智能汽車關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展概況綜述

1、智能汽車關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展概況1、前言：智能車輛(I n t e l z i g e n t V e h i c l e s , IV)是一個集環(huán)境感知？規(guī)劃決策？多等級輔助駕駛等功能于 一體的綜合系統(tǒng)，它集中運用了計算機 ？現(xiàn)代傳感？信息融合？通訊？人工智能及自動控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體？它具有道路障礙自動識別？自動報警？自動制動？自動保持安全距離？車速和巡航控制等功能？作為智能交通系統(tǒng)(ITS : In tellige nt Tr nasportation System )的一個重要組成部分，智能車輛系統(tǒng)利用傳感器技 術(shù)？信號處理技術(shù)？通訊技術(shù)？計算機技術(shù)等，辨識車輛所處的環(huán)境和狀態(tài)

2、，并根據(jù)各傳感器所得到的信息做出分析和判斷，或者給司機發(fā)出勸告和報警信息，提醒司機注意躲避危險；或者在緊急情況下，幫助司機操作車輛(即輔助駕駛系統(tǒng))，防止事故的發(fā)生，使車輛進(jìn)入一個安全的狀態(tài)；或者代替司機的操作，實現(xiàn)車輛運行的自動化？智能車輛系統(tǒng)的引入，可以提高交通的安全性和道路的利率？目前，在汽車？卡車？公交系統(tǒng)？工業(yè)及軍用等領(lǐng)域，智能車輛系統(tǒng)都得到了應(yīng)用，而且應(yīng)用的多樣性和領(lǐng)域還在不斷增加？可以預(yù)言，隨著信息采集技術(shù)？信息處理技術(shù)？系統(tǒng)工程技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的研究和發(fā)展深入,智能車輛系統(tǒng)將是智能交通系統(tǒng)研究和發(fā)展的重要領(lǐng)域？2、智能汽車關(guān)鍵技術(shù)及研究智能汽車是一個匯集了眾多高新科技的綜合系統(tǒng)，

3、尤其是作為智能汽車關(guān)鍵環(huán)節(jié)的環(huán)境信息獲取與智能決策控制，更是依賴于高新技術(shù)的有力支撐，如傳感器技術(shù)？圖像識別技術(shù)？電子與計算機技術(shù)？控制技術(shù)?智能駕駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1:2.1 感知技術(shù)人類在駕駛汽車時所接受的信息幾乎全部來自于視覺，交通信號？交通標(biāo)志？交通圖案？道路標(biāo)志等均可以看作是環(huán)境對駕駛員的視覺通訊語言?同時，人類在駕駛汽車時，通過對周圍路面場景的觀測來決定采取什么樣的操作？因此，選擇機器視覺作為感知路面場景的傳感器是一種很自然的選擇？機器視覺在智能車輛中的應(yīng)用如圖2所示?圖1智能駕駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Vision System _ Object detection 一 Far IR capa

4、bilityEnhanced Digital Msp SystemForward Vision System 一 Lane tracking Object detectk)n圖2機器視覺傳感器在智能汽車上的應(yīng)用視覺系統(tǒng)在智能車輛中主要用來識別車輛周圍的交通環(huán)境，如確定車輛在車道中的位置和方位 ？車道的幾何結(jié)構(gòu)？檢測車輛周圍的障礙物如車輛和行人？識別交通標(biāo)志和交通信號等 ？當(dāng)機器視覺用于智能車輛時必須具備實時性？魯棒性和實用性三方面的技術(shù)特點 ？實時性是指視覺處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理必須與車 輛的高速行駛同步進(jìn)行；魯棒性是指智能車輛對不同的道路環(huán)境如高速公路？市區(qū)標(biāo)準(zhǔn)公路？普通公路等不同的路面環(huán)境如路

5、面及車道標(biāo)線的寬度？顏色？紋理？動態(tài)隨機障礙與車流等，以及變化的氣候條件如日照及景物陰影？黃昏與夜晚？陰天與雨雪等均具有良好的適應(yīng)性；實用性是指智能車輛在體積和成本等方面能夠為普通汽車用戶所接受 ？,并加工處理智能車輛系統(tǒng)可靠運行的前提是通過各種傳感器準(zhǔn)確的捕捉環(huán)境和車輛自身的狀態(tài)信息隨后發(fā)出預(yù)警或者自動操控車輛？研究如何將傳感器傳來的信息加以有效處理？分析，并準(zhǔn)確的確定環(huán)境和車輛自身的狀態(tài)是非常重要的 ？然而到目前為止，沒有任何一種傳感器能保證在任何情況下提供完全可靠的 信息，采用多傳感器融合技術(shù)，即將多個傳感器采集的信息進(jìn)行合成，形成對環(huán)境特征的綜合描述的方法能夠充分利用多傳感器數(shù)據(jù)間的冗

6、余和互補特性，獲得我們需要的？充分的信息？目前，在智能車輛領(lǐng)域，除了視覺傳感器外，常用的還有激光雷達(dá) ？毫米波雷達(dá)？聲納？紅外探測？磁導(dǎo)引?GPS等傳感器？2.2決策技術(shù)在輔助駕駛或者自動駕駛技術(shù)中，需要依據(jù)感知系統(tǒng)獲取的信息來進(jìn)行決策判斷，進(jìn)而向駕駛員發(fā)出警告或者對車輛進(jìn)行控制 ？例如，在車道偏離警告系統(tǒng)和碰撞警告系統(tǒng)中，需要預(yù)測主車輛和其它車輛未來一定時間內(nèi)的狀態(tài)？先進(jìn)決策技術(shù)包括模糊推理 ？強化學(xué)習(xí)？神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)？2.3控制技術(shù)對自動駕駛車輛或者輔助駕駛車輛來說，利用環(huán)境感知信息進(jìn)行規(guī)劃決策后需要對車輛進(jìn)行控制，比如對路徑的自動跟蹤，此時性能優(yōu)良的控制器成為了智能車輛必不可

7、少的部分，成為智能車輛的關(guān)鍵 ？智能控制代表著自動控制的最新發(fā)展階段，是應(yīng)用計算機模擬人類智能 ，實現(xiàn)人類腦力和體力勞動自動化的一個重要領(lǐng)域？智能控制是一個新興學(xué)科，包括遞階控制系統(tǒng)？專家控制系統(tǒng)？模糊控制系統(tǒng)？神經(jīng)控制系統(tǒng)和 學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)等5個方面？2.4車輛定位與路徑規(guī)劃車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用車輛自動定位技術(shù)？數(shù)字地圖？通信技術(shù)，為車輛提供路徑引導(dǎo)？無線遙控等功能?在車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)中，定位是實現(xiàn)導(dǎo)航功能的前提和基礎(chǔ)，車輛定位技術(shù)大致上可分為三類：慣性導(dǎo)航？無線電定位和衛(wèi)星定位 ？車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)如圖 3所示：路徑規(guī)劃是智能車輛信息感知和車輛控制的橋梁，是智能車輛自主駕駛的基礎(chǔ)，可分為全局路

8、徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃？全局路徑規(guī)劃是在己知地圖的情況下，利用已知局部信息如障礙物位置和道路邊界，確定可行和最優(yōu)的路徑，它把優(yōu)化和反饋機制很好的結(jié)合起來？局部路徑規(guī)劃是在全局路徑規(guī)劃生成的可行駛區(qū)域指導(dǎo)下，依據(jù)傳感器感知到的局部環(huán)境信息來決策車輛當(dāng)前前方路段所要行駛的軌跡？與移動機器人路徑規(guī)劃相比，車輛的行駛環(huán)境具有非結(jié)構(gòu)化？動態(tài)性？不確定性等特點，因此研究者們在借用移動機器人路徑規(guī)劃成果的同時，也在深入徹底研究智能車輛路徑規(guī)劃問題圖3車輛定位導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖2.5其它智能車輛的關(guān)鍵技術(shù)還包括車輛狀態(tài)隨機估計和智能車輛體系結(jié)構(gòu)的研究等方面？為了對車輛進(jìn)行有效的控制，必須全面準(zhǔn)確地獲取車輛的自身狀態(tài)

9、參數(shù),如車輛橫擺角速度估計 ？汽車輪胎與路面之間的摩擦系數(shù)估計？以及車輛側(cè)面碰撞模型的非線性動力學(xué)參數(shù)的辨識等？由于智能車輛系統(tǒng)復(fù)雜程度高？綜合性強,一般需要一組研究人員共同研究開發(fā)，同時為了使系統(tǒng)能夠在有限的時間和計算資源內(nèi)完成各功能，計算經(jīng)常需要一定的并行性，由此產(chǎn)生這樣的問題一一將計算資源有效地分布在一組處理器上需要什么樣的體 系結(jié)構(gòu)，這就是智能車輛控制器體系機構(gòu)所研究的問題？3?支撐智能汽車發(fā)展的新理論和新技術(shù)3.1不確定性人工智能理論人工智能在模擬人類的確定性智能邏輯思維方面，已經(jīng)取得很大成就，但是在人類不確定性智能的模擬方面始終沒有太大的進(jìn)展，而在模擬人類形象思維方面尚處在探討階段

10、？因此，不確定性人工智能70是人工智能中的研究熱點，也是人工智能中的重大前沿課題？不確定性人工智能是使機器能夠具備人腦一樣的不確定性信息和知識的表示能力？處理能力和思維能力，是進(jìn)入21世紀(jì)后新發(fā)展出來的多學(xué)科交叉滲透的新學(xué)科它已成為當(dāng)代科學(xué)技術(shù)研究的熱點領(lǐng)域？人類所處的這個客觀世界充滿了不確定性，人類自身在認(rèn)知過程中也具有不確定性？因為人類的認(rèn)知實際上是對客觀世界的主觀反應(yīng)，客觀世界的不確定性，決定了人類主觀認(rèn)知過程的不確定性？比如，視覺感知會存在不確定性甚至出現(xiàn)錯覺，記憶也會隨著時間的推移而愈加模糊，而聯(lián)想？創(chuàng)造和頓悟等形象思維更是毫無確定性可言？不確定性人工智能理論對智能汽車技術(shù)研究的一個

11、重要指導(dǎo)內(nèi)容就是分析不同駕駛?cè)藛T對同一外界環(huán) 境刺激所產(chǎn)生的不確定性認(rèn)識以及采取的不確定性處理方式？舉個形象的例子，不確定性認(rèn)識是指面對路面上的同一灘積水，有的駕駛?cè)藛T會認(rèn)為是一個小路障，而有的駕駛?cè)藛T則會覺得無關(guān)緊要？不確定性處理方式則是指同樣是面對這灘積水，有的駕駛?cè)藛T會選擇繞過去，而有的卻會選擇減速直接通過？不確定性人工智能理論可以進(jìn)一步細(xì)分為若干小方面，包括粗糙集和模糊集？云模型和粒計算理論等 ？3.1.1粗糙集和模糊集理論粗糙集和模糊集理論主要研究各種不確定性理論的本質(zhì)聯(lián)系？人類行為的不確定性研究在智能汽車上具有重要的應(yīng)用？比如，在日常駕駛中，對于一個尋找泊車位的問題，駕駛員僅靠自己

12、的觀察判斷難以直接獲得 最滿意的答案？如何在一系列不確定的潛在泊車位中尋找一個合適的泊車位，這是不確定性概念的精確處理研究實例之一 ？3.1.2云模型理論云模型（Cloud Model）是一種定性和定量的轉(zhuǎn)換模型？云模型理論可以用于人類定性思維（概念內(nèi)涵）與定量思維（概念外延）之間的雙向變換研究 ？比如，駕駛過彎的問題就是智能汽車研究中的一個定性與定量計算 的轉(zhuǎn)換例子？對于駕車中的過彎操作，駕駛員只能靠目測？經(jīng)驗等做出定性判斷；駕駛員做出大致入彎角度的 定性判斷后，智能系統(tǒng)如何定量計算并給出實際入彎角度，才是解決問題的關(guān)鍵？3.1.3粒計算理論粒計算主要研究信息粒的解析表示形式化理論（包括信息

13、粒的結(jié)構(gòu)以及信息粒之間關(guān)系的形式化描述）?信息粒的粒度度量理論和方法（粒度的度量，包括信息粒的大小以及信息粒所表示的知識的粒度大?。?？信息粒的自動分解與合成方法？不同知識粒度下的不確定性變化規(guī)律？對人類多粒度？跨粒度思維的研究可以在駕駛行為過程中有所應(yīng)用 ？如圖4所示，在實際駕駛中，駕駛?cè)藛T需要同時觀察和判斷不同尺度（即不同粒度空間）的環(huán)境信息，包括近距離的細(xì)粒度信息（車載儀表）?中距離的中粒度信息（周邊的車輛）以及遠(yuǎn)距離的粗粒 度信息（道路延伸方向）?圖4不同粒度空間的環(huán)境信息3.2認(rèn)知計算認(rèn)知計算在20世紀(jì)90年代成為發(fā)展熱點，目前已成為計算智能領(lǐng)域中一個重要的研究方向？2009年國家自然

14、科學(xué)基金委發(fā)布了 “基于視聽覺信息的認(rèn)知計算”的重大研究計劃，該研究計劃的制定和實施表明對認(rèn)知計算的研究在我國逐步走向廣泛和深入？在該研究計劃中提出的“多模態(tài)感知信息協(xié)同認(rèn)知機理”可以說是與智能汽車技術(shù)的發(fā)展緊密相關(guān)？比如,駕駛?cè)藛T融合視聽覺采集到的環(huán)境信息然后做出駕駛反應(yīng)的這個過程就是一個刺激-反應(yīng)模型？因此，三維立體視覺處理模型 ？情感計算等方面的研究工作可以看作是認(rèn)知 計算在智能汽車技術(shù)上的初步應(yīng)用？3.2.1三維立體視覺處理模型三維立體視覺處理模型從人類視覺認(rèn)知原理出發(fā)，用機器學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)人臉結(jié)構(gòu)先驗知識，提出了基于單張二維圖片的兩步人臉三維立體認(rèn)知方法，初步實現(xiàn)以單張照片上少量特征點

15、為基礎(chǔ)的三維人臉建模？由此模型發(fā)展而來的三維人臉識別系統(tǒng)可以用于記錄和辨認(rèn)駕駛?cè)藛T信息，達(dá)到跟蹤和防盜的目的 ？3.2.2情感計算情感計算基于認(rèn)知科學(xué)和心理學(xué)，發(fā)現(xiàn)了嘴部特征是人臉表情識別中最重要的特征，為人臉表情的表達(dá)機制以及計算機人臉表情的自動識別等研究奠定了基礎(chǔ)？情感計算技術(shù)可以監(jiān)控駕駛員的生理和心理狀態(tài)，為防止酒后駕駛和疲勞駕駛提供了技術(shù)支持？3.3面向智能汽車的數(shù)據(jù)處理技術(shù)智能汽車的行駛離不開收集和發(fā)送各種數(shù)據(jù)，而支撐其正常運轉(zhuǎn)的核心技術(shù)就是面向智能汽車的數(shù)據(jù)處理技術(shù)？智能汽車數(shù)據(jù)的特點就是數(shù)據(jù)量大？數(shù)據(jù)種類多而且有海量的冗余數(shù)據(jù)？針對這些特點，面向交通的數(shù)據(jù)處理技術(shù)包括數(shù)據(jù)融合 ？

16、數(shù)據(jù)壓縮？數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化？數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)倉庫等技術(shù) ？智能汽車可能同時擁有多種傳感器數(shù)據(jù)及多種通信方式，所以需要數(shù)據(jù)融合技術(shù)來實現(xiàn)對這些不同來源的數(shù)據(jù)的分析與綜合 ？又因為智能汽車需要收發(fā)的數(shù)據(jù)量是非常巨大的，故而需要數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)來提高數(shù)據(jù)處理的效率？智能汽車需要和其他車輛以及車聯(lián)網(wǎng)發(fā)生交互，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)可以保證數(shù)據(jù)在各種不同的載體之間通用？針對智能汽車的海量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)挖掘可以通過數(shù)理統(tǒng)計 ？機器學(xué)習(xí)等方法從海量數(shù)據(jù)中獲取有效 數(shù)據(jù)？智能汽車是一個決策系統(tǒng)，需要一個有主題的？集成的？穩(wěn)定的數(shù)據(jù)集合，而數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)就可以提供這 樣一個結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)環(huán)境 ？3.4電動汽車的智能化能源管理系統(tǒng)能源系統(tǒng)是

17、電動汽車的核心技術(shù)之一，它好比傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機，是電動汽車的“心臟”，直接關(guān)系到電動 汽車的質(zhì)量水平與安全性，能源管理系統(tǒng)是這一核心技術(shù)的重要組成部分？電動汽車能源管理系統(tǒng)的功用是在滿足汽車基本技術(shù)性能（如動力性？駕駛平穩(wěn)性等）和成本等要求的前提下，根據(jù)各部件的特性及汽車的運 行工況，實現(xiàn)能量在能源轉(zhuǎn)換裝置（如發(fā)動機？電動機？儲能裝置？功率變換模塊？動力傳遞裝置？發(fā)電機和燃料電池等）之間按最佳路線流動，使整車的能源利用效率達(dá)到最高 ？如圖 5 所示，UMD_IPC（University of Michigan-Dearbornintelligent power controller）就是一個利

18、用機器學(xué) 技術(shù)而研制的智能化能源管理系統(tǒng)？它是通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測路況并實時做出控制的智能化能源管理系統(tǒng)?_rivc trainBattery/ CZontrotlersetpointElectrical Loadp叩共；en宕in口 power deinancl巧river power dernAndP lrical load1iTtoadway irpcnnd traffic- corijgieslion ieverpwoerto or d-isfhafrom ImteryKlcctricjal power al Altcrnfttorv,.(t)vehicleBl lime： 1第14頁共

19、10頁圖5智能化的能源管理系統(tǒng)4、國內(nèi)外智能汽車技術(shù)的發(fā)展概況近io年來,美國？歐洲和日本等發(fā)達(dá)國家，圍繞發(fā)展新型智能汽車技術(shù) ？綜合治理城市交通和環(huán)境能源等 問題制定了一系列的研究項目和計劃？表1列出了由日本國土建設(shè)及交通部設(shè)立的一些重要的智能汽車研究項目？AHS的主要目標(biāo)是減少交通事故,改善交通效率，以及減輕駕駛?cè)藛T的操作負(fù)擔(dān)？該研究致力于信息提供 ？車輛控制輔助和全自動駕駛技術(shù)的開發(fā)，以實現(xiàn)障礙識別和規(guī)避 ？速度控制和人機交互界面等應(yīng)用？ASV的主要目標(biāo)是用最先進(jìn)的技術(shù)來最大可能地提升車輛的安全性 ？該研究還將進(jìn)一步擴展，其涉及貨車？公共汽車以及摩托車？表1日本的智能汽車研究項目研究項目

20、備注AHSAdva need Cruise-Assista nee Highway SystemsASVAdva need Safety Vehicle表2列出了由美國交通部發(fā)起的兩個主要智能汽車研究項目？VSC定義了一套維護(hù)車輛安全的通信規(guī)范并評估專用短程無線通信 (DSRC:Dedicated-Short Range Communications)標(biāo)準(zhǔn)，以及采用5.9GHz帶寬的DSRC無線技術(shù)來支持該通信規(guī)范 ？VII是致力于開發(fā)無線通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新方法，它將允許駕駛?cè)藛T和乘客能夠了解當(dāng)前交通狀況和道路信息，接收可能的風(fēng)險警告，并引導(dǎo)車輛行進(jìn)中的無線通信？表2美國的智能汽車研究項目研究

21、項目備注VSCVehicle Safety Communi cati onVIIVehicle In frastructure In tegrati on表3列出了歐洲資助的一些重要的智能汽車研究項目？這些項目覆蓋了很廣的范圍，包括人-車操控界面？緊急救援？道路安全預(yù)防？車載傳感器？行人別？十字路口安全？協(xié)作系統(tǒng)和協(xié)作網(wǎng)絡(luò)？地理學(xué)技術(shù)以及車-車通表3歐洲的智能汽車研究項目研究項目備注AIDEAdaptive In tegrated Driver-vehicle In terfaceAIDERAccide nt In formatio n and Driver Emerge ncy Rescue

22、ATLANTICA Thematic Lon g-term Approach to Network ing forthe Telematics &ITS CommunityPREVENTPreventive and Active Safety Applications Contributeto the Road Safety Goals onEuropea n RoadsADOSEReliable Applicati on Specific Detect ion of Road Users with Vehicle On-board Sen sorsINTERSAFE-2Cooperative

23、 In tersect ion SafetySAFERIDERAdva need Telematics for Enhancing the Safety an dComfort of Motorcycle RidersCOOPERSCooperative Networks for In tellige nt Road SafetyHIGHW AYBreakthrough In tellige nt Maps and Geographic Tools for the con text-aware-delivery ofE-safety and added value servicesI-WAYI

24、n tellige nt Cooperative Systems in Car for Road SafetyCOMeSafetyCOMeSafety25COMeSafetyAdva need driver support system based on V2Vcom muni cati on tech no logiesSafeSpotCooperative vehicles and road in frastructure for road safetyCVISCooperative Vehicle-I nfrastructure Systems與國外相比，國內(nèi)在智能汽車方面的研究起步較晚

25、，規(guī)模較小，和國際先進(jìn)水平相比差距較大 ，競爭力明顯不足？造成上述狀況的原因，主要是汽車工業(yè)的科技含量較高，跨國汽車公司實力強大，而國內(nèi)電子行業(yè)缺乏人才和技術(shù)儲備，影響了國內(nèi)汽車智能化的進(jìn)程，暫時還處于跟著跑的境地 ？雖然形勢不容樂觀，但我國也正在興 起汽車和交通系統(tǒng)信息化 ？智能化的熱潮，國家交通部規(guī)劃司于 2007年制定了公路水路交通信息化“十一 五”發(fā)展規(guī)劃，其為我國智能汽車技術(shù)的研究奠定了良好的發(fā)展基礎(chǔ)？5、總結(jié)汽車已經(jīng)過了 100多年的發(fā)展歷史，從誕生的那一天起，它就從未停止過智能化發(fā)展的步伐？當(dāng)前的信息技術(shù)革命正在推動汽車設(shè)計翻開新的一頁，自動化？智能化？多功能將成為21世紀(jì)汽車發(fā)

26、展的新趨勢？隨著以計算機技術(shù)和信息技術(shù)為代表的高新技術(shù)的發(fā)展，不斷改變著人們的行為和思維模式，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)？模糊控制？神經(jīng)模糊技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)等新思想？新技術(shù)紛呈疊出，為我們站在一個新的高度研究智能車輛提供了可能 ？這是一個能夠?qū)⑵嚠a(chǎn)業(yè)？交通系統(tǒng)與信息產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合起來的新型領(lǐng)域？智能車輛的研發(fā)為世界各國的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)提供了又一廣闊的發(fā)展空間？歐洲？日本？美國等發(fā)達(dá)國家雖然走在了前 面，但只要我們把握住這一機遇，有計劃？有步驟地制定相應(yīng)的發(fā)展策略，提供各種優(yōu)惠政策來積極指引和 引導(dǎo)其健康發(fā)展，從而在改善和發(fā)展我國交通 ，提高交通安全性的同時，縮小該領(lǐng)域與發(fā)達(dá)國家之間的差距6、參考文獻(xiàn)：1 D

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