2022年自动车辆驾驶系统 .pdf

11-1 第十一章自动车辆驾驶系统11.1 概述1、自动车辆驾驶系统的涵义自动车辆驾驶系统主要是应用现代化的传感技术、通信技术、计算机技术以及检测技术等装备车辆及公路系统，并通过车路通信和车车通信，达到车辆可以自动控制方向、速度、车间距等，从而使汽车自动行驶在智能化公路上。自动驾驶系统的本质就是使公路系统具有一定的智能，并依靠车辆的智能系统控制车辆的自动驾驶，将交通流调整到最佳状态， 从而减少由于人工驾驶引起的交通问题，提高公路系统的安全性和运行效率。自动驾驶系统是ITS 的一系列研究领域中一项技术性强、涉及领域广、 最具有挑战性和最具市场潜力的一项研究。如果仅从技术上而言， 自动驾驶系统是ITS 的最高形式，是公路发展的方向，因此也是各国政府、工业界和学术界共同致力研究的领域。2、自动驾驶在ITS 中的地位美国为了推进ITS，在 1991 年发起成立的ITS 美国（成立之初称为IVHS 美国） ，对 ITS 领域进行了如下分类：ATMS（Advanced Traffic Management System, 先进的交通管理系统） ，包括交通信号控制系统和交通信息系统ATIS（Advanced Travelers Information Systems, 先进的出行者信息系统） ，包括诱导系统和旅行前信息系统AVCS（Advanced Vehicle Control Systems, 先进的车辆控制系统） ，包括驾驶员辅助、驾驶员警告和自动驾驶系统。CVO（Commercial Vehicle Operations, 商用车运行管理系统） ，包括长途载货车的运营管理和州际事务手续的自动化系统。APTS（Advanced Public Transportation Systems, 先进的公共交通系统） ，包括行人及公共交通工具的信息化系统。在此分类之中，自动驾驶系统包含在AVCS 之中，与交通信息系统、诱导系统等一样，是构成ITS 的众多系统之一。11.2 先进的车辆控制系统功能模块1、先进的车辆控制系统先进的车辆控制系统（AVCS，Advanced Vehicle Control Systems）是借助于车辆设名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 9 页 - - - - - - - - - 11-2 备及基础设施或其协调系统中的检测设备来检测输入周围对驾驶员和车辆产生影响的各种因素，进行自动控制驾驶以达到行车安全高效和增加道路通行能力目的的系统。该系统的本质是要将先进的检测技术、通信技术、 控制技术和交通流理论等应用到车路系统中，为驾驶员提供一个良好的驾驶环境，在一定的情况下，控制元件将取代驾驶员进行车辆的自动控制。系统通过辅助控制、自动控制等措施的实施将达到以下目的：（1）防止部分交通事故的发生；（2）提高道路的利用效率； （3）提高驾驶员的方便性； （4）减轻驾驶员的负担； （5）实现车辆的安全高效行驶。先进的车辆控制系统的主要内容就是智能车辆的研究与应用。这种汽车可以大大提高驾驶员和车辆的感知和反应能力，通过安装智能控制装置使汽车具有自动转向、自动控制、自动障碍物识别、自动报警等功能。先进的车辆控制系统主要有两大特点：（1）具有自动识别判断车辆外部行驶状况的能力； （2）根据所得到的信息，通过告警驾驶员进行操作或控制系统的控制元件操作，形成达到上述目的的车辆控制系统。最高程度的AVCS 系统的自动控制系统可以使车辆自动操作、自动探测障碍物、 自动保持车辆间距离， 并能控制车辆的速度和方向，从而实现车辆安全高效的行驶；AVCS另一个显著优点是车队控制技术。一队车辆以较小的间距和均匀的速度在车道上行驶，这样在不发生拥挤的情况下，在相同的车道面积上可以具有更高的车辆密度，从而大大提高道路通行能力。2、先进的车辆控制系统的功能子系统AVCS 的基本功能子系统包括：安全预警系统、防撞系统、车道保持系统、视野扩展系统、巡视控制系统、紧急报警系统、车辆行驶自动导航系统和环保系统等。（1）安全预警系统AVCS 的车辆安装的车载设备，包括安装在车身各个部位的传感器、激光雷达、红外雷达、盲点探测器、超声波传感器、电波雷达等设施具有事故检测功能，由计算机控制，在超车、倒车、变换车道、雨天、大雾等容易发生事故的情况下，随时以声音、图像等方式向驾驶员提供车辆周围及车辆本身的必要的信息，并可以自动或半自动的进行车辆控制，从而有效的防止事故的发生车载设备还可以对驾驶员和车辆进行随时检测监控，在必要时能发出警报信息，用以预防事故的发生。例如，当检测到驾驶员的注意力不集中或者开始打瞌睡时，就提醒驾驶员注意，并且采取相应的措施。例如在驾驶员饮酒过渡的情况下锁住发动机等等。它对汽车的主轴转速、轴温、轮胎气压等参数情况进行监控分析，必要时向驾驶员发出报警信号，可以预防事故的发生等。借助于车载设备取代驾驶员的部分工作，可以在很大程度上提高车辆运行的安全性。（2）防撞系统名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 9 页 - - - - - - - - - 11-3 纵向防撞系统纵向防撞系统主要是通过安装在车辆前后的雷达探测器或激光传感器等的探测作用实现的， 利用传感器分别探测前后潜在的碰撞隐患或即将发生的碰撞事件，为驾驶员提供及时的回避操作指令，并自动控制车辆的加速减速控制系统以保持适当的车辆间距，防止车辆与车辆、车辆和其他障碍物之间的正面或追尾碰撞。德国大众汽车公司研制的“特定车道障碍物预警系统”能预报逆行车 （因为要超车）对自己是否构成危险。该系统由多束激光测距传感器扫描汽车前部至障碍物的距离，同时，一种影响处理系统监视前方道路。这种仪器可以识别本车道及相邻车道上车辆及障碍物。在通过相应的多光束测距器测量绝对距离及相对变化的基础上，车载计算机计算出相对接近车辆的行驶速度，从而可以预报逆行车对自己是否构成危险。日产公司已研制出一种新型的防撞雷达装置，当汽车与前面的车辆接近速度太快时，此装置会提醒司机注意。它包括安装在汽车前面的激光发射器和激光传感器、与变速器相连的速度传感器以及装在驾驶室里的显示单元。这些部件由可以加快响应速度的纤维光缆相连。横向防撞系统横向防撞系统主要是利用车辆左右两侧的传感器分别探测车辆两旁的情况，从而为欲改变车道和驶离道路的车辆提供适当的侧向安全间距，防止或减少两部或多部车辆发生碰撞，或驶离道路的车辆与路侧障碍物发生碰撞。交叉口防撞系统交叉口是碰撞事故的多发点。交叉口防撞系统主要是当车辆通过或驶近信号控制的交叉口时， 将车载设备及通信系统获得的情报进行处理后，判断出是否有发生事故的危险，据此对车辆进行控制，维护行车安全。（3）车道保持系统车道保持系统的作用是为了防止车辆偏移。其目的是当驾驶员疏忽时，保持汽车仍在控制下行驶。它采用警告系统告知驾驶员汽车正在偏移，必要时，启动自动控制装置自动控制转向。装有车道保持系统的汽车可以自动地沿道路行驶，而不用驾驶员操作。当汽车在其行驶车道中离开了它的路径时，如果驾驶员不及时作出反应，系统会自动使汽车回至原来的路线。（4）巡视控制系统这一系统是在车道保持系统的基础上增加了雷达，雷达不断测量本车与前车的距离，并计算出两车的相对速度传给车上的计算机，由计算机操纵节气门和制动装置，从而与前车自动保持一个安全距离。这样汽车可以以较小的间距在车道上行驶。（5）视野扩展系统该系统也称作是视觉强化系统。车辆装有检测设备、屏幕显示设备及计算机处理设名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 9 页 - - - - - - - - - 11-4 备等，对检测信息进行处理，并以适当的、有助于驾驶员理解的方式显示在屏幕上，这可以增强行驶环境的可视性，对潜在的、微弱信息（如在黄昏黑夜、大雾或雨天等环境造成难以看清的障碍物等）加强视觉可知性，可大大提高车辆驾驶员对路况的观察及判断力，使驾驶员更好地掌握交通状况，从而提高汽车行驶的安全性。美国通用汽车公司研制的夜视系统如同电视机一样，显示屏幕的亮度是可调的。并且汽车前灯开关与否并不影响图像，迎面行驶的汽车也不会使系统失明。第一代夜视系统显示屏幕是黑白的，热的物体在其上呈现深色。目前正在研制的第二代夜视系统是彩色的，这对于观察交通信号和路灯是非常有利的。（6）紧急报警系统紧急报警系统主要是在事故情况下缩短事故相应时间，提高事故处理效率，尽量减少事故损失而开发研制的一个系统。这个系统主要使用GPS 技术和 GSM 通信技术及显示事故的电子地图（GIS）等设备组成。当事故发生时，碰撞传感器会自动发出一个包括有 GPS确定的车辆位置的无线电信号，由 GSM 技术完成车辆与反映中心的信息传输。反应中心的电子地图可以准确地显示出信号位置事故发生的地点。（7）车辆行驶自动导航系统目前，各发达国家均大力开发汽车的导航系统，这也是智能汽车一个组成部分。它由 GPS 技术、 GSM 技术、网络技术、电子地图、咨询诱导系统组成，通过它寻找最佳行驶路线，避开交通拥挤和发生事故的路段。驾驶员可以将目的地输入车内的电脑，提出要求，电脑便根据道路情况、红绿灯数、速度限制等，选出最佳路段，并显示在电子地图上。它不尽使车辆避开拥堵阻塞的路线，还可以帮助疏散车辆，减轻驾驶员心里负担，提供安全、舒适的行车环境。（诱导系统那一章讲过！ ）（8）环保系统环保系统主要是由计算机检测控制燃油、排放等情况，以取得最佳排放效果。除此之外，各国还在大力发展清洁燃料汽车等。智能汽车环保系统的研制与开发，是AVCS研究开发的重要领域，可以减少排放及噪声污染，提高汽车的运行效率。11.3 自动车辆驾驶的理论基础与关键技术1、自动车辆驾驶的理论基础自动车辆驾驶的研究涉及到计算机测量与控制、计算机视觉、传感器数据融合、车辆工程等诸多领域，可以说， 智能车辆的研究是计算机视觉与计算机控制研究在车辆工程上的综合。（1）计算机视觉在自动高速公路系统的研究中，最初计划采用地下埋电缆的方式，通过电磁感应进行智能车辆导航。由于可测量的电磁感应的范围太小（分米级），而且此种方法不能提名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 9 页 - - - - - - - - - 11-5 供车辆需要的方位信息及障碍物信息，因此该种导航方式在智能车辆的研究中基本已经被抛弃。在美国和日本， 20 世纪 90 年代中期的时候，提出在道路中间铺设磁块的方式来进行导航， 美国及日本还分别在1996 年和 1997 年在公路上做过实验。但此种方案的造价过于高昂，缺乏推广应用价值。事实上，当驾车时， 我们所接收的信息几乎全部来自于视觉。交通信号、 交通标志、道路标识等均可以看作是环境对驾驶员的视觉通讯语言。很显然，人们自然考虑到应用计算机视觉来解释这些环境语言。一个真正具有应用价值的智能车辆系统必须具备实时性、鲁棒性、实用性这三方面技术特点。 实时性是指系统的数据处理必须与车辆的高速行驶同步进行；鲁棒性是指智能车辆对不同的道路环境，如高速公路、 市区标准公路、 普通公路等， 复杂的路面环境，如路面及车道线的宽度、颜色、纹理、动态随机障碍与车流等，以及变化的气候条件，如日照及景物阴影、黄昏与夜晚、阴天与雨雪等均具有良好的适应性；实用性是指要求智能车辆在体积与成本等方面能够为普通汽车用户所接受。视觉系统在智能车辆研究中主要起到环境探测和辨识的作用。与其他传感器相比，机器视觉具有检测信息量大、能够遥测等优点。缺点是复杂环境下，要将探测的目标与背景提取出来，所需的图像计算量很大，单纯以当前的硬件条件出发解决，容易导致系统实时性较差。 这可以通过一些特殊图像处理方式来解决，如使用 Hough 变换从图像中提取直线形式的道路边界，与车辆内部存储的电子地图相结合，采用合适的路径曲率预测算法， 可以大大提高车辆行驶道路标线的识别速度及鲁棒性；也可将环境图像分解为多种类型， 然后针对不同的类型采用不同的环境表示方法和导航方式，从而避免无用信息的运算； 由于通过单帧图像信息来判断障碍物的距离和速度是很不准确的，因此在实际应用中， 可使用多个摄像机，或者是利用高速摄像机的多幅连续图像序列来计算目标的距离和速度， 还可根据一个摄像机的连续画面来计算车辆与目标的相对位移，并用自适应滤波对测量数据进行处理，以减小环境的不稳定性造成的测量误差。总之，将计算机图像信息与其他背景知识及其他传感器相结合，能快速提取复杂环境中的有用信息，进而产生合理的行为规划与决策。在行车道路检测、车辆跟随、障碍物检测等方面， 机器视觉都起着非常重要的作用，是智能车辆研究中最重要的一种传感器。（2）传感器数据融合一个智能车辆系统正确、可靠运行的前提是通过各种传感器准确地捕捉环境信息然后加以分析处理。因此，研究如何将通过传感器得到的信息加以有效处理、分析，并准确无误地了解环境的技术是重要的。然而迄今为止，没有任何一种传感器能保证在任何时刻提供完全可靠的信息，但采用多传感器融合技术，即将多个传感器采集的信息进行名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 9 页 - - - - - - - - - 11-6 合成，形成对环境特征的综合描述的方法，能够充分利用多传感器数据间的冗余和互补特性，获得我们需要的、充分的信息。目前，在智能车辆领域，除视觉传感外，常用的还有雷达、激光、GPS等传感器。雷达系统可以得到计算机视觉技术比较难以解决的检测对象的距离信息，能准确发现车辆行驶环境中存在的物体。此外雷达传感不受雨、雪、雾等自然条件的影响，在恶劣环境条件下具有独特的优势。激光系统可以得到车辆的瞬时车辆速度信息及精确的车辆与前方车辆的距离信息，被广泛地应用于避障、超车、防碰撞系统中。德国大众公司研究的智能车辆系统，是一个典型的数据融合系统。将雷达、计算机视觉、激光扫描器等传感器集中到一个系统中，利用传感器之间数据的互补及冗余得到可靠稳定的车辆所需要的信息。（3）控制理论尤其是智能控制在智能车辆上的应用为实现智能车辆对路径的稳定跟踪，性能优良的控制器是智能车辆必不可少的部分，所以控制理论在智能车辆上的应用是十分重要的。智能控制代表着自动控制的最新发展阶段，也是应用计算机模拟人类智能，实现人类脑力劳动和体力劳动自动化的一个重要领域。智能控制是一门新兴学科，人们目前认为其包括递阶控制系统、专家控制系统、模糊控制系统、神经控制系统、学习控制系统五个方面。总体来讲， 智能控制具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混合控制过程，也往往是那些含有复杂性、不完全性、模糊性或不确定性以及不存在已知算法的非数字过程，并以知识进行推理，以启发来引导求解过程等特点，其本质与智能车辆的本质相一致， 故在智能车辆上取得了广泛的应用。目前美国及日本已经有应用专家控制系统知识建立的车辆辅助驾驶器产品，该种产品能够提供合理的驾驶策略，如是否可超车、换道等；给出环境危险性警告，如前后车的安全距离等信息；监督驾驶员的精神状态，如驾驶员是否困倦等。模糊逻辑控制和专家控制在一点上是相同的，即两者都想要建立人类经验和决策行为模型，但模糊逻辑控制的模型大多数基于规则系统，源于控制工程而不是人工智能，是由模糊逻辑控制的设计者构造的。以上特点非常符合人类驾驶的特点，许多研究者往往根据某一特定的研究对象，按传统的控制工程理论设计车辆驾驶控制器，然后按照一定规则形成模糊控制驾驶控制器，推广到一类车辆控制中。神经网络因其本质上的并行机制，有较强的信息融合能力和系统容错功能，所以被广泛地应用于车辆控制器实现、车辆模型辨识、优化控制及故障诊断、容错控制、车辆行驶环境数据处理等方面。由以上阐述可见， 真正的人类意义上的智能车辆只有在计算机技术和智能控制技术名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 9 页 - - - - - - - - - 11-7 充分发展的基础上才能成为可能，这是世界各地智能车辆研究者们的共识及努力方向。2、自动驾驶系统的关键技术（1）传感器技术自动车辆控制系统主要是通过高科技传感器及通信来获取车辆及车辆外部的信息。目前在探测中远距离障碍物的传感器中，激光雷达和无线电探测与测距正在处于开发阶段，图像处理识别技术目前也正处于研究开发阶段。超声波传感器作为接近传感器也已投入使用。（2）通信技术车辆控制系统中涉及的通信技术主要是传感器与执行元件、车辆与道路、车辆与车辆之间的通信技术，主要是有线和无线通信，其目的是实现准确地传输图像、数据、语音等各种信息。（3）决策控制技术主要是利用车载计算机作为决策和控制中心，对由各种传感器收集来的信息加以综合利用， 通过计算机的分析处理作出最佳控制执行方案，并通过车辆上的各种控制系统自动控制车辆的行为。（4）信息显示提供技术此项技术主要是利用LED 等显示设备及发生装置，作为文字、图像显示、状态指示及声音提示的工具，为驾驶员提供完善的信息，协助驾驶员的驾驶行为。（5）驾驶状态监控技术利用各种监控技术对汽车的行驶状态及工作状态（如轮胎压力、气温、轴速、轴温等）进行监控，并且对驾驶员的状态进行监控（是否酗酒、瞌睡、疲劳等等），从而为计算机决策提供必要的信息。（6）气象及大气污染检测技术利用温度、湿度、风力、雾检测器等设备为驾驶员提供目前的天气状况、废气排放情形等信息。11.4 自动车辆驾驶的研究方向当今社会，一方面，随着城市化的进展及汽车的普及，交通环境日趋恶劣，交通拥挤加剧，交通事故频发，交通问题已经成为全球范围令人困扰的严重问题；另一方面，20 世纪 90 年代以来，计算机、电子、图像处理等技术飞速发展。在这种背景下，将各种先进技术运用到汽车工程中，减少交通事故，提高运输效率，减轻驾驶员劳动负荷的思想就应运而生，从而产生了智能车辆系统（Intelligent Vehicle System，IVS ） 。智能车辆系统，因其从轮式移动机器人(Wheeled Mobile Robot ，WMR) 的研究中吸取了大量的营养，所以，也有许多研究者将智能车辆与轮式移动机器人等同。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 9 页 - - - - - - - - - 11-8 从最近几次关于智能车辆的会议论文情况来看，目前智能车辆的研究方向主要有以下几个方面：1、 驾驶员行为分析（Driver Behavior Analysis ）主要研究驾驶员的行为方式、精神状态与车辆行驶之间的内在联系，目的是建立各种辅助驾驶模型， 为智能车辆安全辅助驾驶或自动驾驶提供必要的数据，如对驾驶员面部表情的归类分析能够判定驾驶员是否处于疲劳状态、是否困倦瞌睡等；2、 环境感知（ Environmental Perception）主要是运用传感器融合等技术，来获得车辆行驶环境的有用信息，如车流信息、车道状况信息、周边车辆的速度信息、行车标志信息等；3、 极端情况下的自主驾驶（Autonomous Driving on Extreme courses ）主要研究在某些极端情况下，如驾驶员的反应极限、车辆失控等情况下的车辆自主驾驶；4、 规范环境下的自主导航（Autonomous Navigation on Nomal environment）主要研究在某些规范条件下，如有人为设置的路标或道路环境条件较好，智能车辆根据环境感知所获得的环境数据，结合车辆的控制模型，在无人干预下，自主地完成车辆的驾驶行为。5、 车辆运动控制系统（Vehicle Motion Control Systems）研究车辆控制的运动学、动力学建模、车体控制等问题；6、 主动安全系统（ Active Safety Systems ）和被动安全相对比，主动安全系统主要是以防为主，如研究各种情况下的避障、防撞安全保障系统等；7、交 通 监 控 、 车 辆 导 航 及 协 作 （ Traffic Monitoring, Vehicle Navigation, and coordination）主要研究交通流诱导等问题；8、 车辆交互通信（ Inter-Vehicle Communications）研究车辆之间有效的信息交流，主要是各种车辆间的无线通信问题；9、 军事应用（ Military Applications ）研究智能车辆系统在军事上的应用；10、 系统结构（ System Architectures ）研究智能车辆系统的结构组织问题；11、 先进的安全车辆（Advanced Safety Vehicles ）研究更安全、具有更高智能化特征的车辆系统。上述方面基本覆盖了智能车辆系统研究所涉及的安全监控、智能防撞、辅助驾驶、自动驾驶、行为规划与决策、系统体系结构、综合集成等主要研究方向。如果从驾驶员名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 9 页 - - - - - - - - - 11-9 对车辆的控制方式及自主程度来分，上述各研究方向也可比较概括地划分为以下三大研究方向：1、控、警告系统：此部分研究前方碰撞警告、盲点警告、行车道偏离警告、换道警告、十字路口防撞警告、行人检测、倒车警告等方面的问题。2、 半自主式车辆控制系统：与上一部分相比，此部分具有更高级的车辆自动化。如当驾驶员对警告来不及反应时，系统接管车辆的控制，通过控制车辆的转向、制动、转矩等使车辆恢复到安全状态。3、 自主车辆控制系统：此部分具有完全的车辆自动化，研究包括车辆自适应巡航、道路保持低速等距行驶、排队行驶等方面的问题。11.5 自动车辆驾驶系统的特点及效果分析陆化普426 页参考11.6 自动车辆驾驶系统的开发应用陆化普参考名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 9 页 - - - - - - - - -