未來汽車智能技術

王祝偉（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

未來汽車智能技術

王祝偉
（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

近年來，隨著電子計算機技術和信息技術的飛速發展，汽車智能化控制技術、控制系統不斷出現，使汽車插上了智能化翅膀。智能汽車正出現在我們這個世界上，并成為人們最為青睞的高級寵物。在汽車全球衛星定位系統(GSP)、汽車慣性導航系統(INS)、智能巡航系統(ICC)、各種雷達避撞系統紛紛登臺亮相之時，出現了形形色色的智能化系統汽車。

自適應巡航系統；夜視系統；自動駕駛

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.12.050

CLC NO.: U463.6Document Code: BArticle ID: 1671-7988(2015)12-142-04

前言

汽車科技總是以人們想象不到的速度發展，盡可能的保障車輛和乘員的安全是當今車輛發展的重要主題，而大力投入成本來研發高科技的目的之一正是為了安全服務，或許全球已經有數以億計的駕駛員體會到ESP在關鍵時刻的重要性了，這可以理解為科技與安全聯姻的成果。一流的汽車廠商往往是安全和科技的引領者，而不是滯后于法律強制的跟隨者。

智能車輛是一個集環境感知、規劃決策、多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統，它集中運用了計算機、現代傳感、信息融合、通訊、人工智能及自動控制等技術，是典型的高新技術綜合體。目前對智能車輛的研究主要致力于提高汽車的安全性、舒適性，以及提供優良的人車交互界面。近年來，智能車輛己經成為世界車輛工程領域研究的熱點和汽車工業增長的新動力，很多發達國家都將其納入到各自重點發展的智能交通系統當中。

1、自適應巡航系統

1.1ACC的作用與工作原理

自適應巡航控制系統ACC (Adaptive CruiseContro1)是一種20世紀90年代中期發展起來的汽車安全性輔助駕駛系統，它將汽車自動巡航控制系統CCS(Cruise Control System)和車輛前向撞擊報警系統 FCWS(Forward Collision WarningSystem)有機地結合起來，既有自動巡航功能，又有防止前向撞擊功能。自適應巡航控制系統主要使用于在高速公路、寬路面的遠程道路和鄉間道路行駛的汽車上。對于自適應巡航系統模型在很多的文獻中都有研究[1]。

巡航速度控制是按駕駛員的意愿設定車速并保持等速行駛，所以也稱設定速度控制。與巡航速度控制不同的是，自適應巡航速度控制是當本車前方無行駛車輛時，本車將處于普通的巡航行駛狀態，ACC系統按設定車速對車輛進行勻速控制。當本車前方有目標車輛，且目標車輛的行駛速度小于設定速度時，ACC系統將控制本車進行減速，確保兩車間的距離為所設定的安全距離，減速至理想的目標值之后采用跟隨控制。與目標車輛以相同的速度行駛，當前方的目標車輛發生移線，或本車移線行駛使得本車前方又無行駛車輛時，對本車進行加速控制，使本車恢復到設定速度并勻速控制。當駕駛員參與車輛駕駛后，ACC系統將自動退出對車輛的控制。

1.2ACC在國內外的應用狀況

Bosch公司開發的ACC系統包括雷達、轉向傳感器、執行機構和顯示單元。ACC系統包括原有的車輛電子控制單元ECU(ElectronicCortrol Unit)以及位于車輛前端的傳感器和控制裝置SCU(Sensorand Control Unit)。SCU用于完成對雷達信號的處理和 ACC流程控制。用于車輛動力性控制系統VDC(Vehicle Dynamics Contro1)的轉向傳感器可以幫助車輛預知其行駛路線。人一機交互界面MMI(Human—Machine—Interface)是ACC系統與駕駛員交互的媒介，包括操作開關、狀態顯示器、加速踏板、剎車踏板等。豐田公司利用毫米波雷達、激光雷達、超音波雷達及CCD(Charge Coupled Device)作為車輛環境監控的傳感器，適用于高速公路環境，已達商業化水平并配備于其高階車款上。北京理工大學對 ACC系統的研究多是針對基于CCS系統的開發，對車輛速度的調節主要是通過控制節氣門開度和自動換檔來實現，提出了將ACC系統與車輛制動和防滑控制系統ABS/ASR相集成構成ABS/ASR/ACC系統的整體設計方案。

1.3ACC的關鍵技術

1.3.1雷達的性能

雷達的功能是探測相對車距、相對車速、相對方位角等信息，其性能的優劣直接關系到ACC系統性能的好壞。

1.3.2目標車輛的識別和跟蹤

雷達能將它所探測到的物體信息傳遞給ECU，ECU要根據傳來的信息進行識別，從中確定一主目標用做 ACC控制中的參照物，依據兩者間的相對運動及距離控制主車的行駛速度。

1.4ACC的發展趨勢

1.4.1傳感技術

由于電子技術的進步可生產出更緊湊、更加集成的器件，所以 ACC系統的傳感器和電控單元的外形尺寸將縮小到比現有的安裝空間小一半多。為了能在狹窄彎道的鄉村公路上也能使用ACC系統，需要將傳感器識別范圍擴大一倍。

1.4.2完善現有的功能，集成化

完善現有的功能是為了使未來的 ACC系統在選擇目標時更可靠，具有更好的控制適應性，在變換車道及彎道時具有和諧的控制性能。集成化有助于降低成本，增強各系統間的內在聯系，充分利用各種車輛信息，從而提高系統的穩定性和可靠性。

1.4.3全速范圍的自動起步技術

至今的ACC系統在車速低于30 km/h的稠密交通情況下會自動關閉。全速范圍的自動起步技術使 ACC系統能在近距離范圍快速識別本車前面的障礙物，當前面行駛的汽車再次起步時，用攝像系統得到的有用信息在沒有駕駛員操縱下可完全自動起動。這要求 ACC系統具有更好的近距離探測能力，更快的信號處理功能，更迅速的系統反映。這樣既使在堵車情況下也無須駕駛員參與，駕駛員可以完全從繁瑣的駕駛操作中解放出來，甚至進行休息。

2、夜視系統

夜視是指在黑暗隋況下看東西的能力。無論是通過生物或技術手段，使夜視成為可能需要滿足兩個條件，一是具有足夠的光譜范圍、二是要具有足夠的光譜強度。人眼本身是一個極好的光學系統，但僅對波長為380-780 nlTl一段范圍很窄的可見光譜產生光譜響應。在晚上，70%的光譜是處于紅外范圍的Ⅲ。在月光和星光下典型的光譜分布，基本上，紅外光譜占有大部分，在星光下，可見光譜已經很少，因此人類的眼睛不具有夜視功能。若想在夜間看到東西，就需要借助于夜視系統。根據夜視系統本身是否帶有紅外輻射源而有主動式和被動式之分，前者叫做主動式紅外夜視技術，后者則稱為被動式熱成像技術。夜視系統可詳見文獻[2]。

主動式汽車紅外夜視系統主要由紅外照射燈、CCD攝像機、圖像處理系統及車載顯示器組成。紅外照射燈發射出紅外光，物體反射后，被車載 CCD攝像機所接收，轉化為圖像信號，經過圖像處理系統，就可以在顯示器上顯示出來。被動式汽車紅外夜視系統則不具有主動發射源，只接收物體自身發出紅外光。

一般的汽車前照燈只能照射80 m左右，而夜視系統至少可看見幾百米以外的路況信息，耗電量卻是前照燈的四分之一。由于能在更遠的距離發現前方的行人，因此駕駛員有足夠的時間做出反應。另一方面，由于采用的是紅外傳感技術，即使打開汽車前照燈也不影響圖像的顯示，迎面駛來汽車的強烈車燈光線也不會造成夜視系統致盲。特別是夜晚兩車相會時，雙方駕駛員可通過夜視屏觀察前方路況，以避免刺眼的眩光。

2.1主動式紅外夜視技術

把景物反射或自身輻射的紅外輻射圖樣轉換成人眼可觀察圖像的技術稱為紅外成像技術。以紅外輻射源照射物體，利用反射的紅外輻射得到被照物體的像，稱為主動式紅外成像。

2.2被動式熱成像技術

任何絕對零度以上的物體都具有熱輻射本領，輻射體的溫度不同其輻射的能量及波長成分也不同?？茖W試驗證明，光的熱效應是由紫光到紅光逐漸增大的，而且熱效應最大的位于紅光的外面，稱之為“紅外光”。熱成像系統的作用就是基于日標與背景的溫度及輻射發射率的差異，利用輻射測溫技術對目標逐點測定輻射強度，而形成町見的目標熱圖像。利用物體自身發射的紅外輻射攝照物體的像，稱為被動式紅外成像。

2.3主動式與被動式夜視技術比較

Tsimhoni等人比較了使用近紅外和遠紅外輻射技術對行人的探測，結果表明遠紅外輻射夜視儀具有更大的優勢，因為行人的輻射熱量大，適宜遠紅外探測技術。

2.4圖像處理技術

對近紅外傳感器，需要降低眩光效應和增強圖像對比度(Rumar，2002)。智能自動圖像處理技術是一種更加先進的技術，可以對遠紅外傳感圖像的低對比度起補償作用，可以用于檢測和增強熱物體的輪廓(Bertozzi，Broggi，Pascoli，Graf,&Meinecke，2004)。在一個基于知識分類的處理進程中，可以用電腦程序加以辨認物體，舉例來說，可以辨認行人。甚至可以將可獲得的光學和聲學信號結合起來處理，增強認知性，可以進一步防止危險。

2.5汽車夜視系統發展

目前，國外的很多高級汽車上都采用了汽車夜視系統。美國Cadillac車的夜視系統使用熱成像技術。人類、動物和行駛中的車輛與背景相比熱量較高。夜視系統的功能就是將物體發出的熱量通過特殊的裝置收集起來，轉換成為人類肉眼可見的圖像。是采用非冷卻焦電型熱影像電極(UFPA)傳感器和液晶顯示設備抬頭顯示器(HUD)所組成。該系統可幫助駕駛者看見使用汽車遠光燈無法清楚辨識的物體，是以抬頭顯示器的單色虛擬圖像投影于前保險桿附近的位置，駕駛者可將此虛擬圖像當作前方視野的一部份來注視而不會妨礙到駕駛者的視野，在觀看虛擬圖像時，無須移動視線或改變視線的焦點。

3、汽車自動駕駛系統研究設計

3.1自動駕駛系統簡介

自動駕駛系統是為減輕駕駛員的駕駛操縱勞動強度，提高行駛舒適性的汽車自動行駛裝置。自動駕駛系統英文為cruise control system，縮寫為CCS。自動駕駛系統又稱為巡航行駛裝置、速度控制系統、恒速行駛系統或巡行控制系統等。

3.2自動駕駛系統原理及設計結構

汽車自動駕駛技術包括視頻攝像頭、雷達傳感器以及激光測距器來了解周圍的交通狀況，并通過一個詳盡的地圖(通過有人駕駛汽車采集的地圖)對前方的道路進行導航。文獻[3]在多角度詳細描述了自動駕駛技術的發展。這一切都通過谷歌的數據中心來實現，谷歌的數據中心能處理汽車收集的有關周圍地形的大量信息。就這點而言，自動駕駛汽車相當于谷歌數據中心的遙控汽車或者智能汽車.。汽車自動駕駛技術物聯網技術應用之一。

沃爾沃根據自動化水平的高低區分了四個無人駕駛的階段：駕駛輔助、部分自動化、高度自動化、完全自動化：

（1）駕駛輔助系統（DAS）：目的是為駕駛者提供協助，包括提供重要或有益的駕駛相關信息，以及在形勢開始變得危急的時候發出明確而簡潔的警告。如“車道偏離警告”（LDW）系統等。

（2）部分自動化系統：在駕駛者收到警告卻未能及時采取相應行動時能夠自動進行干預的系統，如“自動緊急制動”（AEB）系統和“應急車道輔助”（ELA）系統等。

（3）高度自動化系統：能夠在或長或短的時間段內代替駕駛者承擔操控車輛的職責，但是仍需駕駛者對駕駛活動進行監控的系統。

（4）完全自動化系統：可無人駕駛車輛、允許車內所有乘員從事其他活動且無需進行監控的系統。這種自動化水平允許乘從事計算機工作、休息和睡眠以及其他娛樂等活動。

3.3結構性能編輯

自動駕駛汽車使用視頻攝像頭、雷達傳感器，以及激光測距器來了解周圍的交通狀況，并通過一個詳盡的地圖（通過有人駕駛汽車采集的地圖）對前方的道路進行導航。

激光雷達

車頂的“水桶”形裝置是自動駕駛汽車的激光雷達，它能對半徑60米的周圍環境進行掃描，并將結果以3D地圖的方式呈現出來，給予計算機最初步的判斷依據。

前置攝像頭辨移動物體

前置攝像頭

自動駕駛汽車前置攝像頭谷歌在汽車的后視鏡附近安置了一個攝像頭，用于識別交通信號燈，并在車載電腦的輔助下辨別移動的物體，比如前方車輛、自行車或是行人。

左后輪傳感器

很多人第一眼會覺得這個像是方向控制設備，而事實上這左后輪傳感器幫助定位是自動駕駛汽車的位置傳感器，它通過測定汽車的橫向移動來幫助電腦給汽車定位，確定它在馬路上的正確位置。

前后雷達

后車廂的主控電腦谷歌在無人駕車汽車上分別安裝了 4個雷達傳感器（前方3個，后方1個），用于測量汽車與前（和前置攝像頭一同配合測量）后左右各個物體間的距離。

前后雷達幫助測距

主控電腦

自動駕駛汽車最重要的主控電腦被安排在后車廂，這里除了用于運算的電腦外，還有拓普康（拓普康是日本一家負責工業測距和醫療器械的廠商）的測距信息綜合器，這套核心裝備將主控電腦在后車廂，負責汽車的行駛路線、方式的判斷和執行。

4、結束語

汽車智能化設計技術包括很多方面，主要有自適應巡航系統、主動避撞系統、Stop-and-Go系統、自動泊車系統、隨車轉向燈系統、夜視系統、防疲勞監控系統、車道偏離警告系統、輔助駕駛技術、自動駕駛系統、智能車輛技術。隨著各種科學技術的發展，汽車的各種智能化也越來越高，推動著社會的高速化，為社會帶來更好的服務。但對于現在來說智能化大眾化不太現實：一是成本太高，二是能量消耗太大。因此要在理論，科技和實際的基礎上實現大眾化的汽車的智能化的道路還很長，但我們應相信那個時候終會到來。車輛在實際使用過程中可能遇到很多問題，可參考文獻【4】。

[1] 魏秋蘭.自適應巡航系統在汽車中的應用[J].2009,4,24-26

[2] 姚其、林燕丹.汽車夜視技術與發展[J].2008 ,4,25-25,26-29

[3] 楊學清.汽車自動駕駛系統研究設計[J].2011,1,64-67

[4] 凌經.電控汽車診斷與維護[M].機械工業出版社,2009.132-140

Automobile intelligent technology in the future

Wang Zhuwei
( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Just in recent years, with the rapid development of computer technology and information technology, auto control technology, intelligent control system appears continuously, make the car put on Intelligent wings. Intelligent vehicle is emerging in our world, and become the most advanced pet in favour of the people. In the vehicle global positioning system (GSP), vehicle inertial navigation system (INS), intelligent cruise control system (ICC), various radar collision avoidance system have debut when, the emergence of automobile intelligent system of every hue.

Adaptive cruise; controlnight vision system; automatic driving

U463.6

B

1671-7988（2015）12-142-04

王祝偉，就職于華晨汽車工程研究院。