無人駕駛試驗樣車硬件改裝方案

孫宇 朱飛

摘 要：本文檔是無人駕駛試驗樣車硬件改裝方案，是基于無人駕駛軟硬件系統需求進行開發的，包括關鍵傳感器選型、硬件系統構成、及對設備布局和安裝提出的要求。本方案為無人駕駛試驗樣車的傳感器和相關硬件設備的物料采購提供參考，以及對設備電氣安裝提供指導，從而為系統軟件開發提供硬件平臺支撐。

關鍵詞：硬件方案;系統改裝

1 無人駕駛試驗樣車硬件方案

1.1硬件模塊分類

根據無人駕駛軟件系統架構采用模塊化設計的特點（包括感知模塊、定位模塊、預測模塊、規劃模塊、控制模塊等），硬件系統中需要選用實現不同功能的硬件產品、組件或設備，來分別對應各個軟件模塊的應用。

1.2硬件組件和設備選型

1.2.1計算平臺

高性能的工業級PC（IPC）負責在無人駕駛開發平臺上實現傳感器數據融合、車輛控制和網絡訪問。系統性能和接口數量是首要考慮因素，包括較高的系統主頻、豐富的I/O接口類型;其次，為了滿足潛在的硬件資源開銷的持續增長，必須具備接口可擴展性;此外，顯卡規格、存儲、電源、軟件支持、尺寸、重量和使用環境等方面也被充分考量在內。

1.2.2激光雷達

相較于攝像頭等傳感器，激光雷達不但能夠生成三維位置模型，而且它的探測距離更遠、測量精度更高，同時響應速度也更靈敏，不受環境光的影響。其最大的特點即在于可以生成三維的位置信息，能快速確定物體的位置、大小、外部形貌，同時獲得數據并生成精確的數字模型。

1.2.3毫米波雷達

性能良好的77GHz雷達的最大檢測距離可以達到200米以上，可被安裝在前保險杠上，正對汽車的行駛方向。其能夠用于實現緊急制動、高速公路跟車等功能;同時也能滿足自動駕駛領域，對障礙物距離、速度和角度的測量需求。

1.2.4攝像頭

本硬件改裝方案配備3組共5個攝像頭，其中前視攝像頭由1個短焦和1個中焦攝像頭組成其主要功能如下：

（1）車道線：可識別道線種類，如虛線、實線、反光點，雙線，馬路牙等。車道保持/偏離警告及輔助;

（2）車輛：可識別前方車輛、摩托車、自行車等，同時識別出車輛的距離、相對速度等關鍵參數;

（3）行人：可識別前方多個行人目標，包括迎面、側面、背面、四季不同衣著、舉著雨傘等，并給出行人目標距離以及預計碰撞時間盲點監測;

（4）會車燈光：可以識別會車前大燈，并給出目標運動參數，以及智能前大燈應避免的晃眼區域;

（5）交通標志：可以識別多種交通標志，包括主標志和主標志下方的輔助標識。可以給出交通標志的位置以及含義信息。

1.3硬件網關/交換機

本試驗樣車硬件改裝方案采用了禾多科技公司的三款硬件網關產品，產品外觀如圖2-9。硬件網關除了以嵌入式系統的形式在計算平臺與傳感器或外設之間建立物理鏈接外，也將接收到的傳感器或外設的數據進行重新打包（或稱為協議轉換），以適應無人駕駛軟硬件系統的需求。該系統同樣使用GNSS接收器的秒脈沖（PPS）和GPRMC信號實現攝像機和激光雷達的數據收集同步。

本試驗樣車硬件改裝方案采用了KeepLINK公司的工業級千兆以太網交換機。千兆以太網交換機為數據幀從一個端口到另一個任意端口的轉發提供了低時延、低開銷的通路。

1.3.1 車身線控及硬線接口

CAN卡和IPC的通訊通過PCI Express接口。IPC通過CAN卡發送車輛控制指令，該指令基于區域網絡控制協議（CAN協議），

橫向控制：方向盤可按發出的目標角速度達到目標角度，踩下剎車及方向盤受外力干預時可退出控制。

縱向控制：在加速度控制模式下，車輛可按發出的目標加速度實現加、減速功能;在速度控制模式下，車輛可根據目標速度進行加、減速并最終穩定在目標速度（ 0-60km/h），速度誤差小于2km/h。在踩下剎車、油門踏板以及橫向控制激活時干預方向盤會退出縱向控制。

檔位控制：當車速為0，剎車踏板踩下，可實現檔位之間的切換，切擋后會自動拉起EPB。

1.4硬件系統改裝說明

1.4.1硬件拓撲結構

感知模塊5個攝像頭的算力布局在工控機A上;

線控模塊通過工控機A上的CAN卡與車端通訊;

激光雷達和毫米波雷達通過千兆以太網交換機將UDP數據包傳輸給工控機A或工控機B;

1.4.2電源分發控制和整體功耗估算

電源分發控制設備其具有如下特點;

1）每組設備單獨供電;

2）每路電源的通斷是單獨可控的;

3）支持一鍵開啟和關閉;

4）電壓支持車載12V，單路電流輸出能力為不超過20A。

1.4.3數據源

NovAtel 接收機通過 GPS 天線得到當前最新時間戳，然后通過每秒鐘觸發一次的PPS信號和時間戳GPRMC Tx信號將同步信息發送給其他設備。

1.4.4? VLP激光雷達同步

VLP 自帶的 Interface Box 中有 PPS 和 GPRMC Rx 輸入端口，直接將 Novatel的PPS和GPRMC Tx通過線束連接至相應引腳即完成VLP激光雷達的同步。

1.4.5 毫米波雷達同步

禾多 GWB 接收 Novatel PPS 和 GPRMC 信息并作處理，生成時間戳數據。同時通過 CAN 總線接收毫米波雷達信息，將時間戳信息賦值給每一幀收到的毫米波雷達檢測結果，再通過 ETH 將帶有時間戳的檢測結果上傳給工控機，即完成毫米波雷達的同步。

2 總結

無人駕駛產業的發展目前仍處于探索階段，離普及應用還有一定的距離，眾多問題亟待解決，但隨著科技的發展和網絡安全性能的提高，無人駕駛在不久的將來，即便不會完全取代人的主導地位，也至少會使日常出行變得更加方便智能。無人駕駛試驗樣車硬件改裝只是完成了整個無人駕駛系統開發工作的其中一步，前期基于現有的平臺化方案，開發機器學習算法;中期根據試驗車的調測數據和傳感器需求重新評估，利用硬件平臺模塊化設計所有的算力和傳感器可擴展能力，優化算法并確定算力需求;后期隨著處理器設計門檻的降低和對無人駕駛算法協同進化要求的提高，采用SoC芯片來完成最終可量產的高級別無人駕駛硬件系統。

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