高速公路標準下的雷達無人駕駛研究

◎周宇東

高速公路標準下的雷達無人駕駛研究

◎周宇東

對于技術高速發展的今天，無人駕駛作為一項被廣泛研發的技術，即將大規模進入人們的生產生活。本文通過對高速路標準下無人駕駛的闡述，以及其配備的雷達傳感進行研究，意在分析現階段存在的問題，并提出若干問題的解決思路和方法，對技術的進一步研發提供參考性意見和建議。

高速路標準與行駛條件

高速路標準概述。無人駕駛車輛系統（Autonomous Vehicle system）是通過傳感器探測反饋周邊環境參數，經處理后不僅控制車輛的加速、減速、前進、后退等功能1，還能執行感知環境、路線規劃、躲避障礙等高級功能，類似人類進行車輛的駕駛。

高速公路的無人駕駛，建立在具有良好路況和交通標識的路段。一方面，無人駕駛可以很好的解決人為操作的疲勞感、枯燥感等影響因素帶來的危險失誤；另一方面，無人駕駛在高速路段的實現有很好的可操作性。

安全行駛條件計算。根據相應的法律法規，系統的設計應滿足安全距離，即100km/h時速保持100m的安全距離，其他速度與此成正比。在雨雪等不良天氣下將距離提升到正常車距的1.5倍。以均勻加速度剎車計算，剎車距離在40到50m，機械結構制動系統和踏板反應時間為0.5秒，因此無人駕駛總反應時間必須在3秒內。

而根據制動過程的原理，如圖1-1：

無人駕駛系統結構與功能

無人駕駛的評價標準。無人駕駛系統的智能水平依照它需要完成的功能決定，通常由以下這些指標來衡量。無人駕駛車輛的智能水平評價指標總結了一系列的無人駕駛功能，對此，基于高速路的環境，主要的評價因素為：遙控啟動、遙控剎車、遙控停車、直道車道保持、限速、禁止逆行、車距保持、彎道車道保持、動態規劃、GPS導航、交通標志識別、緊急制動。

對于無人駕駛系統的雷達模塊，其直接影響的因素有：直、彎車道保持、車距保持、動態規劃、緊急制動。

無人駕駛系統結構組成。無人駕駛系統的組成系統構架比較清晰，主要由環境感知部分和地理信息系統輸入計算機進行決策，再反饋到行車系統，執行決策行為。

高速下無人駕駛的功能。基于現行的駕駛需求、評價標準以及無人駕駛系統結構。高速下無人駕駛需要完成的功能主要有以下幾種：保持高速行駛，對于同向兩車道，左側車道最低100，右側車道最低60。同向三車道，最左側車道最低110，中間車道最低90，最右側車道最低60（單位km/h）；智能跟隨道路標示線，直行或轉彎；保持車距，跟車行駛；合理超車，根據環境狀況，規劃路徑，超車行駛；緊急制動，對于道路突發情況，保持平穩駕駛下降低速度，靠邊停車或者直接急停避免事故。

雷達傳感器的功能和選擇

雷達傳感器的種類。無人駕駛中使用到的雷達通常以工作方式分類，分為二維激光雷達和三維激光雷達。

三維激光雷達。三維激光雷達是通過多個單線激光組成，能夠精確獲得周圍環境的三維信息，通過多組掃描線組合，每條掃描線有固定的俯仰角，一般通過旋轉掃描來獲取信息。

二維激光雷達。二維激光雷達通過多角度掃描檢測每個光束測量的距離，輔助三維雷達檢測無人駕駛車輛周圍可能存在的障礙物以及分布情況，檢測小區域可能存在的盲區。

傳感器的配合選擇。為完成無人駕駛功能的一些列復雜動作，雷達傳感器之間是采取協同工作的方式，通過多個傳感器共同實現環境感知。基本上傳感器的配合需要滿足車輛的地理定位、周圍環境的掃描，以及輔助相機識別標識來完成無人駕駛的傳感工作，如：Tartan Racing Team開發的無人駕駛汽車BOSS，采用了11中類型的激光雷達，包括6個SICK LMS單線激光雷達、1個Velodyne64線三維激光雷達、2個ISF172雷達、2個IBEO激光雷達以及兩個輔助相機。

斯坦福大學和大眾汽車聯合開發的Junior，配備了5個激光雷達，一個GPS/ INS7。

長安大學設計的一款無人駕駛汽車，采用的是UXM-30LX-EW激光雷達、一個GPS以及兩個相機。

高速路無人駕駛存在的問題

高速路下的突發問題。再高速路行駛中，可能發生的最嚴重問題在于路段出現非高速模式的行駛狀況，即出現突發問題。突發問題一般分為兩類，一類是需要改變行駛方式，如出現高速路段修路車輛靠單道行駛，或者前方車輛出現單道障礙的，需要變道行駛。二類是出現障礙必須緊急制動，急停或者靠邊停車。

對于第一類行車模式，依舊需要保持高速行駛，因此采用模擬駕駛員決策方案可以比較好的解決問題。這種方式中，通過對駕駛員行為進行解構，分成基本動作原型作為狀態機的狀態集合，行為決策模塊通過上層的狀態機模擬場景條件，下層狀態機對決策擇優，通過AHP熵權發配置環境權重，再用

關聯度TOPSIS對狀態進行排序確定最優的行駛方案9。解決此類問題常用的方法還有遺傳算法等多種算法方式，在這里就不多贅述。

對于第二類行車模式，一般存在于特別緊急的情況下，需要充分考慮到安全性和智能性。安全性方面，要考慮到車內外雙面的安全度，在避免碰撞的同時，需要考慮乘客的可接受度，另外這樣的行車模式可能不光存在于障礙物地形，還會因為車輛故障等原因導致這種行車模式，因此引出智能性的要求，對于車輛不光需要完成周邊參數的控制，還要求對車體情況作出反應，規劃出合理的停車方式并實現實時的測控和微調。

對于高速路的突發問題，應該“智能規劃，迅速反應”，達到具有迅速應對多種意外情況的靈活度。

無人駕駛系統的問題。無人駕駛系統主要的問題在于傳感器的死角、優先級的設計。

對于傳感器可能出現死角的問題，因為高速路段的路況和行車狀況環境比較單一，不需要考慮復雜的行程方式，在高速路標準下此類問題出現得很少。在高速路上傳感器無法傳達準確信息可能是惡劣的氣候環境以及鳥類、昆蟲或漂浮物遮擋傳感器。對此可以采用自動執行最低速行駛的方案降低行車過程中的危險系數。

事件優先級的設定上，采取很多種事件優先級設計，并通過遺傳算法對事件競爭獲取最合理路徑，除此之外在無人駕駛系統的控制軟件中，可以集成錯誤恢復等級，避免因為固定優先級刻板地處理問題可能產生的麻煩。

對于無人駕駛系統的問題，應采取“頂層設計，多重保險”的方式，務必做到安全駕駛、平穩出行。

總的來說，高速公路標準下的無人駕駛在無人駕駛的領域中屬于比較輕松的一種駕駛模式，在高速公路環境下的道路標識清晰，行車環境較其他環境并不復雜，主要是在速度控制和安全性設計上需要著重考慮。

本文通過對高速標準的分析，計算了影響行車制動時間的關鍵因素，概述了無人駕駛系統的結構、功能以及評價標準，針對常用的雷達傳感器模塊選擇傳感器搭配方式。提出高速路無人駕駛的主要問題，分析了基于突發狀況下的行車模式處理方式以及無人駕駛自身可能存在的問題及解決方式，提供“頂層設計，多重保險，智能規劃，迅速反應”的設計思路。相信在各研究單位的努力下，能將相關技術更多的應用的實際場合中，提高行車安全，達到智能出行。

（作者單位：中國人民解放軍空軍預警學院( 武漢 ) ）