挑戰前沿 創新以恒

劉巖松

1986年以來，在何克忠教授的帶領下，清華智能車技術不斷取得創新，為國內該領域的科技發展帶來了先進的理念和啟發。

清華大學智能技術與系統國家重點實驗室THMR課題組，以何克忠教授為創新帶頭人，先后承擔了與無人車技術有關的“七五”至“十一五”國家科技重點項目6項，國家863計劃“智能交通”等科技研究項目8項，同時還承擔了由國家郵政研究所、徐工集團、Omron公司等國內外企業支持的與無人車技術有關的研發課題6項。先后設計和研制成室內智能移動機器人THMR-Ⅰ、THMR-Ⅱ、THMR-ⅡA和室外智能移動機器人THMR-Ⅲ和THMR-V，并于2000年與徐工集團協作，成功地開發了LTU125A自動攤鋪機；THMR課題組還成功開發了多項總線式工業控制計算機系統，如TH-STD-7000、TH-IPC-7000、TH-104-7000以及嵌入式測控機模板，如TH-MCS-7855、TH-MCS-7816和TH-MCS-7845等，它們已分別應用于玻璃窯爐控制、農藥生產過程控制、郵政物料運輸車控制、自動攤鋪機控制、智能機器人控制以及汽車安全輔助駕駛系統等。

本刊記者：無人車的科技價值有哪些？它的發展前景您如何評價？

何克忠：從行車安全來說，無人車是采用計算機和電子儀器來檢測環境信息和車體狀態信息的，車體的動作也是用計算機和電子機電裝置來控制的，因此無人車對環境、對車體的狀況看得清楚、看得精確，動作快捷、靈敏，更沒有誤把油門當作剎車去踩的可能。而人工駕駛時，人對環境和車體狀態的觀察和感知緩慢、動作反應遲緩，還受精神狀態的影響，甚至發出誤判和錯誤動作。因此無人駕駛較之人工駕駛在安全性、可靠性上要高得多。

無人車技術運用廣泛，可應用于軍用、民用、公交、消防或星球探測車輛或載體等的自動駕駛、輔助駕駛和遙控駕駛；無人車技術也廣泛應用于危險、有毒、有害場合或人類難以到達場合的探測、觀察、處理、監控、維護和排障；除此以外，無人車技術還在工廠、碼頭、倉庫、基地、機場的巡視和物料運輸等方面有著重要的應用。

本刊記者：我們知道，早在2003年，您就領導完成了達到國際先進水平的智能車THMR-V。為我們詳細介紹一下該成果？

何克忠：清華大學智能技術與系統國家重點實室THMR課題組經過多年的努力，在1995年研制成我國第一臺無人駕駛車THMR-III，見圖1；在2003年研制成功清華無人駕駛車THMR-V見圖2，該無人車THMR-V能夠實現結構化環境下的車道線自動跟蹤，準結構化環境下的道路跟蹤，復雜環境下的道路避障、道路停障以及視覺臨場感遙控駕駛等功能。在車道線自動跟蹤研究中，實現了自動跟蹤，平均時速為每小時100公里，最高時速達到每小時150公里。駛出了全球極速。

本刊記者：在無人車THMR-V的研制過程中遇到了哪些關鍵技術，是如何解決的？

何克忠：在研制過程中，遇到關鍵技術有：道路和車道線的檢測技術；高速車體的控制技術；方向盤轉角的精密檢測與傳動技術；智能車的計算機體系結構；工業級測量控制模板的開發；測控裝置的安全性、可靠性。

1.道路和車道線的檢測技術

針對道路識別和車道線的檢測技術，提出了基于擴充轉移網絡的道路理解技術。這種技術大幅度降低了道路圖像處理和車道線識別的計算量，提高了車道線檢測的速度，保證了車道線檢測和道路環境理解的實時性，而且能夠有效避免路面上其它車道標志的干擾。實驗結果表明，在車道線跟蹤階段，全部計算過程的周期縮短到不足20毫秒，滿足了高速無人車自主行駛的實時性需求。

2.高速無人車的控制技術

對于高速車體的控制，采用了基于混合模糊邏輯的控制方法。該方法是把傳統的PID控制與模糊邏輯控制結合起來，提出了一種混合模糊邏輯控制算法，該算法具有很高的實時性、控制精度和魯棒性，滿足了智能車高速自主導航的需要。

3.方向盤轉角檢測與精密傳動技術

高速行駛的無人車，方向角有些微的偏差，無人車將會沖出車道線乃至沖離道路。對于方向盤轉角的檢測，選擇了精密的絕對光碼盤，并且設計了合適的傳動比，配置了精密的傳動機構。

4.無人車的分層遞階的體系結構

無人車是一個復雜、龐大的電子機電系統，包括多個車體控制系統，多種不同數量的傳感器和檢測裝置，多臺實現不同功能的電子計算機，要把如此復雜、龐大的系統中的各個部件有機、高效地組織起來，有條不紊地協調工作是無人車體系結構要解決的關鍵技術。我們采用了分層遞階的體系結構：智能級、協調級和執行級，它們都選用工業控制計算機，三級之間實現網絡通信。

智能級是根據起始點位置、目標點位置和電子地圖進行全局路徑規劃，規劃出-條最佳的可通行的路徑。當全局路徑發生變故，影響行進時，智能級將進行全局路徑的重規劃。兩種規劃的結果都發送給協調級。

協調級接受執行級各個傳感器傳來的位置信息和車體的狀態信息，協調級對相應的信息進行融合，建立車體的狀態模型和環境模型，并將部份信息，上傳給智能級供全局路徑規劃使用，協調級根據上述兩種模型和智能級送來的規劃路徑，進行局部路徑規劃，并據此進行軌跡規劃，向執行級發出車體動作命令，如方向盤轉角、轉向，油門的車速命令乃至剎車、檔位等命令。

執行級包括車體（方向、油門、剎車、檔位、啟停等）控制系統；激光雷達測量系統；攝像機環境檢測系統；GPS、慣導等車體定位系統；磁羅盤-光碼盤位置、速度測量系統等。執行級接受協調級發來的車體控制命令，控制車體動作；并向協調級發送各個傳感器采集到的車體狀態信息和車體的環境信息。

這種分層遞階的結構實現了功能的分散，用多臺計算機實現各自不同的功能，避免了一臺計算機功能過多、過于集中帶來的風險。另外從實時性、快速性，編程的簡便、安全、可靠方面也有很大的優點。endprint

5.工業級測量控制模板的開發

無人車的工作環境十分惡劣，環境溫度范圍寬，振動幅度大，抗電磁干擾要求高。對于車體控制系統課題組先后開發了工業級STD總線、104總線、IPC總線和CAN總線等總線式測控模板，實現模擬量的輸入、輸出，開關量的輸入、輸出等功能。這些模板分別通過工業過程控制總線STD、104、IPC、CAN等與工業控制計算機實現數據交互。

本刊記者：當下以及未來，無人車產業的發展有哪些挑戰？相比世界領先水平，我們還有哪些差距？

何克忠：為了讓中國無人車輛得到更好的發展，我們認為應該在以下幾個方面繼續努力：

1.提高無人車的可靠性和安全性

無人車上路最重要的難題是可靠性和安全性，尤其包括無人車上的控制裝置如方向、油門、剎車等控制系統；攝像機、激光雷達、方向位置等檢測部件；供電系統和工控機的可靠性和安全性。

2.加速、加強無人車研制單位與汽車制造行業的結合

無人車輛的研究應該盡早與汽車行業協作或結合，如車體控制裝置等從研制過程與汽車行業協作，以汽車要求的技術標準進行設計、調試、安裝，實現產品的標準化、系列化和批量化，以提高新增的無人車設備、裝置的可靠性。

3.加強無人車重要設備、裝置的研究，建立制造基地

眾所周知，對于無人車的工作溫度要求是十分苛刻的，從零下數十℃到零上數十℃，而常用的傳感器如攝像機、工控機等的工作溫度也就0℃-50℃，遠不能滿足可靠性要求，應采用新技術、新方法、新材料加強對無人車使用的設備或裝置的研制和開發。

目前國內使用的無人車傳感器，如激光雷達、微波雷達、攝像機、紅外傳感器等大部份是從國外進口，基本上沒有國產的高性能產品。國家應該加大投入，加強基礎研究、加強原材料研究，建立較齊全的無人車用的傳感器生產基地。

4.加大對無人車技術研究的支持力度，加大經費的投入

無人駕駛汽車的研究涉及機械、光學、電學、計算機、汽車技術等，是多種學科、多種技術的交叉和綜合，需要大量的人力、物力、財力的投入。雖然近年來國家加大了投入，但是與實際的需要、與國外經費的投入相差很大，需要加大對無人車技術研究的支持力度，加大經費的投入，以加快我國無人駕駛車輛技術的發展。endprint