无人驾驶汽车的发展与研究

姜沛宏，张长坤

（德州学院 汽车工程学院，山东 德州 253023）

无人驾驶汽车的发展与研究

姜沛宏，张长坤

（德州学院 汽车工程学院，山东 德州 253023）

无人驾驶汽车（自动驾驶汽车）对于交通系统的效率和安全性具有很大的帮助和提高，这将是未来汽车发展的主流。文章介绍了自动驾驶系统的功能、作用及技术原理，阐述了无人驾驶汽车的发展方向，并对其中存在的问题进行了探讨。

无人驾驶汽车；自动驾驶系统；车辆定位；车辆控制

无人驾驶汽车的本质就是在一辆普通的汽车上装配先进的设备和仪器，来取代人的作用，可以对道路情况进行判断，对每时每刻遇到的情况进行决策，采取相应的行动。主要利用车上安装的传感器来感受路况的变化，把检测到的车辆、障碍物、道路状况等信息进行汇总，然后对车辆的行驶进行控制，转向或者变速，使汽车安全地在道路上行驶，最终驶向目的地。

随着我国汽车保有量的增加，道路交通拥堵现象越来越严重，每年发生的交通事故也在不断上升，为了更好的解决这一问题，研究和开发汽车自动驾驶系统是很必要的。自动驾驶系统能很好的解决道路拥堵，提高交通系统效率。我国2001年成功研制出时速达到76km的无人驾驶汽车；2003年首台高速无人驾驶汽车出现，时速相比增长很大，能达到170km；2006年红旗HQ3无人实验车研制成功；2015年百度与宝马联手成功实现了国内无人汽车的全自动驾驶，此次测试是中国无人驾驶车的里程碑，标志着其发展进入了一个新的阶段。并且自动驾驶汽车还可以大幅度减小交通事故的发生，降低车祸的死亡率，使交通系统更加安全。

1 自动驾驶汽车系统的功能与构成

自动驾驶技术是一个系统，利用各种先进的设备来替代司机，完成一个司机驾驶车辆的功能。不同的模块之间彼此沟通协调，来完成下述功能：①控制车辆加速，刹车和转向。②监控周边障碍物。③遵守当地交通法规，把车辆运送到目的地。

一个完整的自动驾驶系统，主要有下面3个部分：①GPS（全球定位系统）和地图信息。地图信息要精准，要包括所有静止物体的准确位置信息，地图数据必须精确到厘米量级。②传感器、雷达和摄像机。车载传感器每时每刻都要对周围环境进行扫描；车载雷达可以对路中的车辆和路边的障碍物进行检测；摄像机可以用来检测路标和交通信号灯，传输给处理器进行数据分析。③处理器。收集大量信息并对其进行分类分析，然后发出指令指导车辆进行行驶路径的改变。处理器会根据收集到的信息进行处理然后选择最安全、最便捷的解决方案。同时还能将数据分享，与其他的车辆进行沟通，共同形成一个合理的交通系统，以减少车祸发生的可能性。

2 自动驾驶系统中各部分作用

自动驾驶系统能够通过车载传感器和控制系统实现与人、车、路的信息交换，使车辆具备智能的环境感知能力，并且能够自动分析车辆行驶的安全状态，对要行驶的路线进行自动规划，使车辆按照人的意愿到达目的地。

在无人驾驶汽车中，车的前后灯附近都有激光扫描仪，它们可以对车附近的环境和路况进行观察、扫描，构建一个立体的道路模型。激光扫描仪还能识别各种交通标志，无论是红绿灯还是限速标志都能被识别，然后调用控制系统中每一种标志所对应的行驶规则，以保证能够安全行驶。车头上方会有摄像头，它能够识别道路上的白线，进而控制车辆行驶的方向。同样在车顶上还会有一个雷达，雷达能够检测自动驾驶汽车与前方车辆、行人和障碍物之间的距离，不会使车辆与其他物体碰撞，从而使车辆

安全行驶。在车的两侧会有超声传感器，感受车辆两侧方向上的情况变化。通过这些使自动驾驶汽车的安全性最大化。

无人驾驶汽车的控制系统装载在车的后备箱中，实质是一台计算机，能够分析处理各种数据信息，并对汽车发送指令，使汽车在各种不同的情形下都能进行灵活行驶，如图1所示。比如躲避行人与障碍物，按照交通规则行驶，不与其他车辆争抢，不会使道路拥挤，从容前进。同时在远处的指挥控制中心还可以对车辆下达指令，进而车辆本身的计算机接收指令后再控制车辆进行相关的行驶。

图1 自动驾驶系统框图

3 无人驾驶汽车的关键技术

无人驾驶汽车有两个关键技术：定位技术和控制技术。这两方面相辅相成、互相配合共同构成了无人驾驶汽车。

（1）定位技术。在自动驾驶系统中最基础的技术就是定位技术。车辆需要对周围所有的人、车和障碍物进行定位，获得他们的准确位置，才可以采取相应的驾驶方法。目前最常用的技术是磁导航和视觉导航。其中，磁导航是目前最成熟可靠的方案。磁导航的最大优点是不会受到天气等自然条件的影响，选择磁导航可以在各种天气环境下行驶，并且便于维护。但是磁导航也有缺点存在，它需要在道路中架设一定数量的导航设备，实施十分复杂，维护也较为不便。视觉导航就不存在这个问题。视觉导航中车载主控计算机可以在车辆偏离目标轨道前预知并预防。其缺点是，受天气条件影响较大，如风沙、大雾使能见度低或交通标志不清晰时，视觉导航便会失效。但由于视觉导航对基础设施的要求较低，是目前最有发张前景的定位方法。所以解决视觉导航存在的问题便成为当前的首要任务，首先需要精度极高的视觉导航仪，其次是增强交通标志被识别的功能。

（2）控制技术。在无人驾驶系统中最核心的技术就是车辆控制技术，控制技术的好坏决定了无人驾驶汽车的成败，控制技术主要包括速度控制和方向控制两部分。自动驾驶其实就是用电子技术控制汽车进行的仿人驾驶。从驾驶员的普通驾驶中分析得知，对车辆的控制是一个典型的预瞄控制行为，此行为中驾驶员根据当前道路的情况，找到一个预瞄点，根据预瞄点来控制车辆。目前最常见的方法是经典的智能PID算法，例如模糊PID、神经网络PID等。

4 无人驾驶汽车的发展方向

无人驾驶汽车的研究方向可以分为高速公路环境、城市环境、特殊环境三种，三者之间相互重叠而各自又有不同的技术侧重点。

（1）在高速公路环境下，系统将使用环境限定为具有道路标志良好的高速公路上，在这种环境下系统要完成的工作是检测道路标志线，跟踪标志线行驶，对道路中的车辆和路标进行识别，目标是实现无人驾驶汽车进入高速公路后的全自动驾驶。这种应用解决了目前社会中最普遍枯燥的驾驶行为，提高了社会生活的工作效率。

（2）在城市环境下，无人驾驶相对于高速环境下车辆行驶速度比较慢，因此在这种环境下的无人驾驶汽车更安全可靠，在一定程度上能够解决城市区域的交通问题，特别是在大型的公共场所如机场、公园、校园，在这些地方无人驾驶车的速度较慢，路程比较近。但是，城市环境相对比较复杂，对感知和控制的算法提出了更严格的要求，所以在城市环境下无人驾驶汽车的行驶是一个很大的难题，这将成为下一阶段研究重点。

（3）在特殊环境下，尤其是驾驶系统在军事中的应用，国家一直都很重视这方面的发展。但是关键技术与其他两种环境一样，感知和控制的要求更加严格，但是在性能要求上的侧重点不同。在特殊环境下使用时着重考虑的是在恶劣环境下的适应性，这也是在未来推广应用需重点解决的问题。

5 结语

无人驾驶汽车是未来汽车发展的主流方向，它的应用会降低道路上汽车的行驶速度，能大大减少交通事故的发生，同时也能舒缓当前交通拥挤的状况，使交通系统安全可靠。无人驾驶汽车从根本上改变了传统车辆的控制方式，最大化的提高交通系统的效率。在计算机技术和导航技术快速发展的时代，自动驾驶系统的研究充满生机，无人驾驶汽车将会广泛的运用到实际生活中，为人们的生活增添光彩。

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Development and Research of Intelligent Car

JIANG Pei-hong，ZHANG Chang-kun
（Automotive Engineering Institute，Dezhou College，Dezhou，Shandong 253023，China）

Intelligent cars（self-driving cars）is helpful for efficiency and safety of transportation system，which will be the mainstream of future development.This paper introduces the function and technical principle of automatic driving system，expounds the development direction of driverless cars，and discusses the existing problems.

driverless cars；autopilot system；vehicle positioning；vehicle control

U463.5

A

2095-980X（2016）10-0010-02

2016-09-14

姜沛宏（1993-），女，山东烟台人，大学本科，主要研究方向：汽车工程。