自动驾驶技术概述

Chapter1自动驾驶技术概述Outline汽车发展史及发展趋势自动驾驶汽车的产生自动驾驶概述自动驾驶技术与行业发展现状蒸汽机与蒸汽机车的发明1712年英国人托马斯·纽科门发明了蒸汽机1713年纽科门制造出第一台实用的大气活塞式蒸汽机1769年瓦特与博尔顿合作，发明了装有冷凝器的蒸汽机1781年瓦特研制出齿轮联动装置把活塞的往复直线运动转变为齿轮的旋转运动1782年瓦特改进了汽缸的结构，形成双向汽缸蒸汽机与蒸汽机车的发明1769年，法国的一名陆军技术军官——尼古拉斯·古诺大尉——在政府的支持下试制成功一台三轮蒸汽机车，这是真正意义上的第一辆蒸汽机车。该车长7.32m，宽2.2m，前轮直径1.28m，后轮直径1.5m。该车前面支撑着一个梨形大锅炉，后面有两个汽缸，锅炉产生的蒸汽送进汽缸，推动汽缸里面的活塞上下运动，再通过曲柄把动力传给前轮驱动车辆前进，前进时靠前轮控制方向，每前进12-15分钟，就要停下来加热15分钟，运行速度为3.5-3.9km/h。由于操纵困难，在试车途中下坡时撞到了兵工厂的石头墙上，值得纪念的世界上第一辆蒸汽机车就这样成了一堆废铜烂铁，面目全非。蒸汽机与蒸汽机车的发明1801年，理查德·特雷威蒂克制造了英国最早的蒸汽机车。两年后，他又研制了形状类似公共马车的蒸汽机车。这辆蒸汽机车能乘坐8个人，创造了在平路上时速为9.6km/h，坡道上时速为6.4km/h的那个时代的世界纪录。1825年，英国公爵嘉内制造了第一辆蒸汽公共汽车，如右图所示。这辆车的发动机安装于后部，后轮驱动，前轮转向。它巧妙地采用专用转向轴设计，最前面两个车轮不承重，可由驾驶人利用方向舵轻便地转动，然后通过一个车辕，引导前轴转动，可以使转向轻松自如。1831年，嘉内利用这辆车开始了世界上最早的公共汽车运营服务。蒸汽机与蒸汽机车的发明1828年，法国人佩夸尔制造了一辆蒸汽机车。这辆蒸汽机车首次采用将发动机置于车的前端，而由后轴驱动的布置方案。在发动机和后轴之间用链条传动。后轴系由两根半轴构成，中间由差速齿轮连接，这就是最早发明的差速器。这种独立悬架设计，在当时有划时代的意义。佩夸尔所制造的蒸汽机车采用的链条传动、差速器、独立悬架设计等技术，对汽车的发展贡献极大，至今有些仍在汽车上广泛地应用。1833年4月，英国人沃尔特·汉考克用其制造的“企业号”蒸汽机车（如右图），成立了世界上最早的公共汽车运输公司。该车可承载十几名乘客，速度可达32km/h。内燃机与内燃机汽车的发明蒸汽机的工作原理是在锅炉中燃烧把水烧开，将蒸汽送进汽缸，推动活塞和曲柄连杆机构工作，所以蒸汽机也被称为外燃机。它的热量损失很大，热效率仅为10%左右，能源浪费严重。如果能让气体燃料在汽缸里直接燃烧产生的气体膨胀力推动活塞做功，就可大大提高汽缸压力和热效率，因此内燃机是将燃料在汽缸内部燃烧产生的热能直接转化为机械能的动力机械。内燃机与内燃机汽车的发明1673年荷兰科学家惠更斯就尝试使用火药爆炸来推动活塞做功1794年英国的斯垂特首次提出燃料与空气混合形成可燃混合气的原理1801年法国化学家菲利浦·勒本采用煤气和氢气做燃料，制造了一台活塞发动机，从此内燃机迈出开拓性的一步1824年法国的萨迪·卡诺提出了热机的循环理论，也就是现在著名的“卡诺循环”1861年法国工程师罗彻斯提出了著名的内燃机四冲程理论，即活塞在气缸中上下往复四次，完成进气、压缩、做功和排气一个循环内燃机与内燃机汽车的发明1861年，德国发明家奥托通过对前人的煤气机的研究，制造出了他的第一种二冲程煤气机。随后，奥托开始了四冲程发动机的研制，他提出了自己的内燃机四冲程理论——奥托循环。奥托循环的一个周期是由吸气、压缩、膨胀做功和排气四个活塞行程构成，这为现代内燃机的发明奠定了理论基础。根据奥托循环理论，1876年奥托制成了第一台四冲程往复活塞式内燃机，如图1.4。在这部内燃机上，奥托增加了飞轮，使运转平稳，把进气道加长，又改进了气缸盖，使混合气充分形成。这是一部非常成功的内燃机，其热效率相当于当时蒸汽机的2倍。内燃机与内燃机汽车的发明1883年8月15日，戴姆勒和迈巴赫在奥托四冲程内燃机的基础上，通过改进开发出了第一台卧式汽油机。他们再接再厉，把发动机的体积尽可能缩小，终于制成了世界上第一台轻便小巧的化油器式、电点火的小型汽油机，转速达到了当时创纪录的750转/分钟。这是世界上第一台立式发动机，取名为“立钟”。内燃机与内燃机汽车的发明1879年，卡尔·本茨研制成功火花塞点火内燃机。随后他又将内燃机改进为汽油发动机。1885年，卡尔·本茨制造了世界上第一辆三轮汽油车，车上装有三个实心橡胶轮胎车轮及一个卧置单缸二冲程汽油发动机。卡尔·本茨于1886年1月29日向德国皇家专利局申报专利并获得批准，因此1月29日被认为是世界汽车诞生日，1886年为世界汽车诞生年。这辆汽车被命名为“奔驰1号”，现保存在慕尼黑科学博物馆内。内燃机与内燃机汽车的发明德国人发明了汽车，但在促进汽车初期发展方面做出贡献最多的却是法国人。1889年，法国人研制成功齿轮变速器、差速器；1891年，法国人首次采用前置发动机后轮驱动，开发出摩擦片式离合器；1895年，法国人开发出充气式橡胶轮胎；1898年，法国的雷诺1号车采用了箱式变速器、万向节传动轴和齿轮主减速器；1902年，法国的狄第安采用了流传至今的狄第安后桥半独立悬架。另外，1893年，德国人发明了化油器；1896年，英国人首次采用石棉制动片和转向盘。后面陆续出现了压燃式柴油机和转子活塞式发动机，最终都在汽车上有所应用。汽车发展趋势经过一百多年的发展，汽车行业已经度过了高速发展期，变得日趋成熟稳定。经过一系列破产、并购等等，现如今世界汽车企业已经形成了大众、通用、雷诺-日产、丰田、本田等巨头集团并立的格局。而国内的汽车行业经过近几十年的高速发展后也已临近巅峰，市场接近饱和，汽车整体销量呈现平稳中略显回落的态势。回看近几年的汽车生产销售状况以及前沿技术研究现状，未来汽车的发展方向主要呈现为电动化与智能化。电动化电动汽车是指全部或部分动力由电机驱动的汽车。按技术路线，电动汽车分为传统（油电/气电）混合动力汽车（HEV）、插电式混合动力汽车（PHEV）、纯电动汽车（EV）和燃料电池汽车（FCV），后三者统称为新能源汽车。2017年，全球电动汽车总销量约为333万辆，与上年相比增幅为26.0%。全球电动汽车保有量也快速增长，2017年新能源汽车保有量达到约426万辆，比上年增长49.2%；传统混合动力汽车保有量达到约1328万辆，比上年增长11.8%。近年来，纯电动汽车和插电式混合动力汽车占比逐年提高，燃料电池汽车崭露头角。伴随着电动汽车技术路线的变化，各类型电动汽车市场也重新洗牌。欧洲、美国、日本、中国在电动汽车领域各有特点。电动化汽车电动化是世界汽车工业未来转型的方向，美国（加州）、德国、法国、英国、荷兰、挪威、印度等多个国家或地区制定了燃油汽车禁售时间表，大多在2025－2030年，汽车动力也将随之发生革命性变化。根据壳牌公司的研究预测，电力、氢能源将从2030年前后开始逐步“接管”汽车能源市场，2040年、2060年使用量将分别占20%和60%以上，2070年乘用车市场将全面摆脱对化石燃料的依赖，电动汽车将得到全面普及。美国、日本、德国等世界主要汽车强国，都将发展电动汽车上升到国家战略的高度，设置了发展目标，并积极开发和应用以动力电池为核心的汽车电动化技术，加快推进电动汽车产业化进程。从各国发布的推广目标来看，电动汽车规模都在百万辆级别。美国原计划2015年推广新能源汽车100万辆，实现程度较高，达到近50%；德国计划到2020年和2030年分别推广100万辆和600万辆；日本计划2020年电动汽车在整体乘用车的销售比例中占到50%；中国计划至2020年推广500万辆新能源汽车。电动化传统混合动力汽车由于在技术成熟度、价格接受度上占有一定优势，并且对充电设施依赖程度低，故率先在全球得到推广。插电式混合动力汽车可以在全电动状态下工作，也可以作为传统燃油汽车使用，它不完全依赖充电设施，更贴近用户需求，近几年进入市场后，在欧、美、日渐受追捧。纯电动汽车完全靠电力驱动，动力系统相对简单，对充电设施的依赖程度大，近几年随着充电设施网络化，充电更加便捷。燃料电池汽车的燃料为氢气，被公认为是环保性能最好的汽车，并且燃料补给时间更短、续驶里程更长、噪声更低，最重要的一点是制取氢的原料取之不尽、用之不竭。从全球电动汽车发展趋势来看，目前正在从传统混合动力汽车、插电式混合动力汽车向纯电动汽车发展，未来将朝着更清洁的燃料电池汽车方向发展。智能化近年来，随着电子信息领域新技术的发展，物联网、云计算、大数据、移动互联等新技术正在向传统行业渗透。在汽车行业，与此相关的智能汽车、车路协同、出行智能化、便捷服务、车联网等，都已成为目前的技术热点，并且正在引起行业的巨大变革。以传统汽车技术作为基础平台，将汽车电子技术，新一代信息技术和智能交通技术融合而成的智能汽车，正在成为现代交通运输发展的主要动力之一。汽车作为重要的运载工具，通过车载的传感器，红外设备，可视设备，控制器，执行器等电子设备，形成一种可以在任意地点，任意时刻，能够接入任意信息的模式，为汽车提供智能环境的支持，达到提高车辆安全性的目的。安全辅助驾驶系统、车载信息服务系统，这两个系统目前已经成为汽车智能化的亮点和卖点。另外，随着专用短程通讯技术、传感器技术、车辆控制技术越来越成熟，自动驾驶和无人驾驶技术从实验室走向实际应用的步伐正在加快。特斯拉、谷歌、百度等公司相继进行了无人驾驶技术相关的测试，而奔驰、宝马、奥迪、本田等厂商，都已经拥有了比较成熟的自动驾驶技术。在我国，国防科技大学和解放军军事交通学院分别在长沙到武汉、北京到天津高速路上成功地完成了无人车的试验。2015年，工信部发布的《中国制造2025》明确提出，到2025年，我国将掌握自动驾驶的总体技术以及各项关键技术，要建立起比较完善的智能网联汽车的自主研发体系，生产配套体系以及产业群，要基本完成汽车产业的转型升级。所以在政策和市场的共同作用下，我国的智能汽车技术发展迅猛，智能汽车领域相关系统以及应用软件的开发已经初步成形。自动驾驶汽车研发历史无人驾驶平台涵盖了无人机、无人艇、无人潜水器和地面无人驾驶车辆。其中，地面无人驾驶车辆也称自主地面移动平台、自主地面车辆等。本书探讨的自动驾驶汽车是地面无人驾驶车辆的一种，主要偏重于民用领域。从广义上讲，自动驾驶汽车是在网络环境下用计算机技术、信息技术和智能控制技术武装起来的汽车，或者说是有汽车外表和汽车性能的移动机器人。实现无人驾驶是人类一直以来的梦想。但是，无人驾驶技术却是首先在军事应用的需求推动下得到了不断发展和完善。在这方面，美、德、意等国曾经走在世界前列。在2000年之前，美国卡内基·梅隆大学研制的NavLab系列智能车和意大利的ARGO实验车最具代表性，德国的VaMoRs-P系统也应用了很多无人驾驶车辆技术。下面分别介绍这些无人驾驶车辆项目，并简单说明同一时期我国无人驾驶车辆研究工作。NavLab系列美国卡内基·梅隆大学机器人研究所研制了NavLab系列智能车辆。其典型代表有NavLab-1系统、NavLab-5系统和NavLab-11系统。NavLab-1系统NavLab-1系统于20世纪80年代建成。其计算机系统由Sun3、GPS、Warp组成，用于完成图像处理、图像理解、传感器信息融合、路径规划和车体控制；采用的传感器主要包括彩色摄像机、ERIM激光雷达、超声、陀螺、光码盘、GPS等。NavLab-5系统NavLab-5系统于1995年建成。卡内基·梅隆大学与Assist-Ware技术公司合作，在NavLab-5上开发了便携式高级导航支撑平台（PANS）和快速自适应车体定位处理器——RALPH视觉系统。PANS平台为系统提供计算基础和I/O功能，能控制转向执行机构并进行安全报警。该平台的计算系统是一台SpareLx便携式工