無人駕駛智能物流大卡開發(fā)設(shè)計

吳靜茹 陳丹紅 王曉奕 孫辰權(quán)一 程文曼

（沈陽航空航天大學安全工程學院，遼寧 沈陽110136）

1 研究背景

“WR 駕駛”是伴隨5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一輪技術(shù)發(fā)展所衍生的一項前沿科技。Uber 已使用WR 駕駛智能物流大卡在亞利桑那州全境送貨。蘇寧、京東等國內(nèi)電商企業(yè)也相繼推出了其L4 級別完全無人重卡研發(fā)計劃。

我國目前在無人駕駛技術(shù)上已經(jīng)頗有成就，車輛線控技術(shù)的發(fā)展成熟為WR 駕駛奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，車輛動態(tài)執(zhí)行機構(gòu)動力學由多個電控單元控制，控制元素分布在控制單元（ECU）及執(zhí)行模塊中，并具備高可靠性及可用性。

2 設(shè)計原理

圖1 系統(tǒng)流程

無人駕駛智能物流大卡的目標是L4 級WR 駕駛，當前WR駕駛物流卡車是感知、決策+互聯(lián)、執(zhí)行三個系統(tǒng)的高效配合來實現(xiàn)WR 駕駛。此方案，多傳感器的融合技術(shù)、人工智能深度學習技術(shù)、視覺分析系統(tǒng)技術(shù)、車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、決策規(guī)劃技術(shù)、線控改造技術(shù)、高精度定位技術(shù)、高精度GIS 地理信息技術(shù)、車況診斷技術(shù)以及天氣路況預(yù)測技術(shù)等都是需要突破。最重要的，WR駕駛的實現(xiàn)要依賴于特殊場景進行針對性的開發(fā)落地和道路基建設(shè)計。

2.1 WR 駕駛智能物流大卡道路基建設(shè)計

建設(shè)WR 駕駛智能物流大卡物流專用車道，要能夠?qū)崿F(xiàn)車路協(xié)同和自動駕駛。通過云計算、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合，實現(xiàn)對車道透徹全面、實時準確的感知，掌握每段路、每輛車和每個結(jié)構(gòu)物的現(xiàn)狀并精準預(yù)測發(fā)展趨勢，這些感知到的數(shù)據(jù)要通過穩(wěn)定、大帶寬高速公路通信專網(wǎng)進行傳輸。

道路設(shè)施建設(shè)內(nèi)容包括以下幾個方面：設(shè)置WR 駕駛專用車道；沿線部署高速率、低延時、高可靠的全覆蓋網(wǎng)絡(luò)；加強泛在綜合感知設(shè)施裝備的布設(shè)，滿足車路協(xié)同式自動駕駛需求；服務(wù)區(qū)建設(shè)太陽能產(chǎn)能系統(tǒng)，部署電動汽車充電樁。

2.2 WR 駕駛智能物流大卡產(chǎn)品設(shè)計

WR 駕駛智能物流大卡產(chǎn)品設(shè)計包括牽引車系列廂式車系列、自動裝卸系統(tǒng)。其中自動裝卸系統(tǒng)可在汽車、快消品、冷鏈、郵政快遞等行業(yè)廣泛應(yīng)用。

2.3 WR 駕駛智能物流大卡的感知系統(tǒng)

感知系統(tǒng)的輸入設(shè)備具體包括光學攝像頭（AI 攝像頭）、激光雷達、微波雷達、GPS 高精度定位、慣性導航系統(tǒng)等。光學攝像頭和激光雷達測量共同為WR 駕駛智能物流大卡提供完整準確的外部信息。光學AI 攝像頭采用光學紅外攝像頭與激光攝像頭結(jié)合，可完全應(yīng)對大雨、大霧等惡劣天氣；雷達方面我們采用激光雷達+毫米波雷達+超聲波雷達相結(jié)合的方式，并且在雷達上加裝保護罩，保障雷達清潔，防止灰塵、泥土等對雷達的干擾。

圖2 環(huán)境感知

2.4 WR 駕駛智能物流大卡的決策系統(tǒng)

決策系統(tǒng)接收感知系發(fā)送過來的環(huán)境信息圖，結(jié)合任務(wù)和先驗知識，推導出WR 駕駛智能物流大卡的行駛軌跡，發(fā)送給控制系統(tǒng)（圖3）。

2.5 WR 駕駛智能物流大卡的執(zhí)行控制系統(tǒng)

執(zhí)行控制系統(tǒng)接收決策系統(tǒng)生成的車輛行駛軌跡，實現(xiàn)路徑跟隨，生成可被執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行的控制指令，并將指令發(fā)送給執(zhí)行系統(tǒng)。控制系統(tǒng)輸入信號為期望軌跡（含速度）信息和車輛狀態(tài)信息。輸出信號為方向盤角度信號、油門信號、制動信號的控制指令（圖4）。

圖3 決策系統(tǒng)框架圖

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.6 WR 駕駛智能物流大卡的線控技術(shù)

WR 駕駛感知識別、決策規(guī)劃、控制執(zhí)行三個核心系統(tǒng)中，和傳統(tǒng)汽車零部件行業(yè)貼合最近的就是控制執(zhí)行端，包括驅(qū)動控制、轉(zhuǎn)向控制、制動控制等。線控底盤有五大系統(tǒng)，線控轉(zhuǎn)向、線控制動、線控換擋、線控油門、線控懸掛。而轉(zhuǎn)向和制動則是面向自動駕駛執(zhí)行最核心的產(chǎn)品，其中制動技術(shù)難度更高。

2.7 決策與控制中心設(shè)計

上層中心可實時的定位車輛以及感知道路的具體情況，并結(jié)合車輛自身的感知，實時的采集道路、車輛的整體與個體信息。同時，集成利用5G 通訊技術(shù)、AI 人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算以及量數(shù)據(jù)挖掘等最前沿的技術(shù)手段對WR 駕駛智能物流大卡進行全局性、總覽性、預(yù)測性以及規(guī)劃性的總體決策與控制。

2.7.1 上層人機交互與UI 展示

WR 駕駛物流車輛的上層人機交互，包括人為指令的下達、數(shù)據(jù)的調(diào)取、數(shù)據(jù)的分析展示等需要通過主控計算機、主控大屏以及友好的UI 界面進行展示。方便指揮管理人員總覽整個WR 駕駛系統(tǒng)的運行情況。

2.7.2 應(yīng)急接管平臺

作為WR 駕駛系統(tǒng)的必備控制手段，遠程接管遙控駕駛在處理緊急突發(fā)情況時發(fā)揮著重要的作用。中心應(yīng)具備多工位的遙控駕駛平臺，當WR 駕駛系統(tǒng)中的某些車輛出現(xiàn)特殊情況時，且必須人工干預(yù)的情況下，可由上層中心遠程快速接管駕駛這些車輛，同時控制車輛的一系列行駛行為。

2.7.3 系統(tǒng)穩(wěn)定運行保障機制

為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運行，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的狀態(tài)監(jiān)測以及故障報警，尤其是針對5G 基站、差分基準站、路基傳感器、攝像頭等重要設(shè)備。

異地容災(zāi)系統(tǒng)（包括軟硬件異地容災(zāi)，包含服務(wù)器、關(guān)鍵服務(wù)和關(guān)鍵數(shù)據(jù)庫容災(zāi)）。

云服務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)安全機制。

3 創(chuàng)新特色

系統(tǒng)應(yīng)用車路協(xié)同的方式，將卡車與道路環(huán)境的個體信息與總體信息做綜合采集，通過無人機以及SLAM等技術(shù)實時的生成的高精度地圖。同時道路全覆蓋5G 通訊基站、視頻監(jiān)控、氣象傳感器等設(shè)備。在大數(shù)據(jù)以及AI 人工智能的支撐下，云服務(wù)中心綜合指揮與控制WR 駕駛的行駛、預(yù)警、健康監(jiān)測、維修保養(yǎng)、生產(chǎn)指揮等調(diào)度與管理。

4 應(yīng)用前景

隨著5G、人工智能、大數(shù)據(jù)和云計算等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，WR 駕駛研究已經(jīng)蓬勃興起，WR 駕駛智能物流大卡已成為當下研究的熱點，目前WR 駕駛智能物流大卡已成功在礦山、物流園區(qū)、港口等可控的封閉場景實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。建立智慧化物流通道，構(gòu)建快速暢通的貨運物流道路體系已成為發(fā)展趨勢。

物流卡車作為現(xiàn)代交通貨物運輸?shù)闹匾ぞ撸诮?jīng)濟發(fā)展中起著舉足輕重的作用，加速研究開發(fā)“WR 駕駛智能物流大卡”打造智能物流通道工程，將智能網(wǎng)聯(lián)WR 駕駛智能物流大卡技術(shù)與物流通道結(jié)合，實現(xiàn)智能物流，此舉將是WR 駕駛推動新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要抓手。