無人駕駛汽車體系結構分析

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714009

摘要：無人駕駛汽車需要使用計算機、傳感器和其他技術設備，來保證車輛在沒有駕駛員的主動控制下可以安全行駛，無人駕駛汽車體系結構可以實現系統模塊之間的合理協調，決定了系統軟、硬件的開放性和擴展性。本文論述了三種不同體系結構的特點，介紹了Boss無人駕駛汽車的體系結構組成和功能，對于無人汽車的深入研究具有借鑒意義。

關鍵詞：無人駕駛；體系結構；傳感器

無人駕駛汽車是在網絡環境下用計算機技術、信息技術和智能控制技術搭建起來的車輛，從廣義上講是一種兼具汽車性能的移動機器人。無人駕駛載體包括無人機、無人艇、無人潛水器和地面無人駕駛車輛。無人駕駛車輛包括軍用和民用兩種平臺，無人駕駛汽車主要偏重于民用領域。

一、體系結構的概念

無人駕駛汽車體系結構描述了汽車系統諸多部分的關系和組織架構，以及各部分之間的交互關系；定義了汽車軟硬件的組織原則、集成方法及支持程序；確定了系統的各組成模塊的輸入和輸出，按照工作模型進行總體協調指揮。對于無人駕駛汽車系統，體系結構包括了系統信息的交流和控制調動，起到神經系統的作用。

二、分層遞階式體系結構

分層遞階式體系結構由感知、建模、任務規劃、運動規劃、運動控制和執行器等模塊串聯起來構成，前者的輸出結果為后者的輸入，又稱為感知模型規劃行動結構。在這種體系結構下，執行器產生的動作不是傳感器直接作用的結果，而是經過了一系列由感知、建模到規劃、控制等階段，具有解決特定任務的能力。分層遞進式體系結構的構建根據用戶對環境中已知對象的了解及相互關系的推測與分析，另一部分根據傳感器模型的自主構造，這種體系結構缺乏實時性和靈活性，串聯的結構系統導致可靠性不高，當一個模塊出現故障，將導致整個系統癱瘓。

三、反應式體系結構

反應式體系結構是針對各種目標設計的基本行為，形成各種不同層次的能力的并聯體系結構。每個控制層根據傳感器的輸入進行決策，高層次對低層次施加影響，低層次具備獨立的控制系統，故可以產生快速的響應，實時性強。整個系統可以方便靈活地實現從低層次到高層次的障礙規避，系統的魯棒性和靈活性得到提高。此外，由于每層負責執行一個行為，且執行方式可以采用并聯式，當一個層次模塊出現故障時，其他層次仍然能夠正常工作。

四、混合式體系結構

混合式無人平臺體系的規則在于，較低層次上采用面向目標搜索的反應式行為，在較高層次上，采用面向目標定義的遞階慎思式行為。混合式體系結構包括傳感器、數據處理、數據存儲、計算機建模和控制，可以實現一個或多個系統的控制，并且其中的體系可以完全自主，或通過其他方式進行交互。體系的層次之間以時間/空間進行劃分，高層次的時間和空間跨度很大，但分辨率很低；低層次的時間和空間跨度很小，分辨率很高。例如基元層規劃器的地圖范圍為5m，分辨率為4cm，車輛能夠在狹窄的通道內前進和駐車，對路徑進行精確規劃；子系統規劃器的地圖范圍為50m，分辨率為40cm，這個地圖被用來規劃未來5s內的路徑。車輛規劃器的地圖范圍為500m，分辨率為4m，用于規劃未來1min內的路徑，且考慮地形特征。區域規劃器的地圖范圍為5km，分辨率為40m，用于規劃未來10min的車輛行為。

五、Boss無人駕駛汽車體系結構

卡內基·梅隆大學研制的Boss無人駕駛汽車整合了現成的商業線控系統，實現了加速、制動、轉向、變換檔位等自動操作。Boss的體系結構可以分為感知層、任務規劃層、行為執行層和運動規劃層等部分，如圖1。

采用的傳感器有Applanix POSLV220/420 GPS/IMU （APLX）、SICK LMS 291S05/S14激光雷達、Velodyne HDL64位激光雷達、Continental ISF 172激光雷達、IBEO Alasca XT激光雷達、Continental ARS 300雷達、Point Grey攝像機。

感知層處理來自傳感器的外圍環境數據，包括車輛狀態信息、道路信息、動態障礙物、靜態障礙物地圖及堵塞道路等信息。

任務規劃層根據已有的路網信息計算所有到達下一任務檢測點可行路徑，與根據環境信息計算生成的可行路徑做對比，得到一個最優路徑。

行為執行層結合感知層的環境信息和最優路徑為運動規劃層產生離散運動目標的局部任務，例如車距保持、特定速度行駛、特定路線行駛等。

運動規劃層包括兩個規劃器，用于結構化道路上行駛規劃和非結構化道路的位置、方位和行駛方向的規劃。兩個規劃器執行來自行為執行層的任務，使車輛達到任務目標，并且在任務過程中能規避任何障礙物。

參考文獻：

[1]劉凱.無人駕駛車輛體系結構與定位導航技術研究[D].北京：北京理工大學，2010.

[2]孫揚，熊光明，陳慧巖.基于FuzzyEAHP的無人駕駛車輛智能行為評價[J].汽車工程，2014，36（01）：2227.

作者簡介：馮帆（1989），男，陜西西安人，碩士研究生，助教，研究方向：汽車檢測與維修技術。