對(duì)接受到的信息進(jìn)行融合處理。②避障信息處理系統(tǒng)運(yùn)行原理?；緦⑷诤咸幚砗蟮男畔l(fā)送給5G 系統(tǒng)架構(gòu)(5GS)，再由5GS將處理后的信息傳輸至自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)分析后進(jìn)行統(tǒng)一決策。③避障運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行原理?？刂葡到y(tǒng)將做出的決策轉(zhuǎn)換為控制信息后發(fā)出，以此來(lái)控制車(chē)輛的加速、制動(dòng)及轉(zhuǎn)向裝置。

2.5 避障系統(tǒng)實(shí)施過(guò)程

基于上述針對(duì)避讓控制系統(tǒng)的描述可知，車(chē)輛控制系統(tǒng)的決策實(shí)施大致可分為單一車(chē)輛避讓控制和決策系統(tǒng)總體規(guī)劃控制。

2.5.1 單一車(chē)輛避讓控制

單一車(chē)輛避讓控制的步驟為：①車(chē)輛或道路傳感器發(fā)現(xiàn)并成功識(shí)別障礙物及障礙物之間的距離、車(chē)輛行駛的速度等；②通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)將識(shí)別到的信息快速傳送給決策系統(tǒng)；③決策系統(tǒng)發(fā)布車(chē)輛控制指令；④車(chē)輛進(jìn)入避障狀態(tài)，根據(jù)命令采取主動(dòng)避障措施，并將避障采取的措施和避障結(jié)果反饋給系統(tǒng)；⑤決策系統(tǒng)下達(dá)避障結(jié)束命令，控制系統(tǒng)主動(dòng)操作車(chē)輛恢復(fù)正常狀態(tài)。

2.5.2 決策系統(tǒng)總體規(guī)劃控制

決策系統(tǒng)總體規(guī)劃控制步驟為：①5G 網(wǎng)絡(luò)向決策系統(tǒng)上傳車(chē)輛行駛的實(shí)時(shí)路況及障礙物信息，決策系統(tǒng)啟動(dòng)車(chē)輛整體控制；②決策系統(tǒng)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)確定避障通道，并向路障點(diǎn)周?chē)淖詣?dòng)駕駛汽車(chē)發(fā)送信息；③靠近路障段的所有交通流觸發(fā)避讓效果，并采取緊急避讓措施；④對(duì)路障前后一定距離內(nèi)的自動(dòng)駕駛汽車(chē)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)本段道路上的交通流量進(jìn)行重新規(guī)劃，避免二次擁堵現(xiàn)象的發(fā)生；⑤決策系統(tǒng)對(duì)本路段進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控，直到交通流進(jìn)入正常、順暢的行駛狀態(tài)。

2.6 主動(dòng)避障措施

決策系統(tǒng)下達(dá)至控制系統(tǒng)的主動(dòng)避障措施有以下3種：①制動(dòng)。車(chē)輛到達(dá)沖突區(qū)域前停止，該類(lèi)情況通常要求有足夠的安全制動(dòng)距離。②減速。前車(chē)具有一定的行駛速度，后車(chē)為避免發(fā)生碰撞采取減速措施，這取決于前車(chē)與后車(chē)之間的相對(duì)運(yùn)行速度。③加速。當(dāng)車(chē)輛后方兩側(cè)均有距離較近的車(chē)輛，且車(chē)輛距離前方障礙物緊急制動(dòng)安全距離不足時(shí)，通過(guò)加速方式緊急避讓?zhuān)瑥亩苊庥星胺秸系K物和后方車(chē)輛發(fā)生碰撞，類(lèi)似于雙向兩車(chē)道道路上超車(chē)遇到對(duì)向車(chē)道有車(chē)輛駛來(lái)時(shí)加速通過(guò)超車(chē)的場(chǎng)景。

2.7 車(chē)輛性能要求

車(chē)輛主動(dòng)避障控制路徑主要分為車(chē)輛縱向控制和橫向控制兩個(gè)方面。車(chē)輛縱向控制即車(chē)速控制，車(chē)輛橫向控制即車(chē)輛轉(zhuǎn)向控制。車(chē)輛橫向控制主要是控制車(chē)輛的方向盤(pán)偏轉(zhuǎn)角來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的橫向偏移，通過(guò)控制前輪偏角來(lái)規(guī)劃無(wú)人駕駛汽車(chē)的避讓方式，其橫向控制器的計(jì)算誤差會(huì)直接影響智能車(chē)輛對(duì)規(guī)劃路徑的精確度。因此，在設(shè)計(jì)橫向偏移控制器時(shí)，不僅需要在無(wú)人駕駛汽車(chē)能夠快速、穩(wěn)定、安全、準(zhǔn)確地跟蹤期望路徑的前提下進(jìn)行設(shè)計(jì)，還應(yīng)滿足以下性能要求：①平滑度。路徑規(guī)劃模塊給出相對(duì)平滑的期望路徑后，控制器計(jì)算出期望路徑所需的前輪偏角，其角度變化率應(yīng)在小范圍內(nèi)浮動(dòng)。②準(zhǔn)確度。要求控制器計(jì)算車(chē)輛跟蹤期望路徑的控制量，盡可能減少實(shí)際路線與期望路線之間的偏差，即車(chē)輛的橫向偏差和轉(zhuǎn)向偏差。③快速性。要求控制在計(jì)算和消除偏差時(shí)具有快速響應(yīng)速度，以確保車(chē)輛偏離期望路徑后能夠快速糾正偏差。

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究并提出了一種基于5G 通信技術(shù)的無(wú)人駕駛汽車(chē)主動(dòng)避障控制方法。在該方法中，5G 網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一傳輸交通流控制信息，采用多傳感器融合識(shí)別目標(biāo)，提高障礙物識(shí)別的可靠性，同時(shí)實(shí)時(shí)發(fā)布控制信息。一旦發(fā)生意外情況，路側(cè)控制服務(wù)系統(tǒng)將統(tǒng)一調(diào)度路段內(nèi)的整體交通流，可最大限度地減少后續(xù)車(chē)輛的行駛和等待時(shí)間。