淺談汽車自動駕駛技術(shù)的原理及應(yīng)用

劉增文

（株洲齒輪有限責(zé)任公司，湖南 株洲 412007）

如果說登陸火星是為了探索人類的起源問題，那么研究自動駕駛技術(shù)則出于自我解放的需求，把人類從簡單重復(fù)、費力、乏味的勞動中解放出來，做一些創(chuàng)新的或者愉悅的事，人類的這種需求是不斷演變的。事實上在十多年前，能夠擁有手動擋私家車并親自動手操作，體會駕駛的樂趣，是一種刺激和享受。

自動駕駛汽車?yán)糜嬎銠C代替人類實現(xiàn)駕駛功能，這就需要在有人駕駛汽車的基礎(chǔ)上增加感知定位系統(tǒng)、計算平臺、控制執(zhí)行系統(tǒng)等一系列能夠?qū)崿F(xiàn)車輛環(huán)境感知、決策和駕駛動作執(zhí)行的系統(tǒng)。為了輔助各系統(tǒng)的正常運行，通信總線，控制單元以及整車的電子電器架構(gòu)都要進行相應(yīng)改進甚至重新設(shè)計，這些硬件系統(tǒng)共同構(gòu)成自動駕駛汽車的硬件平臺。

自動駕駛汽車將為出行提供很多便利，如減少交通擁堵、減少尾氣排放、減少停車的煩惱、降低運輸成本并降低新道路和基礎(chǔ)設(shè)施的大量投入等，將為老年人和殘疾人的出行帶來便利。

1 自動駕駛分級

SAE將自動駕駛分為L0～L5共6個等級。

L0（無自動駕駛）：全部人工操作，包括制動、轉(zhuǎn)向、油門以及輔助設(shè)施。

L1（駕駛輔助）：具備多種輔助功能，能持續(xù)提供轉(zhuǎn)向或加速和制動控制，但只在較好的路況條件下提供。如ACC自適應(yīng)巡航就屬于L1級自動駕駛。

L2（部分自動駕駛）：具有復(fù)合功能的自動駕駛，系統(tǒng)除了能控制加減速，還對方向盤進行控制，如“ACC+車道保持”同時作用。

L3（有條件自動控制）：在特定的駕駛環(huán)境下駕駛員完全不需要控制汽車，能根據(jù)檢測環(huán)境的結(jié)果決定是否啟用人工模式，通用汽車Super Cruise系統(tǒng)、特斯拉新版Autopilot屬于該級別。

L4（高度自動駕駛）：系統(tǒng)完全控制車輛，巡視交通環(huán)境，乘員只需提供目的地或者導(dǎo)航信息，但這個級別自動駕駛適用部分場景，某些環(huán)境或路況無法執(zhí)行。

L5（完全自動駕駛）：適應(yīng)各種環(huán)境與路況，乘員只需提供目的地或者輸入導(dǎo)航信息，不參與對車輛進行操控，稱為“全自動駕駛”。

2 ECU與VCU的原理

燃油汽車的ECU也叫行車電腦，由CPU、存儲器（ROM，RAM）、輸入輸出接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及整流驅(qū)動等模塊組成，能夠判斷車輛狀態(tài)以及司機的意圖并通過執(zhí)行機構(gòu)來駕駛汽車。

ROM中存放的程序在發(fā)動機工作時，不斷地與采集來的各傳感器的信號進行比較和計算。運算的結(jié)果用來控制發(fā)動機的點火、怠速、廢氣循環(huán)等參數(shù)的控制，具備較強的故障診斷和保護功能。

電控自動變速器、ABS系統(tǒng)、四輪驅(qū)動、主動懸架、電控座椅等都有自己的ECU。為加強自動控制和簡化接線，需要用CAN數(shù)據(jù)總線將整車的ECU形成一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

國內(nèi)比較注重自主研發(fā)能力的企業(yè)如濰柴、比亞迪汽車、奇瑞汽車等已經(jīng)自主研究成功ECU并配套在部分車型上，展示了中國制造的實力。

電動汽車VCU（Vehical Control Unit）負責(zé)協(xié)調(diào)發(fā)動機、驅(qū)動電機、變速箱、動力電池等各部件的工作，提高新能源汽車的經(jīng)濟性、動力性、安全性并降低排放污染。VCU通過采集信號分析出汽車狀態(tài)，反饋給系統(tǒng)，然后接受系統(tǒng)指令，通過控制的電氣信號控制汽車的運行姿態(tài)。

VCU通過CAN總線連接各單元，接受指令并完成車速、轉(zhuǎn)向角度等控制。CAN總線的傳輸方式是串行數(shù)據(jù)傳輸，CAN總線用報文形式廣播的方式從一個節(jié)點向另一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)一個節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，這個節(jié)點將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和標(biāo)識符發(fā)送給本節(jié)點的CAN芯片，全部節(jié)點都會對這段報文進行接收檢測來判斷這些報文是不是發(fā)給自己的。

CAN通信步驟如下：（1）起動自檢。（2）加速過程和制動過程通信。（3）數(shù)據(jù)刷新與過程監(jiān)控。

3 定位、感知與規(guī)劃

車輛內(nèi)部通信和計算能力具備之后，還需要有外部道路和環(huán)境的高精地圖服務(wù)于自動駕駛車輛，運用高精定位、環(huán)境感知、決策規(guī)劃、仿真運行4大場景，解決林蔭道路GNSS信號弱，紅綠燈定位與感知以及十字路口通過等難題。

GPS首先確定四顆以上衛(wèi)星的位置并計算出GPS接收設(shè)備與衛(wèi)星之間的距離，使用三維空間三邊測量法計算出自己所在位置。高精地圖的采集則要靠傳感器來完成，主要包括GPS,慣性導(dǎo)航IMU,輪測距器，激光雷達等。

在一定程度上自動駕駛是模仿人的動作，機器視覺系統(tǒng)就相當(dāng)于人的眼睛，機器視覺(相機、鏡頭、光源)將目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號傳送給電腦，再把像素分布及亮度、顏色等信息轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號、并運用圖像處理軟件對圖像進行識別、檢測以及做出各種信號的輸出。

環(huán)境感知包含障礙物檢測、紅綠燈識別功能模塊。障礙物檢測識別模塊通過輸入雷達點云數(shù)據(jù)，障礙物的種類、形狀位置、速度及方向等信息。紅綠燈檢測識別模塊通過輸入不同焦距下的相機圖像數(shù)據(jù)，輸出紅綠燈的位置，顏色狀態(tài)等信息。

感知模塊主要完成三個功能：（1）定位。GPS頻率低但位置準(zhǔn)確，IMU頻率高但位置準(zhǔn)確性較低，可以通過濾波方式加以融合。（2）物體識別。激光雷達能夠產(chǎn)生準(zhǔn)確的深度信息，在自動駕駛系統(tǒng)中承擔(dān)物體識別和追蹤任務(wù)。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）中卷積層使用濾波器從圖像中提取特征，過濾器負責(zé)抽取學(xué)習(xí)參數(shù)，激活層負責(zé)啟動目標(biāo)神經(jīng)元，匯聚層壓縮特征圖空間，CNN識別物體后將實現(xiàn)軌跡預(yù)測和追蹤。（3）物體追蹤。通過追蹤車輛或行人以避免發(fā)生碰撞，深度學(xué)習(xí)技術(shù)優(yōu)于計算機視覺技術(shù)，通過使用輔助的自然圖像，從中學(xué)習(xí)圖像的共有屬性訓(xùn)練出模型用于物體追蹤。

自動駕駛系統(tǒng)將GPS和IMU提供的信息作為輸入，處理后生成規(guī)劃信息，包括路徑和速度信息，提供給控制模塊，然后來實現(xiàn)車輛控制。云端標(biāo)定服務(wù)功能使開發(fā)者無需在用戶端配置標(biāo)定程序，提升了跨平臺標(biāo)定的靈活性。

4 海量數(shù)據(jù)與更新

自動駕駛汽車需要用復(fù)雜的算法策略解決運行多變的場景，海量數(shù)據(jù)的積累是必不可少的。這些數(shù)據(jù)是怎樣產(chǎn)生的呢？

激光雷達向目標(biāo)物體發(fā)射激光，根據(jù)接收-反射的時間來確定物體的距離，再用距離及激光發(fā)射的角度，推導(dǎo)出物體位置的信息。

車輛在二維平面上行駛，主要分為縱向和橫向運動。車輛的縱向控制主要為速度控制，通過控制制動、節(jié)氣門、檔位等實現(xiàn)對車速的控制，對于自動擋車輛來說，控制對象其實就是制動和節(jié)氣門。橫向控制主要控制航向，通過改變方向盤轉(zhuǎn)矩或角度的大小等，使車輛按照設(shè)想的方向行駛，橫向控制主要由前饋開環(huán)控制器和反饋閉環(huán)控制器構(gòu)成。

車輪測距器通過精確記錄左輪和右輪的轉(zhuǎn)數(shù)，分析各時間段左右輪轉(zhuǎn)數(shù)，根據(jù)需要計算出車輛向前走了多遠，向左右轉(zhuǎn)了多少度等。

自動駕駛產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)，主要是傳感器數(shù)據(jù)，車輛自身數(shù)據(jù)，駕駛行為數(shù)據(jù)等，還有大量標(biāo)注數(shù)據(jù)主要由紅綠燈數(shù)據(jù)集、障礙物數(shù)據(jù)集（二維、三維）、語義分割數(shù)據(jù)集、自由空間數(shù)據(jù)集、行為預(yù)測數(shù)據(jù)集等。車輛與數(shù)據(jù)中心/云端實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳送，從而使機器學(xué)習(xí)建?？梢曰跀?shù)據(jù)中心中所存儲的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)不斷的更新。

5 飛機的自動駕駛

自動駕駛技術(shù)在飛機和航空中早就開始了研究和應(yīng)用，飛機起飛后一直到落地前決斷高度前可全程實現(xiàn)自動駕駛，這樣可以騰出更多時間讓飛行員監(jiān)控飛機狀態(tài)、處理突發(fā)狀況。飛機自動駕駛需要應(yīng)對環(huán)境因素較少，只需要在預(yù)定的航道上保持預(yù)定的速度和高度就可以了。計算機根據(jù)探測到的大氣數(shù)據(jù)、姿態(tài)及加速度數(shù)據(jù)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)，計算出各階段符合飛行原理的參數(shù)控制飛行狀態(tài)。自動駕駛還提高一些自動防護功能，坡度限制、失速保護、超速保護、防荷蘭滾等。

軍用飛機和導(dǎo)彈激光的慣性傳感器(IMU)和GPS傳感器已基本取代機械陀螺儀,能夠提供高度精確的制導(dǎo)和控制。自動駕駛系統(tǒng)可連接到一組復(fù)雜的導(dǎo)航系統(tǒng)和儀器上，通過程序使飛機遵循預(yù)定的飛行模式，包括速度、高度和方向的變化，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供精確的位置坐標(biāo)，可能完全取代現(xiàn)有的地面系統(tǒng)。

6 先進汽車輔助駕駛

自動駕駛車輛面對的地面公路交通則要復(fù)雜的多，參與交通的對象行為是隨機的，環(huán)境本身也是隨機的，沒有一套完整的健全的系統(tǒng)能夠完全控制所有車輛的行為。為適應(yīng)復(fù)雜的地面情況和乘員需求，汽車輔助駕駛功能也就形成了眾多的APP，鑲嵌在自動駕駛系統(tǒng)的界面中。

BMS電池管理系統(tǒng)主要功能就是為了能夠提高電池利用率，防止電池出現(xiàn)過度充電和放電，延長電池的使用壽命。EMS發(fā)動機管理系統(tǒng)應(yīng)用在包括汽油機、柴油機、混合動力等，控制發(fā)動機的噴油、點火、扭矩分配等功能。TCU自動變速箱控制單元常用于AMT、AT、DCT、CVT等自動變速器中，根據(jù)駕駛狀態(tài)采用不同的檔位策略。ESP車身電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)，使車輛在各種狀況保持車身和轉(zhuǎn)向穩(wěn)定。BCM車身控制模塊，主要控制車身電器，比如整車燈具、雨刮、門鎖、電動窗、天窗、電動后視鏡等。

比較先進的還有智能制動、車道保持、交通標(biāo)志識別、應(yīng)急輔助、倒車影像、自動泊車、夜視輔助、智能大燈控制、虛擬車外后視鏡、駕駛員行為安全提示系統(tǒng)、行人保護系統(tǒng)等。

7 自動駕駛系統(tǒng)與車聯(lián)網(wǎng)、高精地圖

自動駕駛系統(tǒng)有很多種，比較有代表性的ROS系統(tǒng)包含多個傳感器，包括長距離雷達、短距離雷達、激光雷達、攝像頭、超聲波、GPS、陀螺儀等。每個傳感器在運行時都不斷產(chǎn)生數(shù)據(jù)，而且系統(tǒng)對每個傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都有很強的實時處理，采用分布式架構(gòu)，通過各功能獨立的節(jié)點實現(xiàn)消息傳遞任務(wù)的分層次運行，從而減輕實時計算的壓力，此外，ROS還是一個強大并且靈活的機器人編程框架，為常用的機器人和傳感器提供了硬件驅(qū)動接口，是一種基于消息傳遞通信的分布式多進程框架。

車聯(lián)網(wǎng)（V2X）是將車輛與一切事物相連接的新一代信息通信技術(shù)，允許通過轉(zhuǎn)發(fā)自身及前方實時信息來預(yù)防事故的發(fā)生，實現(xiàn)車輛和路側(cè)的交通設(shè)施通信，包括路口安全、車輛限速、自動付費、道路施工提示等。

高精地圖提供精準(zhǔn)的車輛位置、道路元素數(shù)據(jù)信息，如路面狀況如坡度、曲率等，路面狀況隨時變化，道路修理、標(biāo)識線、交通標(biāo)識變更等都要實時更新，高精地圖的三維模型精度將提高到厘米級。

純電動汽車是當(dāng)前汽車行業(yè)熱點，國內(nèi)外汽車廠商都推出或者準(zhǔn)備推出自己的純電動汽車。目前特斯拉和谷歌Waymo的自動駕駛測試車輛達到了L3級，華為、百度、豐田、Uber、小鵬、比亞迪等公司的無人駕駛技術(shù)也達到L2級,并將逐步量產(chǎn)上市，但距離L5完全自動駕駛還有很長的路要走。

8 結(jié)語

隨著純電動汽車在續(xù)航問題、電池革命、汽車輕量化方面獲得進展，自動駕駛汽車的車聯(lián)網(wǎng)、路徑規(guī)劃、環(huán)境感知、定位導(dǎo)航等技術(shù)走向日趨成熟，5G等通信技術(shù)的發(fā)展可以實現(xiàn)路面上車與車、車與物等信息迅速交換，加快無人駕駛汽車的發(fā)展。在盡情享受科技帶給生活的便利與舒適的同時，我們賴以生存的大氣和環(huán)境也會變得更加美好！