人工智能的汽车车速和方向控制研究

张宏宾

摘 要：随着我国的发展和科技水平的提高，使汽车电子技术也大规模的发展起来，使和汽车有关的技术都得到了开拓性的发展，尤其是在大数据和人工智能的发展下，人工智能的汽车已经变为了可能，而且有的地区已经将无人驾驶汽车进行了推广和试用。对于人工智能的汽车来说，最需要控制的就是车速和方向了，因为这些数值的设定是不容许有任何偏差的，是必须做到十分精准的，否则会引发严重的后果。可是该如果控制和设定人工智能汽车的车速和方向呢？本文就针对这个问题进行了分析和研究。

关键词：人工智能;车速控制;方向控制;研究分析;自动车速

对于人工智能的汽车来说，主要是通过设置方向和速度让汽车自动驾驶，能代替驾驶员来操控汽车。它是根据车载传感单元测得的环境信息以及车辆状态信息，然后由控制单元来做出相应的决策，最终通过控制执行机构能让汽车在正常的车道上行驶。人工智能汽车主要包含的技术是传感技术、计算机技术、控制技术等等，通过这些技术能帮助自动驾驶的汽车远离交流拥堵并能安全行驶。

一、人工智能汽车的概述分析

对于人工智能自动驾驶汽车来说，它主要控制的核心就是汽车行驶的速度和方向，也就是要把它打造成模仿人的驾驶。就目前世界的发展来看，对人工智能自动驾驶车辆研究最好的国家是美国和德国，可以说他们是在人工智能汽车发展的最前沿，而且研究出来的人工智能汽车实用性和可行性也是最高、最强的。在20世纪70年代的时候，当美国提出自动地面车辆计划，并在校园内可以低速自动行驶的时候，德国汉堡公司就紧随其后研制出了真正由帕萨特改装而成的无人驾驶汽车，而且研制出来的无人驾驶汽车还可以在环境如此复杂的城市道路上来行驶[1]。

二、人工智能汽车在给汽车行业带来的好处有哪些？

人工智能汽车带来的好处站在不同的角度分析，看法也会不同，如果从消费者角度来看的话，人工智能汽车这项新技术将给消费者带来新的汽车产品和服务，而且对于服务的质量来说只会持续的提升;如果从技术发展的角度来看，大数据和信息化的时代下，汽车的变化在以飞速的方式发展起来，而且这项人工智能汽车技术也将会是汽车行业在改革发展中所必须要跨越的“创新门槛”;如果从发展成果转化来看，会受到国家和地方政府的大力支持，并通过政府部门的支持，加速人工智能汽车的发展，并给人工智能汽车提供“助力赋能”的帮助。

三、关于人工智能汽车车速和方向控制的分析

就目前的人工智能汽车来说，很过国内外的学者都在汽车速度和方向的控制上做了大量的分析和研究。并提出来了一种基于差分GPS传感器的车辆自动转向技术。然后将卡尔曼滤波后的GPS信息转向反馈控制。通过最小化车辆侧向位置偏差和横摆角速度来跟踪期望值偏差并计算出转向量。最后在采用已经改进过的PID算法来实现车辆自动驾驶的转向控制，然后在根據汽车速度方向和道路切向的夹角来确定转向盘转角，这样能很好的保证汽车在高速运行和在急转弯的情况下，都能保证汽车的稳定性能。

四、人工智能自动化汽车中包含的技术系统以及作用

人工智能汽车在设计的时候会设计到很多的技术，如，自适应巡航系统、主动避撞系统、自动泊车系统、随车转向灯系统、夜视系统、防疲劳监控系统、车道偏离警告系统以及自动驾驶系统等等。下面我简单介绍一下主要的技术设计系统。

（一）自适应巡航系统：是新发展起来的一种汽车安全性辅助驾驶系统，它是将汽车自身的自动巡航控制系统和车辆前向撞击报警系统给结合了起来，并将两者的优势都充分的发挥出来。这种系统主要适应在高速公路、宽路面的道路以及乡间道路形式的汽车上。自适应巡航系统的速度控制主要是根据驾驶员的意愿来设定车速，所以它也被称之为设定速度控制[2]。

（二）夜视系统：夜视系统理解起来还是比较简单的，就是在夜晚或者比较黑暗的情况下汽车看东西的能力。想要将夜视系统发展成为可能，是必须要具备两个条件的。第一是要有足够的光谱范围，第二就是要有足够的光谱强度。

（三）车辆动力学控制系统：这项系统的设计主要是帮助汽车能够稳定运行，更好的保证人工智能汽车的稳定性。这项系统的主要表现是可以实现左右纵向力的差动控制，以方便对汽车提供衡摆力柜，抵消汽车的不稳定性运动。

（四）汽车智能速度控制系统：主要是用于特殊路段下对车辆进行强制限制。在这项系统工作之前需要先设定的是限制速度，也就是说当汽车将要达到或者要超过设定的速度时，电子控制单元将会启动执行器，使汽车不能在继续加速前进。

（五）智能导航系统：主要包括我们比较熟悉的卫星导航、视觉导航、磁导航等。对于卫星导航来说，主要是通过定位系统对人工智能汽车自动驾驶车辆进行三维导航定位、定时。然后通过定位给汽车将要到达的目的地进行路径规划，便于规划出非常合理的路径[3]。

五、基于侧向位置偏差和偏航角联合控制参数的方向控制研究

人工智能汽车自动驾驶的控制目标主要是通过自动转向盘的转向角度来减少人工智能汽车的实际位置和期望行驶轨迹之间的侧向位置偏差和偏航角。下面我将采用一种以侧向位置偏差和偏航角为联合控制参数的方向控制算法，并采用PID反馈控制算法，来获取需要跟踪汽车轨迹所需的转向盘转角控制输入。对人工智能汽车方向的控制思路主要是：将期望汽车道路轨迹的固定路径进行分析，然后要将这种道路的路径优先存储于汽车的方向控制器中，并通过环境的感知系统和汽车状态监测的模块来获取车辆的实时位置，以此来作为方向控制器的量测输入，并要沿着汽车行驶的方向来进行仿人预瞄。最后要将通过计算得出的侧向位置偏差和偏航角作为反馈的数值量，然后根据车速调整转向控制输入来获得实现轨迹跟踪的转向盘转角。

期望道路轨迹采用地面坐标系OXY对道路中心线上的带你进行有序的描述，然后每个点都需由横坐标X、纵坐标Y 以及道路摆角O来进行表示，如果将整条道路的期望路径用n个预设点代表，并将期望车速包括在内，则可以将其描述为（Xi，Yi，Oi，Ui）其中1

大写字母OXY为地面坐标系，小写字母o x y为车辆的坐标系。假设牵引车当前位置的坐标是（XN0，YN0）横摆角是ON0，当对前方预瞄一段距离L以后，确定预瞄点P的位置坐标，然后在过P点作一条和x轴垂直的直线，这个时候它和期望轨迹的交点Q就是期望的位置，而轨迹Q点切线和地面坐标系X轴的夹角就是期望的道路横摆角[4]。

关于期望位置坐标和预瞄点处相对于期望位置的侧向位置偏差以及航向角偏差通过搜索可以得到，具体的搜索步骤是：（一）要搜索期望路径上和车辆当前位置最近的预设点，并将此预设点作为最开始的搜索点。（二）要采用局部搜索的策略来，从最開始的搜索点来获取更多的期望路径预设点的位置信息。（三）要通过对预瞄点的计算来搜索出每个预设点的距离，并要根据预设点的距离来筛选出距离最短的期望预设点，以此来为最终的期望位置。（四）取得期望的位置以后，可以利用线性插值得到期望的位置坐标和侧向位置偏差以及车速偏差。最后要以地面坐标为绝对的坐标，车辆的坐标为相对坐标，因为驾驶员总是处于和汽车行驶的方向一致，所以需要通过相对坐标来观测前方的道路和汽车的位置关系，所以说想要计算侧向位置偏差还需要进行坐标的变换，同时也要得到车辆坐标系下期望位置的相对坐标[5]。

六、自动驾驶车速控制研究

自动驾驶车速控制主要是让人工智能汽车在指定的速度上来行驶，这也是人工智能汽车非常重要的一个环节设定和控制。对于车速的偏差定义为期望位置处设定的期望速度与汽车实际运行速度之间的差值。车速控制器也要以车速偏差最小为控制的目标，采用的仍然是PID控制算法来确定执行单元的控制量，从而实现车速的提高和降低变化。车速的跟踪是以油门开度和制动踏板的行程为非相容组合控制输入，因为模拟的驾驶员是不会同时踩下油门和制动踏板的。此外，为了更好的避免因为油门和制动踏板频繁切换造成执行机构的疲劳损伤和切换抖动情况，需要合理的设计油门和制动切换策略。在设计切换原则上可以遵循以下几种策略[6]：（一）关于油门和制动踏板是不可能同时被踩下的。（二）为了更好的保证人工智能汽车在行驶的过程中保持一个速度，是不会在油门和制动踏板之间进行频繁切换的。（三）如果人工智能汽车需要降低速度的时候，不用立即踩下主动踏板，最好的方法是利用油门全松状态下，使车辆自行减速。

具体的切换流程图如上图所示。对于每个区间来说，都应该一个切换逻辑，下面我以减速区间为例，简单介绍一下切换的规则：

（一）如果当前的油门或者制动状态是在Th_a油门的时候，说明这个时候的油门踏板是踩下去的;控制输出表示为Th_out=Th_in且Br_out=0，说明制动踏板处于不动状态，所以为了避免二者之间同时开始动作，可以通过松开油门来达到车辆减速的效果。

（二）如果当前的油门或者制动状态是在Br_a制动状态时，同样说明制动踏板在这个时候处于踩下的状态;而控制输出为Th_out=0且Br_out=Br_in时，说明油门踏板处于不动状态，而制动踏板可以继续它的动作，以此来实现车辆减速。

（三）如果当前的油门或者制动的状态是在零状态，那么这个时候的控制输出应该是是Th_out=0且Br_out=Br_in，在这种情况下是需要踩下制动踏板来实现车辆减速的。

在以上的三种规则中，Th_a和Br_a表示的是当前油门和制动踏板的状态，Th_out和Br_out所表示的是油门和制动的控制输出，而Th_in和Br_in指的是有PID控制器获得的油门和制动控制量。

七、仿真验证研究

关于人工智能汽车的仿真主要是采用的Truck Sim和Mat Lab软件和仿真检验所设计的自动驾驶控制算法的有效性

关于环形道路的模型，然后选择一辆采用Truck Sim软件一款车辆模型，并利用Mat Lab来建立自动驾驶方向和人工智能汽车车速的模型，并以此来构成自动驾驶系统。如人工智能汽车在直线段的时候是以40km/h的速度开始，一直加速到60km/h，然后在此速度之后一直保持这个速度进行前进和行驶。让车辆进入弯道以后，又再次恢复40km/h，并以40km/h的速度通过弯道，在通过弯道以后又采用了60km/h的速度进行前进[7]。

结束语

总而言之，在国家的发展下，人工智能汽车必然会成为未来的发展方向，所以我们要了解更多关于人工智能汽车的知识和应用。其中在人工智能汽车中最为重要的因素就是汽车行驶速度和方向的控制，所以需要专业技术人员要加强这两个方面的研究，要利用新的技术和方法将汽车的速度和方向控制好，以便将开发出来的人工智能汽车能够更好的为我们服务，同时也能降低各种事故的发生率，真正做到安全驾驶。

参考文献

[1] 纪明君， 陈新. 基于人工智能的汽车车速和方向控制分析[J]. 时代汽车， 2018， 300（9）：30-32.

[2] 孙海恒， 李航， 胡智. 计算机人工智能技术研究进展和应用分析[J]. 信息与电脑， 2018， No.405（11）：136-137.

[3] 陈静， 朱鹏兴. 人工智能技术在无人驾驶汽车领域的应用探讨[J]. 汽车与驾驶维修（维修版）， 2019，（1）：71-72.

[4] 王昊. 人工智能技术在电气自动化控制中应用的研究[J]. 人文之友， 2018， （10）：56-57.

[5] 张玉金. 人工智能背景下无人驾驶技术的研究与展望[J]. 数字通信世界， 2018， No.158（2）：64+93.

[6] 郭应时， 蒋拯民， 白艳，等. 无人驾驶汽车路径跟踪控制方法拟人程度研究[J]. 中国公路学报， 2018， 31（8）：189-196.

[7] 李军， 张胜根， 隗寒冰. 四轮驱动电动汽车车速估计与DYC控制研究[J]. 机械设计与制造， 2018， No.330（8）：41-44.