無人駕駛及其運營系統(tǒng)的設計與應用

李秋霞　賈文偉　王平　王志剛　王海波

摘 要：本文的無人駕駛汽車旨在2022年冬奧會期間，為首鋼園區(qū)內(nèi)運動員、工作人員和參觀人員提供一對一的短途接駁服務，打造高品質出行服務平臺。提出了基于首鋼園區(qū)的無人駕駛及其運營系統(tǒng)的設計方案，實現(xiàn)了無人車在首鋼園區(qū)的穩(wěn)定運營。此系統(tǒng)由車載無人駕駛子系統(tǒng)和人-車-云三位一體的運營子系統(tǒng)兩部分組成。

關鍵詞：無人駕駛;人機交互;運營系統(tǒng)

1 引言

隨著新一代信息技術的發(fā)展，汽車的智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化和電動化成為新的發(fā)展趨勢，無人駕駛技術也逐漸由概念變?yōu)楝F(xiàn)實，即將走入人們的生活。

無人駕駛汽車是依靠車載傳感系統(tǒng)感知道路環(huán)境，自主規(guī)劃行車路線實現(xiàn)車輛穩(wěn)定控制并到達預期目標的智能汽車。

目前，無人駕駛汽車普及應用的最大挑戰(zhàn)是大眾對其接受度較低，對其安全性、可靠性的信任度較低[3]。但因國家對無人駕駛汽車的政策法規(guī)尚未完善，無人駕駛汽車還不能在公開道路上行駛。鑒于以上兩點，國創(chuàng)中心主導，整合行業(yè)資源共同打造了一款L4的無人駕駛汽車，目前已經(jīng)在首鋼園區(qū)內(nèi)穩(wěn)定運行。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

2 無人駕駛系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

無人駕駛系統(tǒng)是通過多種車載傳感器獲取車輛自身、周圍障礙物及道路等與駕駛任務相關的環(huán)境信息，并將這些信息提供給決策規(guī)劃，決策規(guī)劃再根據(jù)感知和定位獲取的環(huán)境信息、車輛狀態(tài)和用戶需求，規(guī)劃出合適的路徑，然后通過這些信息來控制自車的行駛狀態(tài)[1]。

不同的自動駕駛級別和運營環(huán)境，自動駕駛的實現(xiàn)方案也不同。本項目針對首鋼園區(qū)建筑物高大、樹木繁茂較多、路況復雜的特點，提出了基于3個激光雷達、1個毫米波雷達、2個攝像頭、12個超聲波雷達和1套組合導航單元的傳感器解決方案。傳感器安裝位置如圖2所示。

2.1 傳感器

3個激光雷達中的32線激光雷達布置于車輛頂部，2枚16線激光雷達布置于車輛頂部兩側。用于檢測車輛周圍的環(huán)境信息和障礙物信息，獲取障礙物的尺寸和方位信息。具有測距精度高，方位準確，測量范圍廣、抗干擾能力強等優(yōu)點。

毫米波雷達采用77GHz中長距雷達，布置在車輛前保險杠內(nèi)側。用于檢測車輛前方的運動目標，獲取目標的速度和方位信息。具有較好的測速測距能力，且受外界影響較小，可以全天候工作。

主攝像頭布置于車輛頂部，前視覺攝像頭粘貼于擋風玻璃內(nèi)側中部，用于檢測車輛前方障礙物信息、道路信息、標識牌信息和交通燈信息，獲取障礙物的類型和道路環(huán)境信息。具有對障礙物分類準確的優(yōu)點。

12枚超聲波雷達布置在車輛四周（前后4+4，左右2+2），用于檢測車輛周圍近距離障礙物信息，確保無人駕駛車輛可以自主出入庫。

2個GPS天線布置在車輛頂部，1個慣性導航單元布置于車輛后備箱內(nèi)。用于獲取車輛的位姿和定位信息。

2.2 無人駕駛系統(tǒng)軟件架構

本項目以純電動汽車為平臺，搭載上述5種傳感器，實現(xiàn)道路環(huán)境信息準確感知，并通過多傳感器信息融合技術將這些信息進行集成，降低誤判概率，提高信息輸出的穩(wěn)定性和準確性。設計開發(fā)了多傳感器融合算法、定位組合算法、決策規(guī)劃算法和車輛控制算法，實現(xiàn)了開放園區(qū)和封閉園區(qū)道路上的自主跟車、自主超車與并線、車道保持、交通路口自動通行、障礙物規(guī)避等功能，編寫了無人駕駛測試用例，制定了無人駕駛測試規(guī)范，完成了無人駕駛系統(tǒng)的測試。

為了達成該目的，將無人駕駛系統(tǒng)軟件架構分為傳感器接口層、感知層、定位層、決策層和車輛控制層。

傳感器接口層包括各種外圍傳感器的輸入。

感知層收集各種傳感器的數(shù)據(jù)，進行多層次、多空間的信息互補和優(yōu)化組合處理，最終實現(xiàn)對周圍環(huán)境的全方位感知。多傳感器融合方案如圖3所示。

定位層：根據(jù)激光雷達和組合導航單元的數(shù)據(jù)信息構建出全局地圖。激光雷達、攝像頭、毫米波雷達、超聲波雷達的感知結果融合處理后建立以行駛車輛為中心的感知局部地圖。并通過GPS信息、車輛位置和姿態(tài)信息的疊加。提供一種直觀了解行車環(huán)境各種信息處理結果的實時綜合地圖。

決策層：在全局環(huán)境中，依靠路網(wǎng)、任務和定位信息生成一條最優(yōu)全局路徑;在局部環(huán)境中，依靠感知信息并在交通規(guī)則的約束下，實時推理出合理的駕駛行為，并生成安全可行駛的區(qū)域;根據(jù)車速、道路復雜度生成平滑的可能行駛路線;分析靜態(tài)、動態(tài)障礙物和交通規(guī)程形成局部路徑規(guī)劃，并形成駕駛策略決策發(fā)送至車輛控制層。同時對系統(tǒng)故障進行處理和恢復并接受高層控制等。

車輛控制層：根據(jù)路徑規(guī)劃結果和車輛內(nèi)部的各種傳感器信息，生成對車輛檔位、油門、方向的控制命令，保持車輛平穩(wěn)高速行駛，實現(xiàn)自主駕駛。

軟件系統(tǒng)架構圖如圖4所示。

3 人-車-云三位一體的人機交互系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

人機交互系統(tǒng)是無人駕駛汽車投入商用的一道門檻，它對于無人駕駛汽車產(chǎn)業(yè)和用戶來說都具有重要意義[2]。目前用戶對無人駕駛汽車仍處于新奇和懷疑的態(tài)度，還遠遠無法達到信任和接受的程度。在這樣的背景下，無人駕駛汽車的人機界面就變得更為重要，它需要成為用戶與汽車之間溝通的橋梁，讓用戶了解汽車的實時狀況，為用戶創(chuàng)造安全的駕駛體驗;也需要幫助用戶建立起與無人駕駛汽車之間的信任感，使用戶更加和諧的從傳統(tǒng)汽車過渡到無人駕駛時代[3]。

本項目人機交互子系統(tǒng)的研究目標正是通過對無人駕駛汽車人機交互界面的合理設計，滿足用戶的駕乘需求，為用戶創(chuàng)造出安全便捷的駕乘體驗。

3.1 功能概述

無人駕駛車輛運行在園區(qū)內(nèi)固定的行駛路線上，沿線會設置一系列的站點，每個站點的站牌上貼有約車二維碼，位于任一站點附近的乘客可通過掃描站牌上的二維碼進入約車界面，選擇起始地和目的地，點擊確定后即下單成功。訂單直接發(fā)送到云端，云端根據(jù)訂單情況對正在運營的無人駕駛車輛進行調度，同時發(fā)送訂單的運營路線到手機端和車載端，無人駕駛車按照接收到的運營路線去起始地接乘客，并送達指定的目的地，用戶可根據(jù)駕乘體驗對服務進行評價，至此訂單完成。

3.2 系統(tǒng)設計

此系統(tǒng)采用B/S，C/S多層架構，支持多種網(wǎng)絡接入方式用戶端采用瀏覽器，H5和APP的方式，減少系統(tǒng)安裝維護的工作量;用戶使用簡單，無需培訓;系統(tǒng)擴展容易;支持遠程業(yè)務處理。業(yè)務邏輯在服務器端運行，充分利用了服務器的處理能力;通過結合Web負載均衡、組件負載均衡等，可以通過橫向擴充服務器，使得系統(tǒng)能夠處理更多的服務請求，滿足不斷增長的系統(tǒng)性能需求。人機交互子系統(tǒng)的邏輯架構圖如圖5所示，系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)如圖6所示。

3.3 設計流程構建

立足于以用戶為中心的設計思想，將無人駕駛汽車的信息盡量透明化，幫助用戶輕松判斷汽車的可靠性，從而建立起對汽車的信任感，促進大眾對無人駕駛汽車的接受度，促進無人駕駛汽車走入人們生活。設計流程如圖7所示。

4 結語

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術和人工智能技術的迅速發(fā)展，完全無人駕駛已不是遙不可及。無人駕駛技術的落地除卻傳感器、計算平臺等技術本身的局限性外，也有賴于大眾對無人駕駛技術的認可和信任度。本文從推動無人駕駛落地的角度出發(fā)，采用以用戶為中心的設計理念，借助科技冬奧的使用場景，設計與實現(xiàn)了無人駕駛及其運營系統(tǒng)。該系統(tǒng)已經(jīng)在北京市首鋼園區(qū)內(nèi)穩(wěn)定運營了5個月之久，受到了大眾的廣泛好評。

未來隨著智能網(wǎng)聯(lián)時代的全面到來，無人駕駛汽車將覆蓋更多人群，其實現(xiàn)方式也從單車智能發(fā)展為車路協(xié)同，人機交互方式將不斷創(chuàng)新，落地場景將更加豐富。

參考文獻：

[1]張茜.無人駕駛系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 電子技術與軟件工程， 2019（18）.

[2]董長青， 丁田妹， 黃曉延，et al. 無人駕駛的人機交互方式研究綜述[J]. 時代汽車， 2017（14）：11-12.

[3]李小凡.全自動無人駕駛汽車人機界面概念設計[D]. 東南大學，2018.