無人駕駛系統的設計與實現

文/張茜

1 研究背景、意義

1.1 從服務大眾的角度

一切技術都是為了人們可以生活的更好服務，無人駕駛也不例外。從人們日常生活中來說：研究無人駕駛汽車，可以減少因司機疲勞、一些僥幸心理，如闖紅綠燈等帶來的交通事故。隨著人類生活質量的提高，旅游業日益增長，而自駕游相對更加減壓、方便，得到大家的青睞，研究自動駕駛可以方便人類的出行，不會開車不再是障礙，也避免了“不認路”導致的導航出的不是最理想的路線的尷尬。

1.2 從無人駕駛技術的角度

無人駕駛汽車主要定義為“通過車載傳感系統感知道路環境，自動規劃行車路線并控制車輛到達預定目標的智能汽車”，所以它是匯集了自動控制、識別技術、人工智能、視覺計算等眾多先進技術于一身的、體現計算機科學先進性的產物，更是衡量一個國家科研實力、工業水平的一個重要標志。

2 主要模塊以及關鍵技術

從原理上來講，無人駕駛汽車主要是通過身上安裝的各種傳感器作為其眼睛及耳朵來感知周圍環境，然后將數據傳輸給車的大腦中央處理系統，汽車的大腦借助人工智能對各種情況做出判斷，最后通過電傳系統機械操作汽車來做出各種應對措施，最終達到自動規劃行車路線并控制車輛到達目的地。

2.1 傳感器

2.1.1 攝像頭

主要是用以監測交通信號燈以及行人、機動車等行駛中偶遇的移動障礙物。目前市場主要有有單目攝像頭和雙目攝像頭兩種：單目攝像頭需要識別目標類型，也就是說在測距前先識別障礙物是車、人還是其他障礙，再進行測距；而雙目攝像頭更像人類的雙眼，主要通過兩幅圖像的視差來確定與目標之間的距離。也就是說，雙目攝像頭不需要知道障礙物是什么，只要通過計算就可以測距，近物的視覺差大，遠物的視覺差小，可以將將手指放在眼前，先閉左眼，再閉右眼，會感覺手指移動了，距離人眼越近差距越大，這就是視覺差造成的

2.1.2 雷達

毫米波雷達，一般安裝在高檔車上，主要根據電磁波輻射所引起的頻率變化感知物體的方位和速度。它具有出色的測距測速能力，其優點是受外界天氣影響較小，可以全天候工作，所以被廣泛地應用在自適應巡航控制（ACC）、前向防撞報警（FCW）、盲點檢測（BSD）、輔助停車（PA）、輔助變道（LCA）等汽車ADAS的多項技術中。通常，為了滿足不同距離范圍的探測需要，一輛汽車上會在前、后、身上安裝多顆短距離和長距離毫米波雷達。

激光雷達是目前最火的雷達，其優點是可實現遠距離測距，精度很高，因為它是通過發射一排激光、360度旋轉探測來繪制3D地形圖，通過這些點我們可以檢測物體的方位、還能判斷其大小、高度等，速度極快，可以達到實時傳送，谷歌的無人駕駛汽車上就用了此設備。

超聲波雷達屬于性價比較高的雷達，基于多普勒效應設計。這種雷達應用較廣，它的安裝數量多，位置固定，每個超聲波只能檢測一個方向上3至5米的距離，主要為自動泊車提供方便。

2.1.3 高精度地圖

高精度地圖的精度可以達到厘米，且地圖上除了標注道路，還標注了路牌、紅綠燈位置、兩側建筑等，相當于將世界矢量化成一個地圖，還可以幫助我們進行車輛定位、提供其他車輛軌跡預測、重新規劃較優路線等。有了高精地圖，無人駕駛汽車才能真正“了解和感知世界”。

2.2 計算機系統

2.2.1 車載處理器

處理器在任何一個智能機器中都是最重要的設備。所有機器需要的系統，所要做出的動作，都需要通過處理器處理，他結合了人工智能、算法、大數據共同為汽車決策出最優質的方案，并使其執行。對于處理器最重要的要求就是處理速度和響應時間，在很快的速度下又出現突發情況，為了將危險系數降到最低，要求處理器必須很快匯聚數據、處理數據、反饋動作。

2.2.2 車道保持系統

車道保持系統主要是借助攝像頭來探測車道的左右兩根車道線，經過計算機的幫助，通過算法判斷汽車是否偏離了自己的車道，進而通知轉向系統來協助汽車返回正軌或者通過微振方向盤提醒司機。這里的攝像頭呈像并不是難點，只要可在高速運動下可以拍攝清晰畫質即可，重要的是處理器的計算速度，如果反應不夠靈敏，不能及時糾正偏離，可能會造成一些安全問題。

2.2.3 ACC自適應巡航系統

自適應巡航系統主要是通過安裝在車前方的雷達檢測行駛的道路上的交通情況，讓汽車可以自己控制行駛速度。比如檢測到前方的車輛速度比自己慢或者準備減速，此系統將采取減速措施，以避免追尾事件；而當前面沒有障礙或者沒有預判到危險時，系統將告訴車輛此時可以加速。此系統主要是通過控制發動機油門來控制車速。

2.2.4 夜視系統

此系統主要是通過紅外成像技術幫助駕駛人員在夜晚或者光線較弱的情況下可以提前預測危險情況，協助其順利行駛。根據系統本身是否帶有紅外輻射源，有被動熱成像夜視系統和主動紅外熱夜視系統。前者主要是借助紅外，通過使用照射系統和攝像機來識別紅外反射波，并將識別后的數據以圖像的形式傳遞給駕駛者。后者主要依賴人、動物、行車等散發出的熱量與其他物體不同來收集信息，進而轉換成圖像。由于夜視系統成本較高，現在多出現在豪華車上，要想全面普及，還需我們達到降低研發成本但質量不減。

2.2.5 導航/定位系統

傳統的GPS精確度不夠高，而此系統通過“差分”的思想來降低誤差，提高精度。如一個基準站對一個目標測量兩次、一個基準站對兩個目標進行測量、兩個基準站對一個目標進行測量，結果求差，這樣可以消除不可避免的誤差源（即公共誤差源----如大氣影響）的影響。

2.3 輸出控制模塊

輸出模塊，顧名思義就是將我們規劃好的動作實現，這部分最終目的是將收到的命令，以最準確的方式執行，這就要求輸出系統有較好的預測和矯正，當發現執行情況不滿足規定時，及時做出微調。

3 對其他產業的推動、意義

3.1 軍事方面

只要掌握無人駕駛技術，那么這項技術可以移植到坦克、軍艦、戰船、飛機等設備上，廣泛應用于協同作戰、自主巡邏、戰場救援等等場景，發展前景極其廣闊。其中，陸地作為戰爭決戰最有可能發生的地區，更是急需無人系統的支持。

3.2 農業方面

通過無人駕駛技術，可以代替人工種植、灌溉、收割等各個環節，而且效率更高，播種更均勻。通過無人駕駛技術可以避免人與有害化學物質直接接觸，還能達到殺蟲、施肥。中國是個農業大國，發展農業是一件刻不容緩的事情，無人駕駛技術的發展無疑會大大推動農業的進步。

4 未來展望

4.1 朝對先進性、實用性的展望

比如攝像頭在物體識別方面有優勢，可以方便呈像，但是不能對遠距離障礙進行探測，且基于它的識別受天氣、光線影響也較大。激光掃描儀及毫米波雷達，可以精確測距，但是在識別物體方面卻遠弱于攝像頭。未來的技術無疑會像膠水一般，取精去糙，使得信息達到深度融合，解決各種困難。其次像夜視系統、激光360度雷達等技術所需的硬件設備都很高，只有高端車才能享受的這些先進技術，未來的發展，一定是尋求新技術，降低成本的同時還能提高質量。最后，我們知道無人駕駛技術是一個科技高速發展的產物，融合了多重先進技術，他的擴展性以及移植性是不容小視的，在研究者們苦心鉆研一個方向之后，可以講他運用或移植到有需求的到各個行業，才不枉“苦心人天不負”的真理，在性能發面，無人技術既然要脫離人的操控，那么他是一定要盡力保，障人的安全，從這個方面考慮，也真是無人駕駛技術至今位置扔不敢大面積推廣的主要原因，我們需要設計更加優越的算法，提高效率，增強可預見能力。

4.2 對基于道德層面安全駕駛的展望

途遇突發狀況，需要系統立即對道德困境做出決定，會讓無人駕駛汽車感到很為難甚至會做出更糟的操作。比如有個老太太橫穿馬路，那么系統是覺得急轉彎撞向旁邊的公交車而威脅一車乘客，還是繼續前行呢？其次對于人類的道德，我們不能夠保證沒有恐怖分子利用先進技術，控制車輛在任何一個地方引發爆炸，威脅人身安全，或者黑客技術侵入控制系統，通過非法手段獲得他們想要的任何數據。

4.3 對無人駕駛物聯網技術的展望

科技是一把雙刃劍，無人駕駛技術帶給我們方便、快捷、安全、舒適的生活的同時，也給予我們挑戰，在這個越來越不需要人們動手的時代，我們是否能克服高科技誘惑，不是沉淪，而是動用雙手去創造更多有價值的東西。無人駕駛的世界一定會到來，那個時候我們所從事的工作是否需要轉型？在此我也提出自己到目前看了相關資料之后的展望：是否所有的無人駕駛汽車可以形成一個網，如果倆個車想要交互，它們可以發出信號，通過這張網來交流，雙方協調后做出行動。當上海的汽車跑去北京，照樣可以進行實時監控，與當地車輛會車，這個技術該怎么實現，我認為在無人駕駛汽車普及之后，先建立局域網，再通過互聯網將局域網鏈接成廣域網，車輛進入北京區域，就由北京的局域網對他進行監控，與車輛會車，這樣就可以實現車與車之間的實時通訊。第二個問題是：無人駕駛的一大難點是安全問題，那么是否可以設置一個外接物，可以幫助汽車與行人交流呢，我認為這種技術并不難實現，與顯示屏的效果相差不多，只不過接在車外，為了提醒乘客而已。