高速公路標(biāo)準(zhǔn)下的雷達(dá)無人駕駛研究

◎周宇東

高速公路標(biāo)準(zhǔn)下的雷達(dá)無人駕駛研究

◎周宇東

對于技術(shù)高速發(fā)展的今天，無人駕駛作為一項被廣泛研發(fā)的技術(shù)，即將大規(guī)模進(jìn)入人們的生產(chǎn)生活。本文通過對高速路標(biāo)準(zhǔn)下無人駕駛的闡述，以及其配備的雷達(dá)傳感進(jìn)行研究，意在分析現(xiàn)階段存在的問題，并提出若干問題的解決思路和方法，對技術(shù)的進(jìn)一步研發(fā)提供參考性意見和建議。

高速路標(biāo)準(zhǔn)與行駛條件

高速路標(biāo)準(zhǔn)概述。無人駕駛車輛系統(tǒng)（Autonomous Vehicle system）是通過傳感器探測反饋周邊環(huán)境參數(shù)，經(jīng)處理后不僅控制車輛的加速、減速、前進(jìn)、后退等功能1，還能執(zhí)行感知環(huán)境、路線規(guī)劃、躲避障礙等高級功能，類似人類進(jìn)行車輛的駕駛。

高速公路的無人駕駛，建立在具有良好路況和交通標(biāo)識的路段。一方面，無人駕駛可以很好的解決人為操作的疲勞感、枯燥感等影響因素帶來的危險失誤；另一方面，無人駕駛在高速路段的實現(xiàn)有很好的可操作性。

安全行駛條件計算。根據(jù)相應(yīng)的法律法規(guī)，系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足安全距離，即100km/h時速保持100m的安全距離，其他速度與此成正比。在雨雪等不良天氣下將距離提升到正常車距的1.5倍。以均勻加速度剎車計算，剎車距離在40到50m，機械結(jié)構(gòu)制動系統(tǒng)和踏板反應(yīng)時間為0.5秒，因此無人駕駛總反應(yīng)時間必須在3秒內(nèi)。

而根據(jù)制動過程的原理，如圖1-1：

無人駕駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

無人駕駛的評價標(biāo)準(zhǔn)。無人駕駛系統(tǒng)的智能水平依照它需要完成的功能決定，通常由以下這些指標(biāo)來衡量。無人駕駛車輛的智能水平評價指標(biāo)總結(jié)了一系列的無人駕駛功能，對此，基于高速路的環(huán)境，主要的評價因素為：遙控啟動、遙控剎車、遙控停車、直道車道保持、限速、禁止逆行、車距保持、彎道車道保持、動態(tài)規(guī)劃、GPS導(dǎo)航、交通標(biāo)志識別、緊急制動。

對于無人駕駛系統(tǒng)的雷達(dá)模塊，其直接影響的因素有：直、彎車道保持、車距保持、動態(tài)規(guī)劃、緊急制動。

無人駕駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成。無人駕駛系統(tǒng)的組成系統(tǒng)構(gòu)架比較清晰，主要由環(huán)境感知部分和地理信息系統(tǒng)輸入計算機進(jìn)行決策，再反饋到行車系統(tǒng)，執(zhí)行決策行為。

高速下無人駕駛的功能。基于現(xiàn)行的駕駛需求、評價標(biāo)準(zhǔn)以及無人駕駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。高速下無人駕駛需要完成的功能主要有以下幾種：保持高速行駛，對于同向兩車道，左側(cè)車道最低100，右側(cè)車道最低60。同向三車道，最左側(cè)車道最低110，中間車道最低90，最右側(cè)車道最低60（單位km/h）；智能跟隨道路標(biāo)示線，直行或轉(zhuǎn)彎；保持車距，跟車行駛；合理超車，根據(jù)環(huán)境狀況，規(guī)劃路徑，超車行駛；緊急制動，對于道路突發(fā)情況，保持平穩(wěn)駕駛下降低速度，靠邊停車或者直接急停避免事故。

雷達(dá)傳感器的功能和選擇

雷達(dá)傳感器的種類。無人駕駛中使用到的雷達(dá)通常以工作方式分類，分為二維激光雷達(dá)和三維激光雷達(dá)。

三維激光雷達(dá)。三維激光雷達(dá)是通過多個單線激光組成，能夠精確獲得周圍環(huán)境的三維信息，通過多組掃描線組合，每條掃描線有固定的俯仰角，一般通過旋轉(zhuǎn)掃描來獲取信息。

二維激光雷達(dá)。二維激光雷達(dá)通過多角度掃描檢測每個光束測量的距離，輔助三維雷達(dá)檢測無人駕駛車輛周圍可能存在的障礙物以及分布情況，檢測小區(qū)域可能存在的盲區(qū)。

傳感器的配合選擇。為完成無人駕駛功能的一些列復(fù)雜動作，雷達(dá)傳感器之間是采取協(xié)同工作的方式，通過多個傳感器共同實現(xiàn)環(huán)境感知。基本上傳感器的配合需要滿足車輛的地理定位、周圍環(huán)境的掃描，以及輔助相機識別標(biāo)識來完成無人駕駛的傳感工作，如：Tartan Racing Team開發(fā)的無人駕駛汽車BOSS，采用了11中類型的激光雷達(dá)，包括6個SICK LMS單線激光雷達(dá)、1個Velodyne64線三維激光雷達(dá)、2個ISF172雷達(dá)、2個IBEO激光雷達(dá)以及兩個輔助相機。

斯坦福大學(xué)和大眾汽車聯(lián)合開發(fā)的Junior，配備了5個激光雷達(dá)，一個GPS/ INS7。

長安大學(xué)設(shè)計的一款無人駕駛汽車，采用的是UXM-30LX-EW激光雷達(dá)、一個GPS以及兩個相機。

高速路無人駕駛存在的問題

高速路下的突發(fā)問題。再高速路行駛中，可能發(fā)生的最嚴(yán)重問題在于路段出現(xiàn)非高速模式的行駛狀況，即出現(xiàn)突發(fā)問題。突發(fā)問題一般分為兩類，一類是需要改變行駛方式，如出現(xiàn)高速路段修路車輛靠單道行駛，或者前方車輛出現(xiàn)單道障礙的，需要變道行駛。二類是出現(xiàn)障礙必須緊急制動，急停或者靠邊停車。

對于第一類行車模式，依舊需要保持高速行駛，因此采用模擬駕駛員決策方案可以比較好的解決問題。這種方式中，通過對駕駛員行為進(jìn)行解構(gòu)，分成基本動作原型作為狀態(tài)機的狀態(tài)集合，行為決策模塊通過上層的狀態(tài)機模擬場景條件，下層狀態(tài)機對決策擇優(yōu)，通過AHP熵權(quán)發(fā)配置環(huán)境權(quán)重，再用

關(guān)聯(lián)度TOPSIS對狀態(tài)進(jìn)行排序確定最優(yōu)的行駛方案9。解決此類問題常用的方法還有遺傳算法等多種算法方式，在這里就不多贅述。

對于第二類行車模式，一般存在于特別緊急的情況下，需要充分考慮到安全性和智能性。安全性方面，要考慮到車內(nèi)外雙面的安全度，在避免碰撞的同時，需要考慮乘客的可接受度，另外這樣的行車模式可能不光存在于障礙物地形，還會因為車輛故障等原因?qū)е逻@種行車模式，因此引出智能性的要求，對于車輛不光需要完成周邊參數(shù)的控制，還要求對車體情況作出反應(yīng)，規(guī)劃出合理的停車方式并實現(xiàn)實時的測控和微調(diào)。

對于高速路的突發(fā)問題，應(yīng)該“智能規(guī)劃，迅速反應(yīng)”，達(dá)到具有迅速應(yīng)對多種意外情況的靈活度。

無人駕駛系統(tǒng)的問題。無人駕駛系統(tǒng)主要的問題在于傳感器的死角、優(yōu)先級的設(shè)計。

對于傳感器可能出現(xiàn)死角的問題，因為高速路段的路況和行車狀況環(huán)境比較單一，不需要考慮復(fù)雜的行程方式，在高速路標(biāo)準(zhǔn)下此類問題出現(xiàn)得很少。在高速路上傳感器無法傳達(dá)準(zhǔn)確信息可能是惡劣的氣候環(huán)境以及鳥類、昆蟲或漂浮物遮擋傳感器。對此可以采用自動執(zhí)行最低速行駛的方案降低行車過程中的危險系數(shù)。

事件優(yōu)先級的設(shè)定上，采取很多種事件優(yōu)先級設(shè)計，并通過遺傳算法對事件競爭獲取最合理路徑，除此之外在無人駕駛系統(tǒng)的控制軟件中，可以集成錯誤恢復(fù)等級，避免因為固定優(yōu)先級刻板地處理問題可能產(chǎn)生的麻煩。

對于無人駕駛系統(tǒng)的問題，應(yīng)采取“頂層設(shè)計，多重保險”的方式，務(wù)必做到安全駕駛、平穩(wěn)出行。

總的來說，高速公路標(biāo)準(zhǔn)下的無人駕駛在無人駕駛的領(lǐng)域中屬于比較輕松的一種駕駛模式，在高速公路環(huán)境下的道路標(biāo)識清晰，行車環(huán)境較其他環(huán)境并不復(fù)雜，主要是在速度控制和安全性設(shè)計上需要著重考慮。

本文通過對高速標(biāo)準(zhǔn)的分析，計算了影響行車制動時間的關(guān)鍵因素，概述了無人駕駛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能以及評價標(biāo)準(zhǔn)，針對常用的雷達(dá)傳感器模塊選擇傳感器搭配方式。提出高速路無人駕駛的主要問題，分析了基于突發(fā)狀況下的行車模式處理方式以及無人駕駛自身可能存在的問題及解決方式，提供“頂層設(shè)計，多重保險，智能規(guī)劃，迅速反應(yīng)”的設(shè)計思路。相信在各研究單位的努力下，能將相關(guān)技術(shù)更多的應(yīng)用的實際場合中，提高行車安全，達(dá)到智能出行。

（作者單位：中國人民解放軍空軍預(yù)警學(xué)院( 武漢 ) ）