無(wú)人駕駛汽車初探

1、無(wú)人駕駛汽車初探姓名：高洪峰學(xué)號(hào)：150101020107班級(jí)：15級(jí)機(jī)自21班課 程 名 稱：機(jī)械工程導(dǎo)論課程調(diào)研項(xiàng)目指 導(dǎo) 教 師：翟富剛2016年10月1/ 9隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們已經(jīng)進(jìn)入自動(dòng)化、智能化的時(shí)代。在 2013 年國(guó)際知名企業(yè)開(kāi)展了一場(chǎng)無(wú)人駕駛汽車的研發(fā)競(jìng)賽，一些企業(yè)研發(fā)的無(wú)人駕 駛汽車相繼亮相，并宣稱在1015年內(nèi)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。無(wú)人駕駛汽車之所以能夠提 上各大汽車企業(yè)的研究與開(kāi)發(fā)日程，被國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)作為研究重點(diǎn)，投入大 量人力和物力，不僅僅因?yàn)樗砀咝驴萍妓?，更因?yàn)樗鼭M足了人類對(duì)汽車 技術(shù)發(fā)展的迫切需求。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來(lái)看，汽車的發(fā)展趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)自主駕駛。無(wú)人駕駛汽車

2、是自 主駕駛的一種表現(xiàn)形式，從廣義上說(shuō)，無(wú)人駕駛汽車是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下用計(jì)算機(jī) 技術(shù)、信息技術(shù)和智能控制技術(shù)武裝起來(lái)的汽車，是有著汽車外殼的移動(dòng)機(jī)器 人。本文是作者在上完機(jī)械工程導(dǎo)論這門課，并在老師的指導(dǎo)下查閱書(shū)籍，歸 納總結(jié)，編輯整理的基礎(chǔ)上完成的。本文主要涉及無(wú)人駕駛汽車的體系結(jié)構(gòu)、 環(huán)境感知、定位導(dǎo)航、控制與決策以及一體化設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容。本文能夠撰寫(xiě)完成，首先要感謝翟富剛老師的教導(dǎo)，正是有了老師的風(fēng)趣 且不失風(fēng)度的講解，讓我對(duì)機(jī)械工程產(chǎn)生更加濃厚的興趣。在撰寫(xiě)過(guò)程中參考 了大量的書(shū)籍資料，再此相關(guān)資料的作者一并表示感謝。由于無(wú)人駕駛汽車技術(shù)在不斷的發(fā)展過(guò)程中，加之作者水平和能力有限， 在文

3、中有不當(dāng)之處，望批評(píng)指正。2/ 9目錄 TOC o 1-5 h z .摘要 .1.正文 .1.結(jié)論 .9.參考文獻(xiàn) .93/ 9無(wú)人駕駛汽車初探高洪峰（燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）摘 要：無(wú)人駕駛汽車也被稱為自動(dòng)駕駛汽車或智能汽車，其突出特點(diǎn)是能像人一樣對(duì)外界的情況做出反應(yīng)，即對(duì)所遇到的現(xiàn)實(shí)事物進(jìn)行思考、判斷，進(jìn)而進(jìn)行 識(shí)別和處理，具有隨機(jī)應(yīng)變的本領(lǐng)。本文報(bào)告了無(wú)人駕駛技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展，對(duì)無(wú) 人駕駛汽車體系機(jī)構(gòu)、環(huán)境感知技術(shù)、定位導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制、一體化設(shè) 計(jì)及無(wú)人駕駛汽車的機(jī)遇與挑戰(zhàn)進(jìn)行了調(diào)查。1無(wú)人駕駛汽車的產(chǎn)生與發(fā)展實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛是人類一直以來(lái)的夢(mèng)想，在軍事應(yīng)用需求的推動(dòng)下，無(wú)人駕 駛車

4、輛技術(shù)得到了不斷的發(fā)展和完善。其實(shí)無(wú)人駕駛早在1940年，美國(guó)未來(lái)學(xué)家諾爾曼？格迪斯就曾這樣預(yù)言：“你的孫輩將能通過(guò)一條新型高速公路在 24 小時(shí)內(nèi)橫穿整個(gè)大陸。他們乘坐的是一種全靠按鈕操作而不需要人駕駛的新式 汽車?！比缃裨跓o(wú)人駕駛汽車方面，美、德、意等國(guó)走在世界前列。在 2000年 之前，以美國(guó)的NavLab系列和德國(guó)的ARG頌?zāi)孔罹叽硇?，德?guó)的 VaMoRS- 系統(tǒng)也涉及了很多無(wú)人駕駛汽車技術(shù)。在格迪斯做出預(yù)言的50多年后，不需人駕駛的汽車終于變成了現(xiàn)實(shí)。那是 在1997年，無(wú)人駕駛汽車在美國(guó)加利福尼亞的一條高速公路上進(jìn)行了展示，8輛無(wú)人駕駛的汽車以時(shí)速105千米的速度保持了一個(gè)車身的

5、車距行駛。10年后 的2007年，有6輛無(wú)人駕駛汽車通過(guò)了美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局的“城市挑 戰(zhàn)”計(jì)劃，在城市道路上完全按照交通規(guī)則與其他車輛一起行駛。20世紀(jì)90年代末期，德國(guó)在城市的街道上測(cè)試了一輛由電腦代替人駕駛的 自動(dòng)駕駛汽車。這輛汽車上裝有18臺(tái)各種儀器設(shè)備，其中包括袖珍電子攝像機(jī)、 電子計(jì)算機(jī)高效圖像實(shí)時(shí)處理器、可能危險(xiǎn)預(yù)測(cè)和剎車自動(dòng)控制系統(tǒng)以及自動(dòng) 控制的腳踩板和方向盤等，它們接收并判斷道路上隨時(shí)出現(xiàn)的各種情況，同時(shí) 進(jìn)行相應(yīng)的選擇。止匕外，還具有巧妙超車和臨時(shí)改變行車路線的本領(lǐng)。該汽車 已成功地自動(dòng)行駛了 1萬(wàn)多千米。繼德國(guó)之后，法國(guó)也于21世紀(jì)初研發(fā)出由電腦控制的自動(dòng)駕駛汽車

6、。車上 除裝有電腦外，還裝有與電腦相連的視聽(tīng)終端、光盤驅(qū)動(dòng)器、電腦鍵盤等，以 便為電腦“駕駛員”提供所需信息。汽車的輪軸上裝有傳感器，可將有關(guān)數(shù)據(jù) 傳給車內(nèi)電腦，由電腦進(jìn)行操作控制。隨著無(wú)人駕駛技術(shù)的不斷發(fā)展，谷歌公司研發(fā)的沒(méi)有方向盤的自動(dòng)駕駛汽 車，將無(wú)人駕駛汽車推向了一個(gè)新的高峰，徹底改變了傳統(tǒng)汽車在人們心目中4/ 9心口落船位所部I寧也朋里激揩測(cè)距伊育哪笈明精神祝言也匕得近內(nèi)約3 口始乘囹升上倍率全彘申購(gòu)中楓、車就雷達(dá)微型傳感器0上工匚一3工二工二二電腦奧料摩用嘀加T存了富莪的陽(yáng)速用LX帔淳！1交通嘴弓燈, 以及行人、自亍土編行者辮訪行坯西貨卜述宮Ar瞄動(dòng)思科標(biāo)準(zhǔn)I工反出A口便西姓 于一

7、片司W(wǎng)U勺府抑下，中方姓 區(qū)摹儂拿通過(guò)揚(yáng)聲器.以柔 中脫回町工聲送出能切怪近4臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)車戟雷達(dá)以三前看的花片的；，財(cái)責(zé)十字路口,，W）行人”的提示圖一的印象。這種自動(dòng)駕駛汽車沒(méi)有方向盤、油門（加速）踏板和剎車等，因?yàn)樗?根本不需要這些東西。汽車能啟動(dòng)行駛，完全由車載軟件和傳感器來(lái)完成。車 上設(shè)置兩個(gè)有安全帶的座位，有供乘員使用的“開(kāi)動(dòng)”和“停止”按鈕，還有 一個(gè)顯示行車路線的屏幕。汽車由電池驅(qū)動(dòng)，最高時(shí)速為 40千米?？v看無(wú)人駕駛汽車的發(fā)展歷程，無(wú)人駕駛汽車的速度不斷提升，功能不斷 強(qiáng)化，并從試驗(yàn)場(chǎng)走向了真實(shí)道路，從單純的實(shí)驗(yàn)室研究到校企合作，無(wú)人駕 駛汽車技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。雖然制約無(wú)人

8、駕駛汽車發(fā)展的因素依然存 在，但是無(wú)人駕駛汽車已經(jīng)得到越來(lái)越多的認(rèn)可。無(wú)人駕駛汽車的發(fā)展已經(jīng)被 各大汽車企業(yè)提到了研發(fā)日程上。2無(wú)人駕駛汽車的技術(shù)初探.無(wú)人駕駛汽車的體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)系統(tǒng)的“骨架”。常用的體系結(jié)構(gòu)有分層遞階式體系結(jié)構(gòu)、反應(yīng)式體系結(jié)構(gòu)、基于混合式體系結(jié)構(gòu)的無(wú)人平臺(tái)體系4D/RCS無(wú)人系統(tǒng)聯(lián)合體系（Joint Architecture for Unmanned System,JAUS ）等。2007年美國(guó)的 DARPA戰(zhàn)賽冠軍一一Boss無(wú)人駕駛汽車（如圖二）在原車基礎(chǔ)上整合現(xiàn)成的 商業(yè)線控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)加速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、變換擋位等自動(dòng)操作。.無(wú)人駕駛汽車對(duì)環(huán)境的感知技術(shù)5/ 9

9、無(wú)人駕駛汽車行駛環(huán)境檢測(cè)通常需要提取路面信息，檢測(cè)障礙物，并計(jì)算 障礙物相對(duì)于車輛的位置。環(huán)境感知技術(shù)在無(wú)人駕駛技術(shù)中起著非常重要的作用，無(wú)人駕駛汽車環(huán)境感知技術(shù)基礎(chǔ)包括激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、車載視覺(jué)傳 感器及傳感器標(biāo)定等技術(shù)。運(yùn)用這些技術(shù)能夠?qū)Y(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化道路以及行 駛環(huán)境中的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，如對(duì)直彎道、鄉(xiāng)村土路、行人、車輛及交通信號(hào)燈 和交通標(biāo)志等的檢測(cè)。.無(wú)人駕駛汽車定位導(dǎo)航定位技術(shù)用來(lái)提供車輛位置、姿態(tài)等信息。它是無(wú)人駕駛汽車行駛的基礎(chǔ) 常用的定位技術(shù)有航跡推算技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、路標(biāo)定 位技術(shù)、地圖匹配定位技術(shù)和視覺(jué)定位技術(shù)等。除此之外，無(wú)人駕駛汽車在未 知環(huán)境中

10、從一個(gè)未知位置開(kāi)始移動(dòng)，在移動(dòng)過(guò)程中根據(jù)位置估計(jì)和地圖進(jìn)行自 身定位，同時(shí)在自身定位的基礎(chǔ)上建造增量式地圖，實(shí)現(xiàn)自主定位和導(dǎo)航的技 術(shù)稱為同時(shí)定位與地圖創(chuàng)建。由于任何一種單獨(dú)定位技術(shù)都有無(wú)法克服的弱點(diǎn)， 于是組合導(dǎo)航成為研究的熱點(diǎn)。組合導(dǎo)航系統(tǒng)綜合了兩種或兩種以上不同類型 的導(dǎo)航傳感器信息，使它們優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，以獲得更高的導(dǎo)航性能。組合導(dǎo)航系統(tǒng) 以其低成本、高性能的突出優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。.無(wú)人駕駛汽車路徑規(guī)劃無(wú)人駕駛路徑規(guī)劃是指在一定環(huán)境模型基礎(chǔ)上，給定無(wú)人駕駛汽車起始點(diǎn) 與目標(biāo)點(diǎn)后，按照性能指標(biāo)規(guī)劃出一條無(wú)碰撞、能安全到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的有效路徑。 經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，路徑規(guī)劃技術(shù)已取得了非常矚目的成就。

11、路徑規(guī)劃中環(huán)境 地圖建立過(guò)程常用的方法有量度地圖表示法、拓?fù)涞貓D表示法、混合地圖表示6/ 9法，路徑搜索算法分別有基于采樣和基于地圖的兩種路徑規(guī)劃算法。路徑主要 包含兩個(gè)步驟：建立包含障礙區(qū)域與自由區(qū)域的環(huán)境地圖，以及在環(huán)境地圖中 選擇合適的路徑搜索算法，快速實(shí)時(shí)地搜索可行路徑。路徑規(guī)劃結(jié)果對(duì)車輛行 駛起著導(dǎo)航作用，它引導(dǎo)車輛從當(dāng)前位置行駛到達(dá)目標(biāo)位置。.無(wú)人駕駛汽車的運(yùn)動(dòng)控制無(wú)人駕駛汽車運(yùn)動(dòng)控制分為縱向控制和橫向控制?？v向控制是指通過(guò)對(duì)油 門和制動(dòng)的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)期望車速的精確跟隨。橫向控制實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛汽車的 路徑跟蹤。其目的是在保證車輛操縱穩(wěn)定性的前提下，不僅使車輛精確跟蹤期 望道路，同時(shí)使

12、車輛具有良好的動(dòng)力性和乘坐舒適性。在無(wú)人駕駛汽車的行駛 過(guò)程中，車輛的橫向運(yùn)動(dòng)和縱向運(yùn)動(dòng)存在耦合關(guān)系。通常將縱向運(yùn)動(dòng)和橫向運(yùn) 動(dòng)進(jìn)行解耦，設(shè)計(jì)兩個(gè)互補(bǔ)關(guān)系的控制器，對(duì)其分別進(jìn)行控制。無(wú)人駕駛汽車技術(shù)圖解*S&t3l*NC偏周分警附系統(tǒng)IANE DFRWTURE 的lilt& a.SIDE iMWiCTSflFSPOT DOECTDHCHOOS TRAfFlC AlXRfTCROSS TRA/RCALERTSELF RWtJGV1SKWLAM ERAFTUE ART的屬隼ii相承統(tǒng)euuospcT PHECTC#1點(diǎn)偵9NIP5ucjuicm示辨統(tǒng)a if.無(wú)人駕駛汽車的一體化技術(shù)在國(guó)內(nèi)外無(wú)人駕

13、駛汽車技術(shù)的研究中，大多通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)汽車添加外部機(jī)構(gòu) 進(jìn)行改造的方法實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛。但在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，這種方法暴露出很多弊 端。首先將上層決策系統(tǒng)的指令施加于外部機(jī)構(gòu)，可能會(huì)導(dǎo)致附加控制系統(tǒng)和 汽車原有控制系統(tǒng)不能合理的兼容，難以達(dá)到預(yù)定控制效果。止匕外，外加機(jī)構(gòu) 的安裝減少了汽車的空間，增加了環(huán)節(jié)和控制的復(fù)雜性，并且降低了無(wú)人駕駛 汽車的可靠性。而無(wú)人駕駛汽車一體化設(shè)計(jì)是指綜合考慮無(wú)人駕駛對(duì)行駛環(huán)境 的感知和決策以及車輛的動(dòng)力學(xué)特性之間的相互聯(lián)系和影響，將汽車動(dòng)力學(xué)特 性與環(huán)境感知決策進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，在構(gòu)建無(wú)人駕駛汽車平臺(tái)上集成設(shè)計(jì)各個(gè) 模塊及其相關(guān)過(guò)程。它注重設(shè)計(jì)的整體性和系統(tǒng)性，以獲得無(wú)人

14、駕駛汽車設(shè)計(jì) 的整體最優(yōu)為目標(biāo)，在控制、結(jié)構(gòu)、性能、布局、強(qiáng)度、可靠性、人機(jī)工程、7/ 9 維修性和壽命周期費(fèi)用等多方面進(jìn)行綜合分析和協(xié)調(diào)權(quán)衡，從而最終提高無(wú)人 駕駛汽車的質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，降低研發(fā)和生產(chǎn)成本。3無(wú)人駕駛汽車的機(jī)遇與挑戰(zhàn)無(wú)人駕駛汽車面臨著前所未有的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。車聯(lián)網(wǎng)使無(wú)人駕駛汽車不再是單獨(dú)的移動(dòng)車輛個(gè)體。通過(guò)車輛與車輛以及車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛汽車與其他車輛、基礎(chǔ)設(shè)施以及人類之間的交互，形成一個(gè)龐大的信息網(wǎng)絡(luò)。憑借這種優(yōu) 勢(shì)，多個(gè)無(wú)人駕駛汽車之間可以組成編隊(duì)，通過(guò)交叉口、多任務(wù)分配等多種方式的協(xié)作， 從而形成一種全新的智能交通方式，為現(xiàn)有的交通系

15、統(tǒng)注入新的血液，促進(jìn)智能交通系 統(tǒng)的進(jìn)一步升級(jí)與發(fā)展。 與此同時(shí)，現(xiàn)有的智能交通系統(tǒng)也可以為無(wú)人駕駛汽車在道路 上行駛提供大量的交通信息， 為無(wú)人駕駛汽車早日融入現(xiàn)實(shí)交通，為社會(huì)與人類服務(wù)奠定了良好的基礎(chǔ)。如今，發(fā)展無(wú)人駕駛汽車已成為一種趨勢(shì)。無(wú)人駕駛汽車將會(huì)給社會(huì)很多行業(yè)帶來(lái) 顛覆性的改變，促進(jìn)很多新興行業(yè)的興起， 同時(shí)也將帶來(lái)巨大的商機(jī)和財(cái)富。 發(fā)展無(wú)人 駕駛汽車和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決的不僅是個(gè)人出行的有效性，同時(shí)在如何更加有效利用社會(huì)資源方面也提供了新的可能。但也要看到無(wú)人駕駛汽車的進(jìn)一步發(fā)展也面臨著很多挑戰(zhàn)， 雖然經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外無(wú)人駕駛汽車技術(shù)取得了顯著的進(jìn)展，但實(shí)際交通環(huán)境復(fù)雜多變，且目前人工智能與人腦智能之間尚存在較大的差距，現(xiàn)有傳感、處理與控制技術(shù)在實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)等方面達(dá)不到要求。因此，復(fù)雜交通環(huán)境下車輛無(wú)人駕駛?cè)诵枰M(jìn)一步 研究并解決復(fù)雜交通環(huán)下的可靠環(huán)境感知問(wèn)題、擬人認(rèn)識(shí)的視聽(tīng)覺(jué)信息處理與決策問(wèn)題和適用于無(wú)人駕駛汽車的控制系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)問(wèn)題。8/ 9總結(jié)這是一個(gè)自動(dòng)化、智能化的時(shí)代，人們正從大量的工作中解放出來(lái)，取而 代之的是不斷發(fā)展進(jìn)步的機(jī)器人。據(jù)調(diào)查，2015年我國(guó)以個(gè)人名義登記的小型載客汽車（私家車）達(dá)到1.24億輛。按照約13億總?cè)丝谟?jì)算，大致相當(dāng)于每100 人中有10人擁有私家