无人驾驶汽车关键技术研究

无人驾驶汽车的关键技术研究摘要：对无人驾驶汽车及其关键技术进行了研究。概括性描述了无人驾驶汽车的定义、意义及国内外研究现状，论述了无人驾驶汽车中应用到的环境感知、障碍规避、路径规划、车辆控制等关键技术，详细论述了自动避障系统的数据采集、数据处理、数据执行模块从而阐明了其工作原理及工作过程，对无人驾驶汽车的未来做出了合理展望。关键词：无人驾驶汽车；自动测距；自动避障KeyTechnologyResearchofDriver-lessCarAbstract：Abstract:Thedriver-lesscaranditskeytechnologiesarestudied.Generaldescriptionofthedefinition,significanceandresearchstatusathomeandabroadofunmannedvehicles,discussestheapplicationofkeytechnologyinunmannedvehicleslikeenvironmentalawareness,obstacleavoidance,pathplanningandvehiclecontrol.Theautomaticcollisionavoidancesystemofdataacquisition,dataprocessing,dataexecutionmodulearediscussedindetailwhichclarifyitsworkingprincipleandworkingprocess,inadditiontomakeareasonablefutureprospectsoftheunmannedvehicle.Keywords：driver-lesscar;automaticlocation;automaticobstacleavoidance1引言随着社会的进步，汽车工业的不断发展，如今越来越多的普通家庭都拥有了汽车，这使得全世界汽车保有量飞速增加。汽车一方面让我们的出行变得更加方便快捷，另一方面却也给我们的生活带来了诸多不利，汽车造成的交通事故、交通堵塞给人类带来了极大的生命与财产损失。在这样的背景之下无人驾驶汽车横空出世，无人驾驶汽车集成了大量最顶尖的科学技术，使汽车能够做到完全的无人驾驶，并保证绝对的行车安全，无人驾驶汽车一定会在不久的将来得到广泛的普及。2无人驾驶汽车概述2.1无人驾驶汽车定义国际标准化组织ISO、美国汽车工程师学会SAE、中国国标GB等国内外权威机构均未给出无人驾驶汽车的确切定义。通过中外学者对无人驾驶汽车认识的总结可以大致得出无人驾驶汽车的定义，无人驾驶汽车是在传统汽车基础之上发展起来的，通过给车辆装备智能软件和多种感应设备，包括车载传感器、雷达、GPS以及摄像头等，实现车辆的自主安全驾驶，安全高效地到达目的地并达到完全消除交通事故的目标，是集自动控制技术、传感技术、人工智能技术、视觉计算等众多技术于一体的新型智能汽车，是计算机科学、模式识别和智能控制技术高度发展的产物。2.2无人驾驶汽车意义研究表明，有70%的交通事故是由于人们自己的原因照成的，汽车智能化、自动化程度越高人类参与驾驶的程度越少，汽车就越安全。近些年来发展起来的各种先进技术如ABS防抱死系统、TCS牵引力控制系统、倒车雷达系统、自适应巡航系统等，这些技术一方面使人们对汽车的操控越来越简化，同时也使汽车变得越来越安全。无人驾驶汽车从根本上解决了这一问题，无人驾驶汽车车顶上装有俯视摄像头——汽车的“眼”[3]，它能自动识别路面上的白黄线及交通标识，从而准确判断行车方向与汽车所处方位。汽车前方安装有激光测距仪及雷达，它时刻扫描着车周围环境，比如汽车前、后方车辆的位置与行车状况，路上行人、障碍物等，这就像汽车有了嗅觉灵敏的“鼻”。另外，无人驾驶汽车有着强大的计算机系统，能够随时高效的处理汽车各个传感器发送过来的信息，这又是无人汽车的“大脑”。机器出错的机会是小于人脑的，并且速度更快反应更加灵敏，也不会受到天气、环境的影响，避免了一切由于人为因素所造成的交通事故。另外，无人驾驶汽车能够准确的识别交通信号灯与路面标识并严格按预设程序执行，故在城市拥堵道路上行驶更加规范从而避免了交通堵塞的发生。2.3国内外研究状况2.3.1国外研究状况美国是世界上研究无人驾驶车辆最早、水平最高的国家之一[1]。早在20世纪80年代，美国就提出自主地面车辆计划，这是一辆8轮车，能在校园的环境中自主驾驶，但车速不高。卡耐基梅隆大学、麻省理工学院等都先后于20世纪80年代开始研究无人驾驶车辆。1995年美国卡耐基梅隆大学研制的无人驾驶汽车,完成了横穿美国东西部的无人驾驶试验。在全长5000km的美国州际高速公路上，整个实验96%以上的路程是车辆自主驾驶的，车速达50~60km/h。德国于1987年研制成功的无人驾驶汽车VaMoRs-M，在号称世界上最规范的德国高速公路上进行了无人驾驶实验。在德国军方的护送车队及直升飞机的保障下，它创下了97km/h的最高时速。随后的几年，德国国防军大学的VaMoRs-M系列无人驾驶汽车一直保持着无人驾驶车辆研究领域时速上的世界纪录。日本丰田汽车公司在2000年开发出无人驾驶公共汽车。这套公共汽车自动驾驶系统主要由道路诱导、车队行驶、追尾防止和运行管理等方面组成。安装在车辆底盘前部的磁气传感器将根据埋设在道路中间的永久性磁石进行导向，控制车辆行驶方向[5]。2010年谷歌公司研制的无人驾驶车辆开始了城市道路的行驶测试，截止2012年8月8日，这些无人驾驶汽车已经安全行驶了30万英里超过了大部分普通轿车的生命周期，如图2-1所示。2012年，美国内华达州机动车辆管理局为一辆搭载谷歌智能驾驶系统的汽车颁发了牌照，使得无人驾驶汽车开始真正驶入普通人的视线。图2-1谷歌无人驾驶汽车2.3.2国内研究状况我国无人驾驶汽车研究开始较晚[2][3]，步伐较之欧美国家也略为落后。1980年，“遥控驾驶的防核化侦察车”由国家立项1989年，我国首辆智能小车在国防科技大学诞生1992年，2000年4月，国防科技大学研制的第4代无人驾驶汽车试验成功。2003年，在中国第一汽车集团公司的赞助下，国防科技大学完成的红旗旗舰CA7460无人驾驶平台试验，标志着我国第一辆自主驾驶汽车的诞生。2011年7月14日，国防科技大学研制的红旗HQ3无人驾驶汽车（如图2-2所示），首次完成了从长沙到武汉289km的高速全程无人驾驶试验。2012年12月，由军事交通学院研制的无人驾驶智能汽车，从北京台湖收费站启程，用一个小时左右到达天津东丽收费站，全程行驶114km成功完成高速公路测试，成为我国第一辆官方认证完成高速公路测试的无人驾驶智能汽车。图2-2国防科大无人驾驶车辆-红旗HQ33无人驾驶汽车关键技术无人驾驶汽车研究之关键主要可以分为两大类技术[4]，一种是车辆定位技术，一种是车辆控制技术。3.1环境感知无人驾驶汽车由于无人操纵汽车，故无人汽车上必须装备一整套完备的环境感知模块[6]，这个模块要能够完美的替代人类的眼、耳，并且采集、传输信号快速迅捷。现今具有代表性的无人驾驶汽车对周围环境的感知主要是以测距传感器及视觉（摄像头）相结合。例如谷歌无人驾驶汽车就是通过摄像机、雷达传感器和激光测距来“看到”其他车辆。现着重介绍在各个无人驾驶汽车上广泛使用的超声波测距及激光雷达测距。3.2障碍规避如今汽车不停的朝着智能化、高速化发展，特别是在高速公路上，汽车时速超过120公里非常平常，这样一旦发生事故，留给人们的反应时间就非常短暂。有统计显示，汽车追尾占高速公路交通事故的绝大多速，高速公路连环追尾事故也时有发生。究其根源，这往往就是车速过快，人的大脑、身体来不及反应所造成的，汽车自动防碰撞系统就是为了解决这一问题而问世的。无人驾驶汽车是高度的智能化汽车，它所具备的自动避障能力也是在现有的自动防撞系统基础之上发展起来的。汽车自动防撞报警刹车系统的总体方案设计包括数据采集、数据处理、动作执行[8]三个部分。数据采集模块的任务就是采集各种要实现自动防撞的数据，数据处理模块的任务是分析汽车前方是否存在危险并发出相应的报警或刹车命令，动作执行模块的任务是具体执行报警或强行刹车的动作。3.2.1数据采集模块要想实现汽车的自动规避障碍，汽车必须能够获得大量的汽车行车状态、位置等一系列数据，比如本车的车速、轮速、纵向加速度、横摆角速度、转向角等，本车与周围车辆的相对速度、加速度、距离，本车与周围环境内物体的距离等等。这些数据可以由各类传感器、摄像头、雷达等设备获得[9]。这里列举出了一些必备传感器及其常见安装位置，见表3-1。表3-1传感器及其安装位置传感器名称常见安装位置轮速传感器车轮总成的非旋转部分加速度传感器汽车发动机或行李箱内距离传感器发动机盖上前侧转向角传感器转向轴管上制动动作传感器制动踏板支架处3.2.2数据处理模块（1）数据处理流程为了合理的实现汽车自动报警刹车，可以采用单片机处理数据，数据处理流程如图3-1所示。汽车自动报警刹车系统启动后，首先判断汽车绝对速度是否大于20km/h，因为汽车低速行驶时一般不会发生交通事故，这个阀值也可以根据实际情况修正[9]。如果汽车速度大于20km/h，则判断汽车以目前的速度行驶，将会发生碰撞的时间是否是小于4秒，如果是，则计数N值加1，当N大于5时，启动强行刹车。之所以当测得发生碰撞的时间是小于4秒时不能立即刹车，是因为这个判断很有可能是误判断，例如激光接收器接收到对面其它车辆发车的激光，会误认为是自己车辆发出的激光已经返回，从而做出错误判断。所以只有多次做出相同判断后，才能强行刹车。当激光发生器发射激光束频率为每秒30-50次时，作5次判断所需时间不到0.1秒。这个阀值也可以根据实际情况修正。设计中，还需要另一个计时器，当一定时间比如1秒中内如果N值没有变大(增加)，则N值清零。即只有N值在很短时间内变大到5，才能强行刹车。关于自动报警，它的设计思想和自动刹车的设计思想大致相同。图3-1碰撞时间处理流程图（2）碰撞时间的计算为了计算汽车和前方障碍物的碰撞时间[11]，首先应获得汽车与前方障碍物的相对速度。以激光雷达测距为例，相对速度可这样获得：数据处理模块根据振荡器震荡计数和振荡周期可以计算出激光从发射到接收之间的时间差，设时间差为t，则障碍物离汽车的距离为s，tcs。其中c为光速。然后设激光发射器发射的第二束激光测的距离为s'，则在发射这连续两束激光时间间隔内，障碍物和汽车距离变化为'sss，s为汽车与障碍物之间的相对距离变化。设激光发射器发射激光频率为T，则汽车和前方障碍物之间的相对速度为相对距离变化乘以时间的倒数即频率，即相对速度TsV。从而，汽车与前方障碍物发生碰撞时间为相对距离除以相对速度，即是发生碰撞需要的时间Tssvst//。根据碰撞需要的时间，然后进一步判断是否需要报警或强行刹车。3.2.3动作执行模块本部分主要介绍如何实现自动刹车的设计方案。在介绍自动刹车设计方案前，先介绍普通汽车的刹车原理[8]。普通汽车刹车原理如图3-2所示，在汽车行驶过程中，油泵一直工作，产生高压，当汽车驾驶员踩下刹车板，触发压力传感器产生电流，该电流使电磁阀1打开，同时非门电路使电磁阀3关闭，从而高压油通过该电磁阀，分别流向安装在汽车轮上的刹车鼓，高压油挤压刹车片，实现刹车。在压力传感器产生电流使电磁阀1打开的同时，非门电路使电磁阀2变低电平，使电磁阀2关闭，从而在刹车时高压油不会回流到油池。同样，当汽车驾驶员松开刹车板，电磁阀1关闭，电磁阀2和电磁阀3均打开，油泵产生的高压油和刹车鼓的油均流向油池，刹车片松开。需说明的是，只有少数类型的机动车如拖拉机，东风货车等刹车结构不是采用这种原理。图3-2普通汽车刹车原理示意图为了实现自动刹车，对以上普通汽车刹车结构作了适当改进，如图3-3所示。具体做法是：在电磁阀1油路上并联另一个油路，增加一个电磁阀，同时，采用或非门电路控制电磁