基于飛機(jī)自動駕駛的汽車自動駕駛技術(shù)路線探討

鄭喜霖

摘 要：同樣是交通領(lǐng)域，航空航天、軌道交通和陸路交通的技術(shù)發(fā)展，相互之間一直有著相輔相成的關(guān)系，在控制、安全等技術(shù)領(lǐng)域有許多共同性。例如，最早用于飛機(jī)降落制動系統(tǒng)上的ABS制動防抱死系統(tǒng)（Antilock Brake System），后期逐步也在汽車等陸路交通領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并且成為目前汽車產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)配置。所以，飛機(jī)自動駕駛技術(shù)對于未來V2X（Vehicle To Everything）等車路協(xié)同自動駕駛技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的制定與實(shí)施，都有著極其重要的參考和指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：自動駕駛;車路協(xié)同;交通管制

中圖分類號：U463.67 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

對中國汽車工業(yè)而言，自動駕駛技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定實(shí)施，特別是基于自動駕駛的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，及其陸路交通管制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)實(shí)施，是在繼新能源汽車之后，另一項(xiàng)增加中國汽車話語權(quán)的重要領(lǐng)域。

1 飛機(jī)自動駕駛技術(shù)介紹

飛機(jī)自動控制系統(tǒng)的研制和使用，已經(jīng)有近百年歷史。衛(wèi)星定位技術(shù)的應(yīng)用、電傳控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)及主動控制等先進(jìn)技術(shù)普及，使得飛機(jī)自動控制系統(tǒng)及其機(jī)場的自動駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)，已經(jīng)是在民航交通領(lǐng)域普遍使用的關(guān)鍵系統(tǒng)。

1.1 飛機(jī)主要自動駕駛系統(tǒng)及原理介紹

1.1.1 飛機(jī)著陸階段自動駕駛

飛機(jī)的飛行過程中，飛機(jī)著陸階段是非常復(fù)雜的飛行過程，在此階段對飛機(jī)駕駛員、飛機(jī)及飛行安全的要求最高的，其中飛機(jī)的所有狀態(tài)都必須保持高精度精進(jìn)，才能實(shí)現(xiàn)安全的自動著陸。

目前的民航機(jī)場提供的地面自動駕駛著陸系統(tǒng)，大體可分為：

（1）VOR甚高頻全向信標(biāo)著陸系統(tǒng)（Very High Frequency Ommi-directional Range也稱非精密進(jìn)近）;

（2）ILS儀表著陸系統(tǒng)（Instrument Landing System也稱精密進(jìn)近）;

（3）微波著陸系統(tǒng);

（4）全球定位系統(tǒng)。

目前國際上民航機(jī)場應(yīng)用和建設(shè)最多的是具備VOR和ILS系統(tǒng)能力的導(dǎo)航系統(tǒng)。地面ILS與VOR導(dǎo)航系統(tǒng)是使用的一套儀表，基本原理類似。

以ILS地面導(dǎo)航系統(tǒng)為例，利用ILS進(jìn)行自動駕駛著陸，需要地面（機(jī)場）和飛機(jī)同時具備硬件及軟件條件。其中地面設(shè)備要具有LOC水平引導(dǎo)、G/S垂直引導(dǎo)、MB距離引導(dǎo)三大功能。

飛機(jī)的機(jī)載設(shè)備要具有VHF、NAV接收機(jī)等。飛機(jī)通過接收LOC水平引導(dǎo)、G/S垂直引導(dǎo)、MB距離引導(dǎo)信號，確定飛機(jī)跑道、航向面、下滑面、下滑線、下滑角度等完成著陸階段的自動駕駛。

ILS原理是地面系統(tǒng)通過無線電信號在空中構(gòu)建了一個看不見的虛擬空中走廊，飛機(jī)的ILS通過接收機(jī)場各系統(tǒng)信號，按照此空中走廊進(jìn)行降落飛行。

1.1.2 飛機(jī)巡航階段自動駕駛

飛機(jī)巡航，指飛機(jī)完成起飛階段進(jìn)入預(yù)定航線后的飛行狀態(tài)。其特點(diǎn)是，一定時間內(nèi)固定航向、固定航速、固定高度的飛行姿態(tài)。

但與汽車自動駕駛不相同的地方是，其航向、航速、高度等數(shù)據(jù)，會有地面分布的航路空管中心檢測其飛行數(shù)據(jù)信息，當(dāng)出現(xiàn)突然的飛行數(shù)據(jù)變化時，會提醒飛機(jī)駕駛員對飛機(jī)進(jìn)行接管。

1.1.3 空中交通管制

空中交通管制，指國家對領(lǐng)空或某一空域一切飛行活動實(shí)施的統(tǒng)一監(jiān)督、管理和控制的總稱，又稱航空管制。管制方法分為程序管制和雷達(dá)管制。

程序管制：對設(shè)備要求較低，主要是地空通話設(shè)備。管制員通過飛行員的位置報(bào)告，分析和了解與飛機(jī)間的位置關(guān)系，推斷空中交通狀況和變化趨勢，向飛機(jī)發(fā)布放行許可，指揮飛機(jī)飛行。

雷達(dá)管制：雷達(dá)管制員根據(jù)雷達(dá)顯示，了解管制雷達(dá)覆蓋區(qū)域內(nèi)所有航空器精確位置等信息，主動指揮飛機(jī)的飛行活動。現(xiàn)有的二次檢視雷達(dá)與應(yīng)答機(jī)等相配合，甚至能識別出飛機(jī)的標(biāo)牌、編號、航班號、高度和運(yùn)行軌跡等諸多信息。

1.2 飛機(jī)自動駕駛特點(diǎn)總結(jié)

機(jī)場的著陸系統(tǒng)，會實(shí)時向飛機(jī)提供其必要的飛行數(shù)據(jù)信息，如位置、角度、下降速度、高度等信息，并且直接給出非常重要的例如機(jī)場坐標(biāo)、方向等信息，輔助飛機(jī)機(jī)載計(jì)算機(jī)（或飛機(jī)飛行員）做出判斷和控制。

空中交通管制系統(tǒng)，是飛機(jī)飛行重要的保障系統(tǒng)，其包含了通信、導(dǎo)航、情報(bào)、氣象等保障子系統(tǒng)，為飛機(jī)的有序、高效、安全飛行提供了重要支撐。

所以，飛機(jī)著陸階段及巡航階段，地面空中交通管制系統(tǒng)和設(shè)施，為飛機(jī)的自動駕駛提供了重要的信息支持，并為飛行員駕駛飛機(jī)提供了重要的信息保障。

2 汽車自動駕駛技術(shù)特點(diǎn)

2.1 汽車自動駕駛技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成

目前的汽車自動駕駛技術(shù)系統(tǒng)，均以車載自動駕駛系統(tǒng)為主，其車載系統(tǒng)的功能主要包括環(huán)境與道路感知、自動駕駛決策、車輛控制執(zhí)行共計(jì)三個部分。也有文獻(xiàn)會將汽車車載自動駕駛系統(tǒng)分為感知、決策、規(guī)劃、控制四部分，無非是將決策的軟件也就是算法部分，與硬件計(jì)算機(jī)平臺給分開而已。

環(huán)境與道路感知：目前汽車自動駕駛的感知系統(tǒng)，是由單一或多種傳感器的感知融合來實(shí)現(xiàn)。通常把他理解為硬件，如激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、視覺傳感器（攝像頭）、導(dǎo)航及定位系統(tǒng)等傳感器設(shè)備，另外還有高精度地圖等配套軟件信息。

自動駕駛決策：自動駕駛決策包括軟件和硬件，即算法和計(jì)算機(jī)平臺。計(jì)算平臺可以理解為自動駕駛決策的硬件單元。

車輛控制與執(zhí)行：可以理解為自動駕駛車輛的控制。目前自動駕駛車輛采用的線控底盤技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)線控轉(zhuǎn)向、線控制動、線控?fù)Q擋、線控油門、線控懸掛等功能。通過線控技術(shù)可實(shí)現(xiàn)車輛精準(zhǔn)、實(shí)時的完成自動駕駛決策指令。

2.2 汽車自動駕駛的實(shí)現(xiàn)

2.2.1 環(huán)境感知及車輛定位

首先，汽車要實(shí)現(xiàn)自動駕駛，需要其感知系統(tǒng)高度發(fā)達(dá)，也就是要裝備多種傳感器。目前主流的自動駕駛感知系統(tǒng)，都是通過GPS（Global Positioning System全球定位系統(tǒng)）/IMU（Inertial Measurement Unit，慣性測量單元，俗稱慣性傳感器）、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭等傳感器部件，對車輛位置、環(huán)境、路況、行人、交通標(biāo)志、交通信號等進(jìn)行感知。

通過上述感知與定位，車載計(jì)算機(jī)對傳感器傳遞信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)語言，由自動駕駛決策計(jì)算機(jī)平臺進(jìn)行識別，根據(jù)算法進(jìn)行計(jì)算。

（1）定位系統(tǒng)。GPS定位系統(tǒng)目前在各行各業(yè)，均已普及使用，技術(shù)門檻低，使用難度小，并且具有其芯片功耗低、不容易受天氣原因影響等優(yōu)點(diǎn)，但是其缺點(diǎn)也很明顯，主要是刷新率低（約10 Hz），并且定位精度低，一般達(dá)到米級精度，且在動態(tài)也就是車輛快速行駛過程中，會出現(xiàn)定位半徑擴(kuò)大，數(shù)據(jù)失真較多等缺點(diǎn)。特別是在進(jìn)入隧道或地下停車場等道路時，GPS將失去信號。相比較GPS傳感器，IMU傳感器的優(yōu)點(diǎn)是刷新率高，又不受隧道或地下等因素影響。但是IMU傳感器的缺點(diǎn)也十分明顯，其隨時間推移其的累積誤差，會越來越大。

所以，目前的解決方案是通過GPS和IMU傳感器雙重融合互補(bǔ)，再加上其他室內(nèi)輔助定位技術(shù)，對自動駕駛定位技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充。

（2）激光雷達(dá)。激光雷達(dá)，通過發(fā)射激光束探測目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。不同于現(xiàn)在乘用車已經(jīng)普及的超聲波雷達(dá)感知距離近的缺點(diǎn)，也不同于毫米波雷達(dá)感知精度有限的缺點(diǎn)，激光雷達(dá)具有感知距離更遠(yuǎn)，受環(huán)境因素影響更低，感知點(diǎn)云更精確等優(yōu)點(diǎn)。

（3）高清攝像頭。攝像頭是以特斯拉為代表自動駕駛環(huán)境感知方案。其特點(diǎn)是技術(shù)成熟，成本較低，適合大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)營。其缺點(diǎn)是易受電磁及環(huán)境光線等干擾，動態(tài)范圍小，對計(jì)算要求高，可能會出現(xiàn)延遲等。

2.2.2 自動駕駛決策

隨著Soc系統(tǒng)級芯片（System On a Chip）技術(shù)的高速發(fā)展應(yīng)用，自動駕駛決策芯片的算力越來越高，且成本越來越低。在硬件高速發(fā)展的同時，自動駕駛的真正門檻就體現(xiàn)在自動駕駛的決策層，也就是算法當(dāng)中。

路徑規(guī)劃是汽車實(shí)現(xiàn)自動駕駛的基礎(chǔ)，其主要決策場景分兩種：全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃。

全局路徑規(guī)劃，基礎(chǔ)是解決從自動駕駛汽車從A點(diǎn)到B點(diǎn)的行駛路徑，其路徑特點(diǎn)是可通過的優(yōu)化路徑狀況。由于其規(guī)劃特點(diǎn)限制，其規(guī)劃路徑只是從A點(diǎn)到B點(diǎn)的粗略路徑，并不能完全考慮諸如路徑寬度、曲率、高度、路障，特別是諸如實(shí)時變化的路況等信息。

因此，在自動駕駛路徑計(jì)算中，必須結(jié)合周邊實(shí)時感知信息及其車輛狀態(tài)，規(guī)劃出一條安全、合法、高效的理想狀態(tài)的局部路徑。而局部路徑的規(guī)劃，就對上述的環(huán)境感知的信息要求比較高，其對數(shù)據(jù)刷新率的要求是以毫秒為單位來計(jì)算的。所以對局部路徑計(jì)算的要求，在具備準(zhǔn)確性、及時性的同時，有要求具備“前瞻性”，也就是對周圍環(huán)境變化進(jìn)行預(yù)判，例如周邊和行人車輛方向的矢量計(jì)算等。為此出現(xiàn)了諸如Dijkstra算法、Lee算法、 Floyd算法、啟發(fā)式搜索算法、雙向搜索算法、蟻群算法等。但由此帶來的數(shù)據(jù)計(jì)算將是海量的，大大增加了前期自動駕駛方案的制定難度，也增加了自動駕駛車載計(jì)算量和決策難度。

2.2.3 自動駕駛控制和執(zhí)行

跟蹤環(huán)境感知的輸入，決策規(guī)劃計(jì)算出可執(zhí)行軌跡目標(biāo)。根據(jù)此目標(biāo)，自動駕駛控制和執(zhí)行系統(tǒng)，控制車輛的油門、剎車和轉(zhuǎn)向等駕駛動作，調(diào)節(jié)車輛行駛的速度、位置和方向等，以實(shí)現(xiàn)駕駛安全、操縱和穩(wěn)定。高級的自動駕駛也會將乘駕舒適性指標(biāo)加入控制和執(zhí)行系統(tǒng)當(dāng)中。

2.3 汽車自動駕駛技術(shù)特點(diǎn)總結(jié)

環(huán)境感知與識別技術(shù)，是目前汽車實(shí)現(xiàn)自動駕駛的重要瓶頸之一。因此，在目前自動駕駛的解決方案中，很多是多種傳感器配合，組成冗余系統(tǒng)，對環(huán)境進(jìn)行感知及探測識別。此種解決方法的好處是，能夠兼顧不同傳感器特點(diǎn)，為自動駕駛決策系統(tǒng)提供準(zhǔn)確、實(shí)時的信息來源。但基于車載傳感器的冗余系統(tǒng)的缺點(diǎn)依然顯而易見：

一是傳感器成本高。二是傳感器能接受的信息很多，增加自動駕駛決策系統(tǒng)的無效計(jì)算量和計(jì)算誤差。三是基于人類視覺信號的交通標(biāo)識，如斑馬線、限速標(biāo)記等交通基礎(chǔ)設(shè)施信號標(biāo)準(zhǔn)不一，就需要自動駕駛車輛先將不同制式和標(biāo)準(zhǔn)的交通標(biāo)識，轉(zhuǎn)換成基于機(jī)器視覺的信號，再由自動駕駛決策系統(tǒng)進(jìn)行處理。這樣做直接增加了自動駕駛決策系統(tǒng)的計(jì)算量等。

3 飛機(jī)自動駕駛系統(tǒng)的啟示

3.1 空中交通管制全面參與飛行活動

飛行領(lǐng)域的空中交通管制，全程參與飛機(jī)的飛行活動。為保證飛機(jī)飛行安全及空中的飛行秩序，將空域劃分為包括：航路、進(jìn)近、塔臺、等待、飛行情報(bào)管理等不同的管理區(qū)域，并按照不同區(qū)域范圍劃分和管理飛機(jī)的飛行行為。

并且目前的空中管制系統(tǒng)，均由計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，由現(xiàn)代化的管制設(shè)備，包括通信設(shè)備，覆蓋遠(yuǎn)程、進(jìn)程和進(jìn)場著陸的導(dǎo)航設(shè)備，及其覆蓋空域的雷達(dá)檢測設(shè)備等。

3.2 飛機(jī)自動駕駛對系統(tǒng)硬件要求并不高

對于飛機(jī)本身而言，機(jī)載的自動駕駛系統(tǒng)能力可能千差萬別，但是理論上滿足上述自動駕駛系統(tǒng)條件，就可以大大減輕飛行員工作壓力，減少誤判，實(shí)現(xiàn)安全飛行。并且按照目前空中交通管制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)行模式，對機(jī)載自動駕駛系統(tǒng)的硬件可靠性要求很高，對其算力水平要求卻很低。

4 未來汽車自動駕駛技術(shù)路線探討

4.1 V2X是目前汽車自動化駕駛技術(shù)的優(yōu)秀解決方案

V2X車與萬物互聯(lián)（Vehicle to X），是運(yùn)用信息技術(shù)，建立車輛與其他交通參與者，如其他車輛、信號基站、信號基站之間的通信，是車輛實(shí)時獲得路況、道路信息、行人信息等一系列交通信息，從而提高駕駛安全性、減少擁堵、提高交通效率等的技術(shù)。

目前我國主推的C-V2X基于蜂窩的車與萬物互聯(lián)（Cellular Vehicle-to-Everything）標(biāo)準(zhǔn)，依靠現(xiàn)有完善的LTE網(wǎng)絡(luò)，完美解決了汽車自動駕駛基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)所需的資金和周期問題，具有良好兼容性和擴(kuò)展性，能夠很好的覆蓋近距離、遠(yuǎn)距離的信息傳遞等。

4.2 基礎(chǔ)設(shè)施參與汽車自動化駕駛管制

道路基礎(chǔ)設(shè)施、自動駕駛系統(tǒng)、V2X標(biāo)準(zhǔn)等的技術(shù)的主旨，是為降低駕駛員工作強(qiáng)度、減少交通事故、提高運(yùn)輸質(zhì)量與效率等。因此，作為自動駕駛重要一環(huán)的道路基礎(chǔ)設(shè)施亟待升級，使其具備V2X基礎(chǔ)通訊能力的同時，還要具備以下功能：交通信號數(shù)字化;工作區(qū)警告;緊急、優(yōu)先通行通知;可變信號標(biāo)識等。

以C-V2X為例，后續(xù)還可為車輛提供諸如：道路封閉、施工、交通事故、異常行駛車輛、潛在危險（車輛視線外、不可見危險、異常氣候等）、應(yīng)急車輛、行人等信息。可大大減少自動駕駛感知傳感器數(shù)量，減少車載自動駕駛計(jì)算量等。

目前的道路交通基礎(chǔ)設(shè)施，例如紅綠燈，限速、限行標(biāo)志等，還是基于人類視覺，而非機(jī)器能夠直接讀取的信號。并且目前信息的識別和獲取，大部分是基于車載系統(tǒng)進(jìn)行的，一是對車載系統(tǒng)的算力要求較高，并且有大部分算例是浪費(fèi)在信息獲取和識別上。二是大量無效信息也被車載系統(tǒng)獲取，然后也經(jīng)過識別工作，再進(jìn)行識別和篩選最終被驗(yàn)證無效。

未來的交通設(shè)施，要給自動駕駛車輛提供能夠直接讀取、符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號。如果未來V2X們成為汽車自動駕駛的主要技術(shù)路線，那么可預(yù)見的未來，自動駕駛汽車的開發(fā)和制造者們的工作重點(diǎn)，將像航空行業(yè)一樣，主要圍繞信息利用開展工作即可。另外，借助強(qiáng)大自動駕駛道路基礎(chǔ)設(shè)施，消費(fèi)者也不用為冗余的傳感器系統(tǒng)買單。

4.3 未來自動駕駛的發(fā)展“云端”

以航空行業(yè)為例，其空中交通管制系統(tǒng)，為飛機(jī)的自動駕駛和飛行做了大量工作，并提供了重要飛行數(shù)據(jù)。未來汽車的自動駕駛，也可以將重要的感知甚至決策工作，放到“陸路交通管制系統(tǒng)”去感知和計(jì)算，而自動駕駛車輛僅僅通過接受“陸路交通管制系統(tǒng)”的指令，進(jìn)行自動駕駛控制即可。

為滿足不同路況的需求，也可參照空中交通管制系統(tǒng)，將汽車自動駕駛的管制按照不同路況進(jìn)行管制：

（1）高速公路管制，提供基于高速公路特征的交通管理，提供不同的信號、提醒、預(yù)警和控制模式。如超速/低速、疲勞駕駛、車距自適應(yīng)保持等行為進(jìn)行管理控制;

（2）城市道路管制，提供復(fù)雜的路口、行人、車輛交通管理。如超車、變道、限行、限速等行為管理;

（3）特殊道路管制，提供施工、封路、禁區(qū)預(yù)警，要求駕駛員接管等行為控制和管理等。

通過自動駕駛汽車及陸路交通管制系統(tǒng)的配合發(fā)展，將大大降低交通事故發(fā)生率，提高通行效率，降低駕駛員工作強(qiáng)度等，并能降低自動駕駛汽車開發(fā)難度，減少社會資源浪費(fèi)。也只有自動駕駛汽車和陸路交通管制系統(tǒng)的同時發(fā)展，才能真正做到“解放駕駛員”，使車輛使用者變成“乘客”。

5 總結(jié)

本文通過研究飛機(jī)自動駕駛系統(tǒng)及空中交通管制系統(tǒng)，及汽車自動駕駛系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，對汽車自動駕駛的應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行分析，分析其優(yōu)缺點(diǎn)等。并根據(jù)目前的技術(shù)發(fā)展，結(jié)合飛機(jī)空中交通管制系統(tǒng)的優(yōu)勢，對未來汽車自動駕駛技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了闡述，并提出“陸路交通管制系統(tǒng)”的概念，以期為汽車早日實(shí)現(xiàn)全面自動駕駛，提供一種可能。

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