智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛的控制方法分析

鄒理炎 虞忠潮

摘 要：自動(dòng)駕駛汽車(chē)通過(guò)使用電腦系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛的目的，自動(dòng)駕駛模式的應(yīng)用能夠有效地解決各種類(lèi)型的交通事故，降低人力成本，對(duì)促進(jìn)社會(huì)發(fā)展具有重要的實(shí)用意義。但自動(dòng)駕駛控制技術(shù)仍然存在諸多問(wèn)題，例如傳感器的可靠性不強(qiáng)、控制系統(tǒng)存在漏洞等都影響著自動(dòng)駕駛技術(shù)的安全性。基于以上背景，首先闡述了智能汽車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理以及設(shè)計(jì)架構(gòu)，然后分析了智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛的控制與執(zhí)行，最后重點(diǎn)探討了智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制仿真驗(yàn)證，以其為改進(jìn)智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制方法提供參考。

關(guān)鍵詞：智能汽車(chē) 自動(dòng)駕駛 控制方法

Abstract：Autonomous vehicles use computer systems to achieve the purpose of unmanned driving. The application of autopilot mode can effectively solve various types of traffic accidents， reduce labor costs， and has important practical significance for promoting social development. However， there are still many problems in automatic driving control technology. For example， the reliability of sensors is not strong， and the loopholes in the control system all affect the safety of automatic driving technology. Based on the above background， firstly， the principle and design architecture of the smart car automatic control system are explained， then the control and execution of the smart car automatic driving are analyzed， and finally， the simulation verification of the smart car automatic driving control is discussed， which is used to improve the control methods of the smart car automatic driving， and provide reference.

Key words：smart car， autonomous driving， control method

1 引言

自動(dòng)駕駛汽車(chē)技術(shù)是一種利用人工智能、視覺(jué)計(jì)算、雷達(dá)監(jiān)測(cè)以及定位等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛的一種智能汽車(chē)控制技術(shù)，能夠根據(jù)路況條件自動(dòng)地對(duì)車(chē)輛進(jìn)行安全操作，以打造高效化的控制模式。但目前，受到傳感器、控制系統(tǒng)等因素的限制，目前所使用的汽車(chē)自動(dòng)駕駛技術(shù)并未達(dá)到100%安全。比如，發(fā)生的某自動(dòng)駕駛汽車(chē)致死事件，就是控制系統(tǒng)沒(méi)有識(shí)別出危險(xiǎn)源而導(dǎo)致的。因此，對(duì)智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛的控制方法進(jìn)行分析具有重要的實(shí)踐意義。

2 智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛技術(shù)概述

智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛技術(shù)是指利用電腦、雷達(dá)、傳感器等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)駕駛的智能化、無(wú)人化。智能汽車(chē)與傳統(tǒng)汽車(chē)的駕駛存在本質(zhì)上的區(qū)別，自動(dòng)駕駛的智能汽車(chē)能夠利用各種智能化、信息化、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)幫助人們更加高效、安全地駕駛。具體而言，智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛技術(shù)是指利用定位系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能技術(shù)、圖像處理技術(shù)等，通過(guò)對(duì)汽車(chē)行駛路況、行駛信息等的采集、整理、分析來(lái)達(dá)到汽車(chē)無(wú)人操控，實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃、自動(dòng)避障等目標(biāo)。

3 自動(dòng)駕駛系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

汽車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)一般由三大模塊組成，即感知模塊、規(guī)劃決策模塊與執(zhí)行模塊。其中感知模塊主要功能是對(duì)汽車(chē)行駛現(xiàn)場(chǎng)的各種信息進(jìn)行采集，規(guī)劃決策模塊則是依靠感知模塊所采集到的信息，對(duì)駕駛的任務(wù)序列進(jìn)行規(guī)劃與決策，執(zhí)行模塊的主要功能是執(zhí)行規(guī)劃決策模塊的指令，執(zhí)行駕駛汽車(chē)的任務(wù)。（1）感知模塊。感知模塊主要由各種形式的傳感器組成，傳感器用來(lái)對(duì)汽車(chē)的行駛參數(shù)、行駛環(huán)境以及司機(jī)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)汽車(chē)行駛參數(shù)的采集主要依靠車(chē)輛運(yùn)動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)，例如，車(chē)輛內(nèi)的速度與角度傳感器可以提供車(chē)輛縱橫向的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息。對(duì)行駛環(huán)境的檢測(cè)主要借助于環(huán)境感知傳感器實(shí)現(xiàn)，例如車(chē)輛內(nèi)所布設(shè)的各種形式的雷達(dá)、攝像頭等均能夠?qū)π旭傑?chē)輛的周邊環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。另外，對(duì)司機(jī)狀態(tài)的檢測(cè)則主要是利用駕駛員位置處所布置的傳感器完成，通常包括生物電的非接觸式以及生物電傳感器接觸式兩種，一般駕駛員狀態(tài)檢測(cè)傳感器主要安裝在儀表板、方向盤(pán)等部位，能夠達(dá)到對(duì)駕駛員表情特征、心臟、腦電波等信息的采集，以此確保駕駛員處于最優(yōu)的駕駛狀態(tài)，提升駕駛安全性。（2）規(guī)劃決策模塊。規(guī)劃決策模塊在一定程度上可以說(shuō)是自動(dòng)駕駛汽車(chē)的大腦，即決定怎樣駕駛。規(guī)劃決策模塊是由計(jì)算機(jī)組成的計(jì)算單元，各類(lèi)傳感器將采集到的信息數(shù)據(jù)統(tǒng)一至計(jì)算單元，進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃決策，進(jìn)而確保汽車(chē)在行駛的過(guò)程中，能夠在各種突發(fā)情況下做出最優(yōu)的實(shí)時(shí)響應(yīng)，確保汽車(chē)行駛的安全性。（3）執(zhí)行模塊。執(zhí)行模塊是執(zhí)行規(guī)劃決策模塊指令，通過(guò)接受規(guī)劃決策模塊的指令來(lái)控制汽車(chē)的轉(zhuǎn)向、剎車(chē)、停車(chē)的動(dòng)作。

4 智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛的控制與執(zhí)行

4.1 縱向控制

縱向控制主要包括對(duì)汽車(chē)駕駛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制，具體而言是指對(duì)汽車(chē)行駛速度、加速度的控制。通過(guò)汽車(chē)運(yùn)動(dòng)模型、制動(dòng)模型以及油門(mén)控制模型之間的配合，根據(jù)汽車(chē)行駛信息的檢測(cè)來(lái)進(jìn)行汽車(chē)的縱向控制。

4.2 橫向控制

橫向控制是指對(duì)汽車(chē)自動(dòng)行駛過(guò)程中運(yùn)動(dòng)方向的控制，橫向控制的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)汽車(chē)轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)模型的支持。也就是說(shuō)汽車(chē)轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)模型在本質(zhì)上是一種精度型更高的汽車(chē)橫向運(yùn)動(dòng)模型，模擬駕駛員轉(zhuǎn)向操控經(jīng)驗(yàn)來(lái)獲取橫向控制算法。如圖1所示是某智能自動(dòng)駕駛商用汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)構(gòu)件圖，在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了ECU控制單元，作為整車(chē)中的一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，ECU控制單元一方面接受來(lái)自整車(chē)控制器的轉(zhuǎn)向指令如轉(zhuǎn)向角度、轉(zhuǎn)向速度等，另一方面ECU控制單元需要實(shí)時(shí)監(jiān)控整車(chē)實(shí)際的轉(zhuǎn)向情況并作出反饋，通過(guò)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)預(yù)先設(shè)計(jì)好的控制算法做到實(shí)時(shí)修正，起到閉環(huán)控制的作用，讓整車(chē)行駛更安全、更高效。

4.3 車(chē)輛控制平臺(tái)

車(chē)輛控制平臺(tái)主要由整車(chē)ECU電子控制單元與通信總線(xiàn)兩大塊組成，其中整車(chē)ECU電子控制單元是用來(lái)對(duì)汽車(chē)行駛的控制與計(jì)算，通信模塊則主要用于指令的傳輸。整車(chē)ECU的結(jié)構(gòu)原理與計(jì)算機(jī)類(lèi)似。

4.4 智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛車(chē)輛道路狀況識(shí)別

自動(dòng)駕駛汽車(chē)在行駛的過(guò)程中，對(duì)道路狀況信息的識(shí)別與處理是確保自動(dòng)駕駛汽車(chē)行駛安全的重要保障，只有確保自動(dòng)駕駛汽車(chē)能夠有效地對(duì)道路狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，才能有效地發(fā)揮出車(chē)輛運(yùn)行監(jiān)督的作用。如圖2所示，為智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛車(chē)輛監(jiān)督控制中的道路識(shí)別示意圖。自動(dòng)駕駛車(chē)輛的道路狀況識(shí)別所使用的為狀態(tài)識(shí)別監(jiān)督控制體系，即按照車(chē)輛運(yùn)行監(jiān)督控制要求對(duì)道路的狀況進(jìn)行識(shí)別。以點(diǎn)t作為車(chē)輛監(jiān)督運(yùn)行中的時(shí)刻，在狀態(tài)監(jiān)督基礎(chǔ)之上，與道路狀況識(shí)別功能相結(jié)合，進(jìn)而確保為汽車(chē)駕駛監(jiān)督提供保障。

4.5 智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制仿真驗(yàn)證

結(jié)合智能汽車(chē)自動(dòng)駕駛控制工作的要求，對(duì)控制體系仿真實(shí)驗(yàn)做出調(diào)整。從實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果來(lái)看，在車(chē)輛自動(dòng)駕駛控制過(guò)程中，對(duì)模糊PID控制體系的使用能夠?qū)?chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制與調(diào)整，并對(duì)車(chē)輛的運(yùn)行監(jiān)督控制方式進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，并按照仿真模型構(gòu)建對(duì)自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。從圖3可以看出，車(chē)輛自動(dòng)駕駛控制技術(shù)應(yīng)用水平提升，其相應(yīng)的模糊控制穩(wěn)定性與平穩(wěn)性均得到有效的提升，因此，為更好地達(dá)到監(jiān)督車(chē)輛自動(dòng)駕駛運(yùn)行的效果，應(yīng)按照監(jiān)督控制要求，將上升時(shí)間和超調(diào)量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，進(jìn)而確保車(chē)輛能夠滿(mǎn)足自動(dòng)駕駛需求。自動(dòng)駕駛汽車(chē)轉(zhuǎn)向響應(yīng)的實(shí)際效果與期望值是有一定的誤差，但通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的仿真，并把它控制在有效的范圍內(nèi)，將大大提高整車(chē)行駛的安全性，可控性。

響應(yīng)時(shí)間（t）：下發(fā)期望指令到轉(zhuǎn)向機(jī)開(kāi)始動(dòng)作的時(shí)間。

上升時(shí)間（tr）：下發(fā)期望指令轉(zhuǎn)向機(jī)從開(kāi)始動(dòng)作到期望角度所用的時(shí)間

峰值時(shí)間（tp）：下發(fā)期望指令到轉(zhuǎn)向機(jī)達(dá)到第一個(gè)峰值所用的時(shí)間。

超調(diào)量（σp）：響應(yīng)超出期望值的最大偏離量與期望值的百分比。

調(diào)節(jié)時(shí)間（ts）：響應(yīng)達(dá)到并把保持在期望值5%以?xún)?nèi)所需的時(shí)間。

穩(wěn)態(tài)誤差（es）：時(shí)間趨近于無(wú)窮時(shí)響應(yīng)與期望值之間的誤差。

5 結(jié)論

車(chē)輛自動(dòng)駕駛技術(shù)的出現(xiàn)，革新了車(chē)輛行業(yè)的發(fā)展模式，對(duì)社會(huì)、駕駛員以及行人均有益處。通過(guò)對(duì)自動(dòng)駕駛控制技術(shù)的研究，相信隨著汽車(chē)自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，車(chē)輛自動(dòng)駕駛技術(shù)將會(huì)得到普及，汽車(chē)交通事故將逐漸趨于零，為國(guó)家、社會(huì)節(jié)約大量的成本。且車(chē)輛自動(dòng)駕駛具有減少能源消耗、緩解交通擁堵、降低運(yùn)輸成本等優(yōu)點(diǎn)，相信在不久的將來(lái)，車(chē)輛自動(dòng)駕駛技術(shù)將在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮更大優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫劍，黃潤(rùn)涵，李霖，劉啟遠(yuǎn)，李宇迪.智能汽車(chē)環(huán)境感知與規(guī)劃決策一體化仿真測(cè)試平臺(tái)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2020，32（02）：236-246.

[2]雷洪鈞.汽車(chē)駕駛自動(dòng)化分級(jí)技術(shù)要求及組織實(shí)施的探討[J].汽車(chē)工藝師，2020（05）：25-29+33.