无人驾驶车辆技术专题研究

1、智能无人驾驶汽车概述智能车辆是一个集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，它集中运用了计算机、现代传感、信息融合、无线通讯、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。目前对智能车辆的研究主要致力于提高汽车的安全性、舒适性，以及提供优良的人车交互界面。近年来，智能无人驾驶汽车己经成为世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力，很多发达国家都将其纳入到重点发展的技术领域。随着现代高新技术的迅速发展，数字化、信息化和智能化越来越多的应用到人类社会的生产、生活的各个方面，曾经只能在科普小说中看到的智能无人驾驶汽车已经不再是虚幻的，人们在不久的将来将能在现实中看见智能无人驾驶汽车。现在集各种高新技术于一体的汽车，其性能、舒适性、安全性已经取得很大进步。智能无人驾驶汽车通常具有一款高智能的计算机，它能够接收各种智能传感器传来的周围环境及汽车自身的各种信息并能高效迅速的综合整理，然后把信息传递给汽车的执行系统，从而实现自动驾驶、智能控制等功能。2、国内外研究现状智能无人驾驶汽车是以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的科技创新性设计。智能无人驾驶汽车是电子计算机等最新科技成果与现代汽车工业相结合的产物，因而“善解人意”，通常具有自动驾驶，自动变速，自动识别道路的功能，车内的各种辅助设施也实现数字化。汽车电控系统主要由路径识别、转向控制及车速控制等功能模块组成。目前，国内外相关研究机构对智能无人驾驶汽车已展开了广泛深入的研究，研制的产品技术性能不断提高，下面简要介绍一下国内外智能无人驾驶汽车研究现状。2.1国外智能无人驾驶汽车研究现状自20世纪70年代开始，欧美等发达国家开始进行智能无人驾驶汽车的研究，主要有三个研究方向：军事用途、高速公路环境和城市环境。在军事用途方面，早在80年代初期，美国国防部就大规模资助自动陆地车辆的研究。进入21世纪，为促进无人驾驶车辆的研发，从2004年起，美国国防部高级研究项目局(DARPA)开始举办机器车挑战大赛，该大赛对促进智能车辆技术交流与创新起到了很大激励作用。目前，国外对智能车辆的研究进入了深入、系统、大规模研究阶段，这一阶段的研究成果代表了当前国外智能车辆的主要发展方向。在世界科学界和工业设计界中，众多的研究机构研发的智能车辆具有代表性的有：德意志联邦大学1985年研制的VaMoRs智能原型车辆在户外高速公路上以100km/h的速度进行了测试，它使用了机器视觉来保证横向和纵向的车辆控制。1988年，在都灵的PROMRTHEUS项目第一次委员会会议上，智能车辆维塔（VITA,7t）进行了展示，该车可以自动停车、行进，并可以向后车传送相关驾驶信息。这两种车辆都配备了UBM视觉系统，这是一个双目视觉系统，具有极高的稳定性。荷兰对智能车辆的研究主要体现在工厂货物的运输，车辆使用Combiroad系统，采用无人驾驶的车辆来往返运输货物，它行驶的路面上采用了磁性导航参照物，并利用一个光阵列传感器去探测障碍。荷兰南部目前正在讨论工业上利用这种系统的问题，政府正考虑已有的高速公路新建一条专用的车道，采用这种系统将货物从鹿特丹运往各地。日本大阪大学的Shirai实验室所研制的智能小车，采用了航位推测系统（DeadReckoningSystem），分别利用旋转编码器和电位计来获取智能小车的转向角，从而完成了智能小车的定位。另外，斯特拉斯堡实验中心、英国国防部、美国卡内基梅隆大学、奔驰公司、美国麻省理工学院、韩国理工大学对智能车辆也有较多的研究。2.2国内智能无人驾驶汽车研究现状相比于国外，我国开展智能车辆技术方面的研究起步较晚，开始于20世纪80年代。而且大多数研究处在针对某个单项技术研究的阶段。虽然我国在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家，并且存在一定的技术差距，但是我们也取得了一系列的成果，主要有：（1）1992年，国防科技大学研制成功了中国第一辆真正意义上的无人驾驶汽车。由计算机及其配套的检测传感器和液压控制系统组成的汽车计算机自动驾驶系统，被安装在一辆中国国产的中型面包车上，使该车既保持了原有的人工驾驶性能，又能够用计算机控制进行自动驾驶行车。（2）2000年6月，国防科技大学研制的第4代无人驾驶汽车试验成功，最高时速达76km，创下中国最高纪录。（3）2003年7月，中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院联合研制成功我国第一辆自主驾驶轿车，研发的红旗无人驾驶轿车高速公路试验成功，自主驾驶最高稳定时速13Okm，最高峰值速度达170km/h，并且具有超车功能，其总体性能和指标达世界先进水平。（4）南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等多所院校联合研制了7B.8军用室外自主车，该车装有彩色摄像机、激光雷达、陀螺惯导定位等传感器。计算机系统采用两台Sun10完成信息融合、路径规划，两台PC486完成路边抽取识别和激光信息处理，8098单片机完成定位计算和车辆自动驾驶。其体系结构以水平式结构为主，采用传统的“感知-建模-规划-执行”算法，其直线跟踪速度达到20km/h，避障速度达到5-10km/h。（5）智能车辆研究也是智能交通系统ITS的关键技术。目前，国内的许多高校和科研院所都在进行ITS关键技术、设备的研究，社会关注度不断提高。随着ITS研究的兴起，汽车企业逐年加大了对ITS及智能车辆技术研发的投入，目前已形成一支业务精湛的ITS技术研究开发队伍。相信经过相关领域组织和人才的共同努力，我国ITS及智能车辆的技术水平一定会得到很大提高。可以预计，我国飞速发展的经济实力将为智能车辆的研究提供一个更加广阔的前景。我们应结合技术发展现状和趋势，在智能车辆关键技术领域开展深入细致的研究，为今后的发展及应用打下坚实的基础。2.3智能无人驾驶汽车发展趋势智能无人驾驶汽车巨大的发展潜力已经吸引了众多IT巨头的目光，以谷歌和苹果为代表的两家IT公司已将它们之间的战火燃烧到了汽车行业，谷歌发布的无人驾驶技术已经得到了汽车厂家的拥趸，雷克萨斯就已经搭载其技术开始路试；苹果为使新一代IOS系统的便利性得到更为广泛的应用，正在积极与本田、奔驰、日产、法拉利、雪佛兰、英菲尼迪、起亚、现代、沃尔沃、讴歌、欧宝、捷豹等12家汽车厂商合作，未来将逐步把IOS操作系统引入到各大品牌的新款车型当中。专家预测，IT业将为汽车产业带来巨大的变革，未来在智能无人驾驶汽车领域呼风唤雨的或许不再是大众、丰田、奔驰和宝马这样的传统汽车制造商，而是英特尔、苹果、谷歌这样的在互联网领域、无线通信等智能化领域占据重要位置的公司。TI企业在信息收集和智能控制方面具有技术优势，但在汽车生产制造，汽车安全、性能等方面不具备优势。因此，TI企业和汽车制造企业合作将是一个更为明智的选择，优势互补，优化资源，智能无人驾驶汽车将在不远的未来成为现实。３、智能无人驾驶汽车的分类无人驾驶汽车的研究,可以归纳为3个方面:高速公路环境、城市环境和特殊环境下的无人驾驶系统。就具体研究内容而言,3个方面相互重叠,只是技术的侧重点不同。３．１高速公路环境下的无人驾驶系统这类系统将使用在环境限定为具有良好标志的结构化高速公路上,主要完成道路标志线跟踪、车辆识别等功能。这些研究把精力集中在简单结构化环境下的高速自动驾驶上,其目标是实现进入高速公路之后的全自动驾驶。尽管这样的应用定位有一定的局限性,但它的确解决了现代社会中最为常见、危险、也是最为枯燥的驾驶环节的驾驶任务。３．2城市环境下的无人驾驶系统与高速环境研究相比,城市环境下的无人驾驶由于速度较慢,因此更安全可靠,应用前景更好。短期内,可作为城市大容量公共交通(如地铁等)的一种补充,解决城市区域交通问题,例如大型活动场所、公园、校园、工业园、机场等。但是,城市环境也更为复杂,对感知和控制算法提出了更高的要求。城市环境中的无人自动驾驶将成为下一阶段研究重点。例如,美国国防部“大挑战”目前这类环境的应用已经进入到小范围推广阶段,但其大范围应用目前仍存在一定困难,例如可靠性问题、多车调度和协调问题、与其它交通参与者的交互问题、成本问题、商业模型等。３．３特殊环境下的无人驾驶系统无人驾驶汽车研究走在前列的国家,一直都很重视其在军事和其他一些特殊条件下的应用。但其关键技术和基于高速公路和城市环境的车辆是一致的,只是在性能要求上的侧重点不一样。例如,车辆的可靠性、对恶劣环境的适应性是在特殊环境下考虑的首要问题,也是在未来推广应用要重点解决的问题。４、智能无人汽车通用技术由于智能无人驾驶汽车与现行汽车相比在结构化和非结构化条件下运行时，其信息采集和处理的数量有很大的不同，因此，对其智能化程度和水平的要求也存在很大的差别。智能无人驾驶汽车在运行过程中，是根据全部或部分已知和实时获取的环境条件信息做出相应的全局或局部路径规划，并自动地作出行为控制决策，使车辆安全可靠地运行至预定的目的地。因此，智能无人驾驶汽车的研究是多学科综合与交叉应用的边缘领域，涉及人工智能(ArtificialIntelligentTheory)、信息论(InformationTheory)、控制论(ControlTheory)以及决策论(DecisionTheory)等理论的综合，涉及到计算机技术、微电子技术、网络技术、通信技术以及机械设计等技术的应用。从总体上分析，智能无人驾驶汽车的研究方向包括标准化与体系结构、控制系统、信息及通信、信息决策和显示、导驶定位等方面。无人驾驶汽车开发的关键技术主要有两个方面:车辆定位和车辆控制技术。这两方面相辅相成共同构成无人驾驶汽车的基础。车辆定位技术是无人驾驶汽车行驶的基础。目前常用的技术包括磁导航和视觉导航等。其中,磁导航是目前最成熟可靠的方案,现大多数均采用这种导航技术。例如,荷兰阿姆斯特丹国际机场和鹿特丹的ParkShuttle系统,上海交通大学的CyberC3系统等。磁导航最大的优点是不受天气等自然条件的影响,即使风沙或大雪埋没路面也一样有效,而且便于维护。另外,通过变换磁极朝向进行编码,可以向车辆传输道路特性信息,诸如位置、方向、曲率半径、下一个道路出口位置等信息。但是,磁导航方法往往需要在道路上埋设一定的导航设备(如磁钉或电线),系统实施过程比较繁琐,且不易维护,变更运营线路需重新埋设导航设备。视觉导航就不存在这个问题。视觉导航的优点是车载计算机可以在试验样车偏离目标车道前,事先知道并预防其发生,同时当在高速公路使用时,不需要对现有的道路结构做变化,并且在混合交通中,也可使用;其缺点为,当风沙、大雾等自然因素致使能见度过低或路面上的白色标线不清晰时,导航系统会失效。但由于视觉导航对基础设施的要求很低,被公认为是最有前景的定位方法。车辆控制技术是无人驾驶汽车的核心,主要包括速度控制和方向控制等几个部分。无人驾驶其实就是用电子技术控制汽车进行的仿人驾驶。通过对驾驶员的驾驶行为进行分析可知,车辆的控制是一个典型的预瞄控制行为,驾驶员找到当前道路环境下的预瞄点,根据预瞄点控制车辆的行为。目前最常用的方法是经典的智能PID算法,例如模糊PID、神经网络PID等。除以上两个方面,无人驾驶汽车作为智能交通系统的一部分,还需要一些其它相关技术的支持,如车辆调度系统、通讯系统和人机交互系统等,最终得以实现整个交通系统的高效、安全。４.1标准化与体系结构技术智能无人驾驶汽车作为一种全新的汽车概念和汽车产品，将会成为汽车生产和汽车市场的主流产品。为了规范智能无人驾驶汽车的研究、设计、开发、生产和销售，避免将来可能发生的混乱局面和减少不必要的损失，应该在智能无人驾驶汽车出现之初，就抓紧相关标准的研究制定工作。智能无人驾驶汽车的标准化研究，应包括如下工作内容：系统功能标准；系统结构标准；质量与可靠性要求技术指标；信息与控制系统数据库技术指标；信息采集、处理与传输标准；导驶与定位技术规范；通信技术规范；智能无人驾驶汽车应用软件技术规范；安全、舒适性、环保、能耗技术规范；人机界面技术规范；与现行汽车技术规范体系