無人駕駛汽車的發展與研究

姜沛宏，張長坤

（德州學院 汽車工程學院，山東 德州 253023）

無人駕駛汽車的發展與研究

姜沛宏，張長坤

（德州學院 汽車工程學院，山東 德州 253023）

無人駕駛汽車（自動駕駛汽車）對于交通系統的效率和安全性具有很大的幫助和提高，這將是未來汽車發展的主流。文章介紹了自動駕駛系統的功能、作用及技術原理，闡述了無人駕駛汽車的發展方向，并對其中存在的問題進行了探討。

無人駕駛汽車；自動駕駛系統；車輛定位；車輛控制

無人駕駛汽車的本質就是在一輛普通的汽車上裝配先進的設備和儀器，來取代人的作用，可以對道路情況進行判斷，對每時每刻遇到的情況進行決策，采取相應的行動。主要利用車上安裝的傳感器來感受路況的變化，把檢測到的車輛、障礙物、道路狀況等信息進行匯總，然后對車輛的行駛進行控制，轉向或者變速，使汽車安全地在道路上行駛，最終駛向目的地。

隨著我國汽車保有量的增加，道路交通擁堵現象越來越嚴重，每年發生的交通事故也在不斷上升，為了更好的解決這一問題，研究和開發汽車自動駕駛系統是很必要的。自動駕駛系統能很好的解決道路擁堵，提高交通系統效率。我國2001年成功研制出時速達到76km的無人駕駛汽車；2003年首臺高速無人駕駛汽車出現，時速相比增長很大，能達到170km；2006年紅旗HQ3無人實驗車研制成功；2015年百度與寶馬聯手成功實現了國內無人汽車的全自動駕駛，此次測試是中國無人駕駛車的里程碑，標志著其發展進入了一個新的階段。并且自動駕駛汽車還可以大幅度減小交通事故的發生，降低車禍的死亡率，使交通系統更加安全。

1 自動駕駛汽車系統的功能與構成

自動駕駛技術是一個系統，利用各種先進的設備來替代司機，完成一個司機駕駛車輛的功能。不同的模塊之間彼此溝通協調，來完成下述功能：①控制車輛加速，剎車和轉向。②監控周邊障礙物。③遵守當地交通法規，把車輛運送到目的地。

一個完整的自動駕駛系統，主要有下面3個部分：①GPS（全球定位系統）和地圖信息。地圖信息要精準，要包括所有靜止物體的準確位置信息，地圖數據必須精確到厘米量級。②傳感器、雷達和攝像機。車載傳感器每時每刻都要對周圍環境進行掃描；車載雷達可以對路中的車輛和路邊的障礙物進行檢測；攝像機可以用來檢測路標和交通信號燈，傳輸給處理器進行數據分析。③處理器。收集大量信息并對其進行分類分析，然后發出指令指導車輛進行行駛路徑的改變。處理器會根據收集到的信息進行處理然后選擇最安全、最便捷的解決方案。同時還能將數據分享，與其他的車輛進行溝通，共同形成一個合理的交通系統，以減少車禍發生的可能性。

2 自動駕駛系統中各部分作用

自動駕駛系統能夠通過車載傳感器和控制系統實現與人、車、路的信息交換，使車輛具備智能的環境感知能力，并且能夠自動分析車輛行駛的安全狀態，對要行駛的路線進行自動規劃，使車輛按照人的意愿到達目的地。

在無人駕駛汽車中，車的前后燈附近都有激光掃描儀，它們可以對車附近的環境和路況進行觀察、掃描，構建一個立體的道路模型。激光掃描儀還能識別各種交通標志，無論是紅綠燈還是限速標志都能被識別，然后調用控制系統中每一種標志所對應的行駛規則，以保證能夠安全行駛。車頭上方會有攝像頭，它能夠識別道路上的白線，進而控制車輛行駛的方向。同樣在車頂上還會有一個雷達，雷達能夠檢測自動駕駛汽車與前方車輛、行人和障礙物之間的距離，不會使車輛與其他物體碰撞，從而使車輛

安全行駛。在車的兩側會有超聲傳感器，感受車輛兩側方向上的情況變化。通過這些使自動駕駛汽車的安全性最大化。

無人駕駛汽車的控制系統裝載在車的后備箱中，實質是一臺計算機，能夠分析處理各種數據信息，并對汽車發送指令，使汽車在各種不同的情形下都能進行靈活行駛，如圖1所示。比如躲避行人與障礙物，按照交通規則行駛，不與其他車輛爭搶，不會使道路擁擠，從容前進。同時在遠處的指揮控制中心還可以對車輛下達指令，進而車輛本身的計算機接收指令后再控制車輛進行相關的行駛。

圖1 自動駕駛系統框圖

3 無人駕駛汽車的關鍵技術

無人駕駛汽車有兩個關鍵技術：定位技術和控制技術。這兩方面相輔相成、互相配合共同構成了無人駕駛汽車。

（1）定位技術。在自動駕駛系統中最基礎的技術就是定位技術。車輛需要對周圍所有的人、車和障礙物進行定位，獲得他們的準確位置，才可以采取相應的駕駛方法。目前最常用的技術是磁導航和視覺導航。其中，磁導航是目前最成熟可靠的方案。磁導航的最大優點是不會受到天氣等自然條件的影響，選擇磁導航可以在各種天氣環境下行駛，并且便于維護。但是磁導航也有缺點存在，它需要在道路中架設一定數量的導航設備，實施十分復雜，維護也較為不便。視覺導航就不存在這個問題。視覺導航中車載主控計算機可以在車輛偏離目標軌道前預知并預防。其缺點是，受天氣條件影響較大，如風沙、大霧使能見度低或交通標志不清晰時，視覺導航便會失效。但由于視覺導航對基礎設施的要求較低，是目前最有發張前景的定位方法。所以解決視覺導航存在的問題便成為當前的首要任務，首先需要精度極高的視覺導航儀，其次是增強交通標志被識別的功能。

（2）控制技術。在無人駕駛系統中最核心的技術就是車輛控制技術，控制技術的好壞決定了無人駕駛汽車的成敗，控制技術主要包括速度控制和方向控制兩部分。自動駕駛其實就是用電子技術控制汽車進行的仿人駕駛。從駕駛員的普通駕駛中分析得知，對車輛的控制是一個典型的預瞄控制行為，此行為中駕駛員根據當前道路的情況，找到一個預瞄點，根據預瞄點來控制車輛。目前最常見的方法是經典的智能PID算法，例如模糊PID、神經網絡PID等。

4 無人駕駛汽車的發展方向

無人駕駛汽車的研究方向可以分為高速公路環境、城市環境、特殊環境三種，三者之間相互重疊而各自又有不同的技術側重點。

（1）在高速公路環境下，系統將使用環境限定為具有道路標志良好的高速公路上，在這種環境下系統要完成的工作是檢測道路標志線，跟蹤標志線行駛，對道路中的車輛和路標進行識別，目標是實現無人駕駛汽車進入高速公路后的全自動駕駛。這種應用解決了目前社會中最普遍枯燥的駕駛行為，提高了社會生活的工作效率。

（2）在城市環境下，無人駕駛相對于高速環境下車輛行駛速度比較慢，因此在這種環境下的無人駕駛汽車更安全可靠，在一定程度上能夠解決城市區域的交通問題，特別是在大型的公共場所如機場、公園、校園，在這些地方無人駕駛車的速度較慢，路程比較近。但是，城市環境相對比較復雜，對感知和控制的算法提出了更嚴格的要求，所以在城市環境下無人駕駛汽車的行駛是一個很大的難題，這將成為下一階段研究重點。

（3）在特殊環境下，尤其是駕駛系統在軍事中的應用，國家一直都很重視這方面的發展。但是關鍵技術與其他兩種環境一樣，感知和控制的要求更加嚴格，但是在性能要求上的側重點不同。在特殊環境下使用時著重考慮的是在惡劣環境下的適應性，這也是在未來推廣應用需重點解決的問題。

5 結語

無人駕駛汽車是未來汽車發展的主流方向，它的應用會降低道路上汽車的行駛速度，能大大減少交通事故的發生，同時也能舒緩當前交通擁擠的狀況，使交通系統安全可靠。無人駕駛汽車從根本上改變了傳統車輛的控制方式，最大化的提高交通系統的效率。在計算機技術和導航技術快速發展的時代，自動駕駛系統的研究充滿生機，無人駕駛汽車將會廣泛的運用到實際生活中，為人們的生活增添光彩。

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Development and Research of Intelligent Car

JIANG Pei-hong，ZHANG Chang-kun
（Automotive Engineering Institute，Dezhou College，Dezhou，Shandong 253023，China）

Intelligent cars（self-driving cars）is helpful for efficiency and safety of transportation system，which will be the mainstream of future development.This paper introduces the function and technical principle of automatic driving system，expounds the development direction of driverless cars，and discusses the existing problems.

driverless cars；autopilot system；vehicle positioning；vehicle control

U463.5

A

2095-980X（2016）10-0010-02

2016-09-14

姜沛宏（1993-），女，山東煙臺人，大學本科，主要研究方向：汽車工程。