智能車輛系統(tǒng)發(fā)展概述

李明軒　張加特　雷超帆

摘 要：介紹智能車輛系統(tǒng)的研究內(nèi)容、研究與應(yīng)用現(xiàn)狀。智能車輛的使用可以改善道路安全狀況，提高道路的利用率。智能車輛的行駛環(huán)境是很復(fù)雜的，為了得到一個(gè)可靠的決策，必須利用道路信息，其他車輛和目標(biāo)的位置和動(dòng)態(tài)信息和司機(jī)的狀態(tài)信息等多源信息。智能車輛研究涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括傳感器技術(shù)、機(jī)器視角、GPS 技術(shù)、通訊技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)等，尤其是數(shù)據(jù)融合技術(shù)中的多目標(biāo)跟蹤與匹配以及基于卡爾曼濾波器的狀態(tài)估計(jì)技術(shù)等。

關(guān)鍵詞：智能車輛；傳感器；數(shù)據(jù)融合

作為智能交通系統(tǒng)（ ITS： Intelligent TransportationSystem） 的一個(gè)重要組成部分，智能車輛系統(tǒng)（ IV：Intelligent Vehicles） 利用傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等，辨識(shí)車輛所處的環(huán)境和狀態(tài)，并根據(jù)各傳感器所得到的信息作出分析和判斷，或者給司機(jī)發(fā)出勸告和報(bào)警信息，提請司機(jī)注意規(guī)避危險(xiǎn)； 或者在緊急情況下，幫助司機(jī)操作車輛（即輔助駕駛系統(tǒng)） ，防止事故的發(fā)生，使車輛進(jìn)入一個(gè)安全的狀態(tài)； 或者代替司機(jī)的操作，實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)行的自動(dòng)化。

1 智能車輛的研究內(nèi)容

智能車輛系統(tǒng)的研究內(nèi)容主要包括3 個(gè)部分，即為司機(jī)提供勸告或預(yù)警信號(hào)的系統(tǒng)，如車輛碰撞預(yù)警系統(tǒng)等； 在一定的條件下對車輛實(shí)施控制的系統(tǒng)，如輔助駕駛系統(tǒng)或緊急情況下的干預(yù)如碰撞規(guī)避系統(tǒng)等； 車輛的全控操作即車輛的自動(dòng)化，如車輛在自動(dòng)高速公路上的自動(dòng)駕駛等。

1.1 碰撞預(yù)警和司機(jī)勸告系統(tǒng)

碰撞預(yù)警和司機(jī)勸告系統(tǒng)利用安裝于車上的各種傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測車輛周圍的行駛環(huán)境，并對得到的信息進(jìn)行分析處理，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有危及本車行車安全的行為或狀態(tài)時(shí)，及時(shí)發(fā)出報(bào)警或勸告信號(hào)，提醒本車司機(jī)及時(shí)處理。報(bào)警系統(tǒng)一般包括追尾碰撞報(bào)警、盲區(qū)報(bào)警、離道報(bào)警、變道或合道報(bào)警、交叉道口碰撞報(bào)警、行人檢測與報(bào)警、后碰撞報(bào)警以及司機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與報(bào)警等不同組成部分，其目的就是檢測到有任何一種危險(xiǎn)時(shí)，在司機(jī)的有效安全反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，提醒司機(jī)注意或采取措施，防止有損車輛安全的事件發(fā)生。

1.2 車輛輔助駕駛系統(tǒng)

輔助駕駛系統(tǒng)是在一定的條件下，對車輛實(shí)施自動(dòng)控制的智能系統(tǒng)。當(dāng)碰撞預(yù)警系統(tǒng)檢測到有碰撞危險(xiǎn)，向司機(jī)多次發(fā)出報(bào)警或勸告信息，司機(jī)都未能及時(shí)對報(bào)警信號(hào)進(jìn)行處理，危險(xiǎn)程度越來越高時(shí)，碰撞規(guī)避系統(tǒng)接管對車輛的控制，通過制動(dòng)、駕駛、油門調(diào)節(jié)等機(jī)動(dòng)措施，使車輛恢復(fù)到一個(gè)安全狀態(tài)。輔助駕駛系統(tǒng)包括自適應(yīng)巡行控制系統(tǒng)（ACC： AdaptiveCruise Control） ，車道保持系統(tǒng)和安全停車系統(tǒng)等。1.3 車輛自動(dòng)化系統(tǒng)

為了減輕司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免長時(shí)間枯燥地重復(fù)某一動(dòng)作，發(fā)展了各種類型的車輛自動(dòng)控制系統(tǒng)，用以完全取代人的操作，如在交通擁擠的場合，車輛基本上處于運(yùn)行和停止兩種狀態(tài)之間，司機(jī)不斷地重復(fù)著同一動(dòng)作，在這種情況下，低速自動(dòng)化（LSA：low speed automation） 可以代替司機(jī)的操作，從事這種單一、枯燥操作。小間距車列（platoon） 系統(tǒng)（或稱為車群系統(tǒng)） ，利用車與車間的通訊系統(tǒng)，及時(shí)將前車當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)、下一步要采取的措施、目的地等信息告訴后車，后車根據(jù)前車的狀態(tài)和動(dòng)作，及時(shí)調(diào)整運(yùn)行策略，始終與前車保持一個(gè)較小的安全車距。車列系統(tǒng)內(nèi)各車的間距可以小到幾米或十幾米，因而，它可以大大提高道路的通行能力和道路的利用率。利用GPS 和數(shù)字地圖等組成的電子導(dǎo)航系統(tǒng)，可以控制車輛在隔離或封閉區(qū)域如公交車道、貨場等區(qū)域內(nèi)自動(dòng)運(yùn)行。

2 智能車輛的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 碰撞報(bào)警系統(tǒng)

全世界每年因?yàn)檐囕v碰撞所造成的財(cái)產(chǎn)損失以千億計(jì)，人員死亡約百萬人，而70 %～90 %的交通事故是人為因素造成的，其中56 %是司機(jī)識(shí)別錯(cuò)誤引起的。因此，利用各種傳感器技術(shù)，提高對環(huán)境的辨識(shí)能力，是減少交通事故的一個(gè)有力措施。美國、日本和歐洲的眾多汽車廠家和研究機(jī)構(gòu)，利用安裝于車上的各種傳感器如毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、機(jī)器視角及超聲傳感器等，制成了各種報(bào)警系統(tǒng)的樣機(jī)，并進(jìn)行了各種試驗(yàn)，這些系統(tǒng)能隨時(shí)給司機(jī)發(fā)出各種報(bào)警和勸告信息。由于交通環(huán)境的復(fù)雜性，虛警和可靠性問題是一直困繞碰撞報(bào)警（CW：Collision Warning） 系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)重要原因，如基于雷達(dá)的CW系統(tǒng)一般不易區(qū)分前面正在變道的車輛和正在轉(zhuǎn)彎的車輛，基于機(jī)器視角的CW系統(tǒng)往往不能精確確定目標(biāo)的位置等。最小的虛警率、最大的可靠性、盡量低的價(jià)格等要求，使得CW系統(tǒng)在一般車輛上的應(yīng)用進(jìn)展緩慢。

2.2 輔助駕駛系統(tǒng)

在某種意義上可以認(rèn)為，碰撞報(bào)警系統(tǒng)與車輛控制系統(tǒng)組成了輔助駕駛系統(tǒng)。如防追尾碰撞系統(tǒng)就涉及車輛追尾碰撞報(bào)警，車輛的縱向控制（減速或制動(dòng)） 和橫向控制（變道行駛，彎道行駛） 等。高級(jí)的輔助駕駛系統(tǒng)就是自適應(yīng)巡行控制（ACC） ，本田、尼桑和豐田已開發(fā)了相應(yīng)的系統(tǒng)涉及車道定位、間距控制、自動(dòng)制動(dòng)、障礙物報(bào)警及打瞌睡報(bào)警等安全子系統(tǒng)。歐洲則致力于司機(jī)狀態(tài)檢測、道路條件測量、圖像加強(qiáng)（增強(qiáng)） 以及傳感器融合等。實(shí)際運(yùn)行表明，ACC 可以降低司機(jī)的疲勞度，提高燃料的利用率。現(xiàn)在的ACC 系統(tǒng)適合于高速公路系統(tǒng)，正在研制的下一代將會(huì)支持交通擁擠狀況下的停止運(yùn)行工作方式。

根據(jù)道路情況，自動(dòng)調(diào)整車輛速度是提高安全性的又一種手段。這種系統(tǒng)利用路邊的通訊設(shè)施或衛(wèi)星定位系統(tǒng)以及包含特定路段限速信息的在線地圖，要求或控制車輛在不同路段，以不同的最大車速運(yùn)行。荷蘭、英國、韓國以及瑞典等國建立了類似的試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)表明，采用這種系統(tǒng)后事故降低了約20 %。

2.3 車輛的自動(dòng)化操作

車輛的全自動(dòng)操作具有行駛安全、便于形成高效率的交通流、方便司機(jī)、提高道路利用率等特點(diǎn)，這種系統(tǒng)在20 世紀(jì)90 年代已有樣機(jī)展示。如美國的NvLabO5 系統(tǒng)，德國的VaMoRsOP 和Caravelle 系統(tǒng)等。

智能車輛系統(tǒng)是一個(gè)高技術(shù)密集，各學(xué)科交錯(cuò)的領(lǐng)域，涉及到傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)等高新技術(shù)。美國、日本、歐盟等發(fā)達(dá)國家對智能車輛系統(tǒng)的研究給予了足夠的重視，投入了大量的人力、物力和財(cái)力，可以預(yù)見智能車輛系統(tǒng)在未來的幾年內(nèi)會(huì)有一個(gè)持續(xù)穩(wěn)定的研究和開發(fā)過程。我國在智能車輛系統(tǒng)的研究領(lǐng)域與國外有一定的差距，而智能車輛系統(tǒng)的研究會(huì)促進(jìn)汽車工業(yè)及其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其中蘊(yùn)涵著巨大的市場潛力。因此，我們應(yīng)在政府的有效組織下，聯(lián)合有關(guān)的研究機(jī)構(gòu)、汽車廠商、高等院校等，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，爭取在智能車輛系統(tǒng)領(lǐng)域縮小與國際先進(jìn)水平的差距，盡早開發(fā)這一潛在的巨大市場。