挑战前沿 创新以恒

刘岩松

1986年以来，在何克忠教授的带领下，清华智能车技术不断取得创新，为国内该领域的科技发展带来了先进的理念和启发。

清华大学智能技术与系统国家重点实验室THMR课题组，以何克忠教授为创新带头人，先后承担了与无人车技术有关的“七五”至“十一五”国家科技重点项目6项，国家863计划“智能交通”等科技研究项目8项，同时还承担了由国家邮政研究所、徐工集团、Omron公司等国内外企业支持的与无人车技术有关的研发课题6项。先后设计和研制成室内智能移动机器人THMR-Ⅰ、THMR-Ⅱ、THMR-ⅡA和室外智能移动机器人THMR-Ⅲ和THMR-V，并于2000年与徐工集团协作，成功地开发了LTU125A自动摊铺机；THMR课题组还成功开发了多项总线式工业控制计算机系统，如TH-STD-7000、TH-IPC-7000、TH-104-7000以及嵌入式测控机模板，如TH-MCS-7855、TH-MCS-7816和TH-MCS-7845等，它们已分别应用于玻璃窑炉控制、农药生产过程控制、邮政物料运输车控制、自动摊铺机控制、智能机器人控制以及汽车安全辅助驾驶系统等。

本刊记者：无人车的科技价值有哪些？它的发展前景您如何评价？

何克忠：从行车安全来说，无人车是采用计算机和电子仪器来检测环境信息和车体状态信息的，车体的动作也是用计算机和电子机电装置来控制的，因此无人车对环境、对车体的状况看得清楚、看得精确，动作快捷、灵敏，更没有误把油门当作刹车去踩的可能。而人工驾驶时，人对环境和车体状态的观察和感知缓慢、动作反应迟缓，还受精神状态的影响，甚至发出误判和错误动作。因此无人驾驶较之人工驾驶在安全性、可靠性上要高得多。

无人车技术运用广泛，可应用于军用、民用、公交、消防或星球探测车辆或载体等的自动驾驶、辅助驾驶和遥控驾驶；无人车技术也广泛应用于危险、有毒、有害场合或人类难以到达场合的探测、观察、处理、监控、维护和排障；除此以外，无人车技术还在工厂、码头、仓库、基地、机场的巡视和物料运输等方面有着重要的应用。

本刊记者：我们知道，早在2003年，您就领导完成了达到国际先进水平的智能车THMR-V。为我们详细介绍一下该成果？

何克忠：清华大学智能技术与系统国家重点实室THMR课题组经过多年的努力，在1995年研制成我国第一台无人驾驶车THMR-III，见图1；在2003年研制成功清华无人驾驶车THMR-V见图2，该无人车THMR-V能够实现结构化环境下的车道线自动跟踪，准结构化环境下的道路跟踪，复杂环境下的道路避障、道路停障以及视觉临场感遥控驾驶等功能。在车道线自动跟踪研究中，实现了自动跟踪，平均时速为每小时100公里，最高时速达到每小时150公里。驶出了全球极速。

本刊记者：在无人车THMR-V的研制过程中遇到了哪些关键技术，是如何解决的？

何克忠：在研制过程中，遇到关键技术有：道路和车道线的检测技术；高速车体的控制技术；方向盘转角的精密检测与传动技术；智能车的计算机体系结构；工业级测量控制模板的开发；测控装置的安全性、可靠性。

1.道路和车道线的检测技术

针对道路识别和车道线的检测技术，提出了基于扩充转移网络的道路理解技术。这种技术大幅度降低了道路图像处理和车道线识别的计算量，提高了车道线检测的速度，保证了车道线检测和道路环境理解的实时性，而且能够有效避免路面上其它车道标志的干扰。实验结果表明，在车道线跟踪阶段，全部计算过程的周期缩短到不足20毫秒，满足了高速无人车自主行驶的实时性需求。

2.高速无人车的控制技术

对于高速车体的控制，采用了基于混合模糊逻辑的控制方法。该方法是把传统的PID控制与模糊逻辑控制结合起来，提出了一种混合模糊逻辑控制算法，该算法具有很高的实时性、控制精度和鲁棒性，满足了智能车高速自主导航的需要。

3.方向盘转角检测与精密传动技术

高速行驶的无人车，方向角有些微的偏差，无人车将会冲出车道线乃至冲离道路。对于方向盘转角的检测，选择了精密的绝对光码盘，并且设计了合适的传动比，配置了精密的传动机构。

4.无人车的分层递阶的体系结构

无人车是一个复杂、庞大的电子机电系统，包括多个车体控制系统，多种不同数量的传感器和检测装置，多台实现不同功能的电子计算机，要把如此复杂、庞大的系统中的各个部件有机、高效地组织起来，有条不紊地协调工作是无人车体系结构要解决的关键技术。我们采用了分层递阶的体系结构：智能级、协调级和执行级，它们都选用工业控制计算机，三级之间实现网络通信。

智能级是根据起始点位置、目标点位置和电子地图进行全局路径规划，规划出-条最佳的可通行的路径。当全局路径发生变故，影响行进时，智能级将进行全局路径的重规划。两种规划的结果都发送给协调级。

协调级接受执行级各个传感器传来的位置信息和车体的状态信息，协调级对相应的信息进行融合，建立车体的状态模型和环境模型，并将部份信息，上传给智能级供全局路径规划使用，协调级根据上述两种模型和智能级送来的规划路径，进行局部路径规划，并据此进行轨迹规划，向执行级发出车体动作命令，如方向盘转角、转向，油门的车速命令乃至刹车、档位等命令。

执行级包括车体（方向、油门、刹车、档位、启停等）控制系统；激光雷达测量系统；摄像机环境检测系统；GPS、惯导等车体定位系统；磁罗盘-光码盘位置、速度测量系统等。执行级接受协调级发来的车体控制命令，控制车体动作；并向协调级发送各个传感器采集到的车体状态信息和车体的环境信息。

这种分层递阶的结构实现了功能的分散，用多台计算机实现各自不同的功能，避免了一台计算机功能过多、过于集中带来的风险。另外从实时性、快速性，编程的简便、安全、可靠方面也有很大的优点。endprint

5.工业级测量控制模板的开发

无人车的工作环境十分恶劣，环境温度范围宽，振动幅度大，抗电磁干扰要求高。对于车体控制系统课题组先后开发了工业级STD总线、104总线、IPC总线和CAN总线等总线式测控模板，实现模拟量的输入、输出，开关量的输入、输出等功能。这些模板分别通过工业过程控制总线STD、104、IPC、CAN等与工业控制计算机实现数据交互。

本刊记者：当下以及未来，无人车产业的发展有哪些挑战？相比世界领先水平，我们还有哪些差距？

何克忠：为了让中国无人车辆得到更好的发展，我们认为应该在以下几个方面继续努力：

1.提高无人车的可靠性和安全性

无人车上路最重要的难题是可靠性和安全性，尤其包括无人车上的控制装置如方向、油门、刹车等控制系统；摄像机、激光雷达、方向位置等检测部件；供电系统和工控机的可靠性和安全性。

2.加速、加强无人车研制单位与汽车制造行业的结合

无人车辆的研究应该尽早与汽车行业协作或结合，如车体控制装置等从研制过程与汽车行业协作，以汽车要求的技术标准进行设计、调试、安装，实现产品的标准化、系列化和批量化，以提高新增的无人车设备、装置的可靠性。

3.加强无人车重要设备、装置的研究，建立制造基地

众所周知，对于无人车的工作温度要求是十分苛刻的，从零下数十℃到零上数十℃，而常用的传感器如摄像机、工控机等的工作温度也就0℃-50℃，远不能满足可靠性要求，应采用新技术、新方法、新材料加强对无人车使用的设备或装置的研制和开发。

目前国内使用的无人车传感器，如激光雷达、微波雷达、摄像机、红外传感器等大部份是从国外进口，基本上没有国产的高性能产品。国家应该加大投入，加强基础研究、加强原材料研究，建立较齐全的无人车用的传感器生产基地。

4.加大对无人车技术研究的支持力度，加大经费的投入

无人驾驶汽车的研究涉及机械、光学、电学、计算机、汽车技术等，是多种学科、多种技术的交叉和综合，需要大量的人力、物力、财力的投入。虽然近年来国家加大了投入，但是与实际的需要、与国外经费的投入相差很大，需要加大对无人车技术研究的支持力度，加大经费的投入，以加快我国无人驾驶车辆技术的发展。endprint