無人駕駛汽車的發(fā)展與研究

姜沛宏，張長坤

（德州學(xué)院 汽車工程學(xué)院，山東 德州 253023）

無人駕駛汽車的發(fā)展與研究

姜沛宏，張長坤

（德州學(xué)院 汽車工程學(xué)院，山東 德州 253023）

無人駕駛汽車（自動駕駛汽車）對于交通系統(tǒng)的效率和安全性具有很大的幫助和提高，這將是未來汽車發(fā)展的主流。文章介紹了自動駕駛系統(tǒng)的功能、作用及技術(shù)原理，闡述了無人駕駛汽車的發(fā)展方向，并對其中存在的問題進行了探討。

無人駕駛汽車；自動駕駛系統(tǒng)；車輛定位；車輛控制

無人駕駛汽車的本質(zhì)就是在一輛普通的汽車上裝配先進的設(shè)備和儀器，來取代人的作用，可以對道路情況進行判斷，對每時每刻遇到的情況進行決策，采取相應(yīng)的行動。主要利用車上安裝的傳感器來感受路況的變化，把檢測到的車輛、障礙物、道路狀況等信息進行匯總，然后對車輛的行駛進行控制，轉(zhuǎn)向或者變速，使汽車安全地在道路上行駛，最終駛向目的地。

隨著我國汽車保有量的增加，道路交通擁堵現(xiàn)象越來越嚴重，每年發(fā)生的交通事故也在不斷上升，為了更好的解決這一問題，研究和開發(fā)汽車自動駕駛系統(tǒng)是很必要的。自動駕駛系統(tǒng)能很好的解決道路擁堵，提高交通系統(tǒng)效率。我國2001年成功研制出時速達到76km的無人駕駛汽車；2003年首臺高速無人駕駛汽車出現(xiàn)，時速相比增長很大，能達到170km；2006年紅旗HQ3無人實驗車研制成功；2015年百度與寶馬聯(lián)手成功實現(xiàn)了國內(nèi)無人汽車的全自動駕駛，此次測試是中國無人駕駛車的里程碑，標(biāo)志著其發(fā)展進入了一個新的階段。并且自動駕駛汽車還可以大幅度減小交通事故的發(fā)生，降低車禍的死亡率，使交通系統(tǒng)更加安全。

1 自動駕駛汽車系統(tǒng)的功能與構(gòu)成

自動駕駛技術(shù)是一個系統(tǒng)，利用各種先進的設(shè)備來替代司機，完成一個司機駕駛車輛的功能。不同的模塊之間彼此溝通協(xié)調(diào)，來完成下述功能：①控制車輛加速，剎車和轉(zhuǎn)向。②監(jiān)控周邊障礙物。③遵守當(dāng)?shù)亟煌ǚㄒ?guī)，把車輛運送到目的地。

一個完整的自動駕駛系統(tǒng)，主要有下面3個部分：①GPS（全球定位系統(tǒng)）和地圖信息。地圖信息要精準(zhǔn)，要包括所有靜止物體的準(zhǔn)確位置信息，地圖數(shù)據(jù)必須精確到厘米量級。②傳感器、雷達和攝像機。車載傳感器每時每刻都要對周圍環(huán)境進行掃描；車載雷達可以對路中的車輛和路邊的障礙物進行檢測；攝像機可以用來檢測路標(biāo)和交通信號燈，傳輸給處理器進行數(shù)據(jù)分析。③處理器。收集大量信息并對其進行分類分析，然后發(fā)出指令指導(dǎo)車輛進行行駛路徑的改變。處理器會根據(jù)收集到的信息進行處理然后選擇最安全、最便捷的解決方案。同時還能將數(shù)據(jù)分享，與其他的車輛進行溝通，共同形成一個合理的交通系統(tǒng)，以減少車禍發(fā)生的可能性。

2 自動駕駛系統(tǒng)中各部分作用

自動駕駛系統(tǒng)能夠通過車載傳感器和控制系統(tǒng)實現(xiàn)與人、車、路的信息交換，使車輛具備智能的環(huán)境感知能力，并且能夠自動分析車輛行駛的安全狀態(tài)，對要行駛的路線進行自動規(guī)劃，使車輛按照人的意愿到達目的地。

在無人駕駛汽車中，車的前后燈附近都有激光掃描儀，它們可以對車附近的環(huán)境和路況進行觀察、掃描，構(gòu)建一個立體的道路模型。激光掃描儀還能識別各種交通標(biāo)志，無論是紅綠燈還是限速標(biāo)志都能被識別，然后調(diào)用控制系統(tǒng)中每一種標(biāo)志所對應(yīng)的行駛規(guī)則，以保證能夠安全行駛。車頭上方會有攝像頭，它能夠識別道路上的白線，進而控制車輛行駛的方向。同樣在車頂上還會有一個雷達，雷達能夠檢測自動駕駛汽車與前方車輛、行人和障礙物之間的距離，不會使車輛與其他物體碰撞，從而使車輛

安全行駛。在車的兩側(cè)會有超聲傳感器，感受車輛兩側(cè)方向上的情況變化。通過這些使自動駕駛汽車的安全性最大化。

無人駕駛汽車的控制系統(tǒng)裝載在車的后備箱中，實質(zhì)是一臺計算機，能夠分析處理各種數(shù)據(jù)信息，并對汽車發(fā)送指令，使汽車在各種不同的情形下都能進行靈活行駛，如圖1所示。比如躲避行人與障礙物，按照交通規(guī)則行駛，不與其他車輛爭搶，不會使道路擁擠，從容前進。同時在遠處的指揮控制中心還可以對車輛下達指令，進而車輛本身的計算機接收指令后再控制車輛進行相關(guān)的行駛。

圖1 自動駕駛系統(tǒng)框圖

3 無人駕駛汽車的關(guān)鍵技術(shù)

無人駕駛汽車有兩個關(guān)鍵技術(shù)：定位技術(shù)和控制技術(shù)。這兩方面相輔相成、互相配合共同構(gòu)成了無人駕駛汽車。

（1）定位技術(shù)。在自動駕駛系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的技術(shù)就是定位技術(shù)。車輛需要對周圍所有的人、車和障礙物進行定位，獲得他們的準(zhǔn)確位置，才可以采取相應(yīng)的駕駛方法。目前最常用的技術(shù)是磁導(dǎo)航和視覺導(dǎo)航。其中，磁導(dǎo)航是目前最成熟可靠的方案。磁導(dǎo)航的最大優(yōu)點是不會受到天氣等自然條件的影響，選擇磁導(dǎo)航可以在各種天氣環(huán)境下行駛，并且便于維護。但是磁導(dǎo)航也有缺點存在，它需要在道路中架設(shè)一定數(shù)量的導(dǎo)航設(shè)備，實施十分復(fù)雜，維護也較為不便。視覺導(dǎo)航就不存在這個問題。視覺導(dǎo)航中車載主控計算機可以在車輛偏離目標(biāo)軌道前預(yù)知并預(yù)防。其缺點是，受天氣條件影響較大，如風(fēng)沙、大霧使能見度低或交通標(biāo)志不清晰時，視覺導(dǎo)航便會失效。但由于視覺導(dǎo)航對基礎(chǔ)設(shè)施的要求較低，是目前最有發(fā)張前景的定位方法。所以解決視覺導(dǎo)航存在的問題便成為當(dāng)前的首要任務(wù)，首先需要精度極高的視覺導(dǎo)航儀，其次是增強交通標(biāo)志被識別的功能。

（2）控制技術(shù)。在無人駕駛系統(tǒng)中最核心的技術(shù)就是車輛控制技術(shù)，控制技術(shù)的好壞決定了無人駕駛汽車的成敗，控制技術(shù)主要包括速度控制和方向控制兩部分。自動駕駛其實就是用電子技術(shù)控制汽車進行的仿人駕駛。從駕駛員的普通駕駛中分析得知，對車輛的控制是一個典型的預(yù)瞄控制行為，此行為中駕駛員根據(jù)當(dāng)前道路的情況，找到一個預(yù)瞄點，根據(jù)預(yù)瞄點來控制車輛。目前最常見的方法是經(jīng)典的智能PID算法，例如模糊PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID等。

4 無人駕駛汽車的發(fā)展方向

無人駕駛汽車的研究方向可以分為高速公路環(huán)境、城市環(huán)境、特殊環(huán)境三種，三者之間相互重疊而各自又有不同的技術(shù)側(cè)重點。

（1）在高速公路環(huán)境下，系統(tǒng)將使用環(huán)境限定為具有道路標(biāo)志良好的高速公路上，在這種環(huán)境下系統(tǒng)要完成的工作是檢測道路標(biāo)志線，跟蹤標(biāo)志線行駛，對道路中的車輛和路標(biāo)進行識別，目標(biāo)是實現(xiàn)無人駕駛汽車進入高速公路后的全自動駕駛。這種應(yīng)用解決了目前社會中最普遍枯燥的駕駛行為，提高了社會生活的工作效率。

（2）在城市環(huán)境下，無人駕駛相對于高速環(huán)境下車輛行駛速度比較慢，因此在這種環(huán)境下的無人駕駛汽車更安全可靠，在一定程度上能夠解決城市區(qū)域的交通問題，特別是在大型的公共場所如機場、公園、校園，在這些地方無人駕駛車的速度較慢，路程比較近。但是，城市環(huán)境相對比較復(fù)雜，對感知和控制的算法提出了更嚴格的要求，所以在城市環(huán)境下無人駕駛汽車的行駛是一個很大的難題，這將成為下一階段研究重點。

（3）在特殊環(huán)境下，尤其是駕駛系統(tǒng)在軍事中的應(yīng)用，國家一直都很重視這方面的發(fā)展。但是關(guān)鍵技術(shù)與其他兩種環(huán)境一樣，感知和控制的要求更加嚴格，但是在性能要求上的側(cè)重點不同。在特殊環(huán)境下使用時著重考慮的是在惡劣環(huán)境下的適應(yīng)性，這也是在未來推廣應(yīng)用需重點解決的問題。

5 結(jié)語

無人駕駛汽車是未來汽車發(fā)展的主流方向，它的應(yīng)用會降低道路上汽車的行駛速度，能大大減少交通事故的發(fā)生，同時也能舒緩當(dāng)前交通擁擠的狀況，使交通系統(tǒng)安全可靠。無人駕駛汽車從根本上改變了傳統(tǒng)車輛的控制方式，最大化的提高交通系統(tǒng)的效率。在計算機技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)快速發(fā)展的時代，自動駕駛系統(tǒng)的研究充滿生機，無人駕駛汽車將會廣泛的運用到實際生活中，為人們的生活增添光彩。

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Development and Research of Intelligent Car

JIANG Pei-hong，ZHANG Chang-kun
（Automotive Engineering Institute，Dezhou College，Dezhou，Shandong 253023，China）

Intelligent cars（self-driving cars）is helpful for efficiency and safety of transportation system，which will be the mainstream of future development.This paper introduces the function and technical principle of automatic driving system，expounds the development direction of driverless cars，and discusses the existing problems.

driverless cars；autopilot system；vehicle positioning；vehicle control

U463.5

A

2095-980X（2016）10-0010-02

2016-09-14

姜沛宏（1993-），女，山東煙臺人，大學(xué)本科，主要研究方向：汽車工程。