智能汽車的技術(shù)分析

智能汽車的技術(shù)分析

1汽車自動化技術(shù)的含義近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城市化的推進，全球車輛的所有權(quán)和道路距離逐漸增加，交通擁堵、事故、污染、土地資源匱乏等傳統(tǒng)車輛難以充分解決的問題越來越明顯。而被視為有效解決方案的智能汽車技術(shù),其發(fā)展備受矚目。美國電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)預測,至2040年,自動駕駛車輛所占的比例將達到75%。汽車交通系統(tǒng)概念將迎來變革,智能汽車可能顛覆當前的汽車交通運輸產(chǎn)業(yè)運作模式。智能汽車技術(shù)是指:通過感知駕駛環(huán)境(人-車-路)并提供信息或車輛控制,幫助或替代駕駛員最優(yōu)(安全-高效-舒適-便利等)操控車輛的技術(shù)。它主要包括駕駛輔助和自動駕駛兩個方面。主動安全技術(shù)則是指為了避免交通事故所采取的預防事故發(fā)生的技術(shù),相對于被動安全(減少交通事故造成的傷害)而言,廣義的主動安全技術(shù)也包含了駕駛輔助系統(tǒng)中有關安全方面的駕駛輔助技術(shù)。美國高速公路安全管理局(NHTSA)將汽車自動化定義為以下五個層次:(1)無自動駕駛(Level0):完全由駕駛員時刻操控汽車的行駛,包括制動、轉(zhuǎn)向、油門以及動力傳動。(2)具有特定功能的自動駕駛(Level1):該層次汽車具有一個或多個特殊自動控制功能,例如電子穩(wěn)定性控制(ESC)、自動緊急制動(AEB)等,車輛通過控制制動幫助駕駛員重新掌控車輛或是更快速的停車。(3)具有復合功能的自動駕駛(Level2):該層次汽車具有將至少兩個原始控制功能融合在一起實現(xiàn)的系統(tǒng)(如自適應巡航控制與車道保持融合一體),完全不需要駕駛員對這些功能進行控制,但駕駛員需要一直對系統(tǒng)進行監(jiān)視并準備在緊急情況時接管系統(tǒng)。(4)具有限制條件的無人駕駛(Level3):該層次汽車能夠在某個特定的駕駛交通環(huán)境下讓駕駛員完全不用控制汽車,而且可以自動檢測環(huán)境的變化以判斷是否返回駕駛員駕駛模式,駕駛員無需一直對系統(tǒng)進行監(jiān)視,可稱之為“半自動駕駛”。目前,谷歌無人駕駛汽車基本處于這個層次。(5)全工況無人駕駛(Level4):該層次系統(tǒng)完全自動控制車輛,全程檢測交通環(huán)境,能夠?qū)崿F(xiàn)所有的駕駛目標,乘員只需提供目的地或者輸入導航信息,在任何時候都不需要乘員對車輛進行操控,可稱之為“全自動駕駛”或者“無人駕駛”。近年來,隨著環(huán)境感知傳感器、嵌入式系統(tǒng)、機電執(zhí)行機構(gòu)等機電信息系統(tǒng)的高性能化發(fā)展,使得智能汽車成為可能,這也將給整個汽車產(chǎn)業(yè)帶來巨大的變革。本文對當前智能汽車技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進行了簡要的綜述,并就智能汽車技術(shù)對各領域帶來的作用和它未來的發(fā)展趨勢進行了相應的討論。2車輛自動化等級的影響智能汽車技術(shù)的潛在作用是明顯的,主要包含交通安全、節(jié)能環(huán)保、道路容量、城市/交通規(guī)劃、新商業(yè)模式等幾個方面。文獻從行車安全、環(huán)保、道路容量等幾個方面,介紹了不同車輛自動化等級帶來的不同程度影響。下面將主要從自動化等級較高的無人駕駛方面分析一下智能車技術(shù)的潛在作用。2.1智能汽車同步控制在道路基礎設施日趨完善、安全度提升空間受限的情況下,汽車的行駛安全性得到越來越多的重視。針對自然駕駛的研究表明:78%的行車碰撞事故和65%的臨近碰撞事故,是由于駕駛員分心導致的,而傳統(tǒng)的自主安全系統(tǒng)(autonomoussafetysystems)無法擺脫駕駛員操縱受限制的影響,在交叉路口安全、行人安全、夜間行車安全等方面存在一定的局限。智能汽車可采用車路協(xié)同系統(tǒng)通過車載設備與路側(cè)系統(tǒng)以及周邊車載設備的通信,為駕駛者提供全時空信息,實現(xiàn)車路間的最大協(xié)調(diào)以及更安全的駕駛,能夠彌補很多自主安全系統(tǒng)無法解決的問題。另一方面,結(jié)合駕駛輔助的主動安全技術(shù)如:自適應巡航、車輛接近通報裝置、夜視輔助、自適應前照明系統(tǒng)等,都將使智能汽車行駛更加安全可靠。如果采用無人駕駛,則汽車交通事故發(fā)生率有望下降到零,因為自動駕駛汽車由行車電腦精確控制,可以有效減少酒駕、疲勞駕駛、超速等人為不遵守交通規(guī)則導致的交通事故,即使受其他汽車交通事故發(fā)生率的干擾,自動駕駛汽車市場份額的高速增長也會使整體交通事故發(fā)生率穩(wěn)步下降。不僅如此,無人駕駛汽車也將幫助行動不便的老人或者患者實現(xiàn)獨立安全出行的夢想。2.2汽車控制策略智能汽車將提高車輛利用率,降低汽車總銷量,減輕汽車對環(huán)境的污染。根據(jù)谷歌無人駕駛汽車團隊的統(tǒng)計,傳統(tǒng)汽車在大部分時間內(nèi)(96%)處于空閑狀態(tài),利用率較低。無人駕駛汽車可以按照時間順序依次供需要的人使用,因此可以更好地統(tǒng)籌安排家庭內(nèi)車輛使用,提高車輛的使用效率,減少車輛消費總量,有效減少碳排放。當交通不再擁堵時,行車電腦控制的無人駕駛汽車可以將車近乎定速行駛,車輛也無需在停車起步之間不斷切換,大大降低了能耗。另一方面,智能汽車可以根據(jù)實時路況自動選擇到達目的地的最優(yōu)路徑,能源消耗更少。隊列行駛也是智能汽車的另一種形式,即有人駕駛領頭車輛,后面跟隨著無人駕駛車輛編隊,研究表明:這一行駛方式能有效減少總體行車的風阻,進而降低能耗。2.3無人駕行駛將改變現(xiàn)有的交通體系智能汽車有助于改變當前城市規(guī)劃和汽車交通基礎設施狀況,影響汽車運輸相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。當交通擁堵不再是問題,人們可以接受更長的通勤距離,汽車可以是家和辦公室的自然延伸,更有利于新型的城鎮(zhèn)化建設。另一方面,智能汽車的運行需要配套的交通基礎設施,由于無人駕駛汽車靠傳感器感知路面障礙,或者通過4G/DSRC與道路設施通信,因此需要在交叉路口、路側(cè)、彎道等布置引導電纜、磁氣標志列、雷達反射性標識、傳感器、通信設施等。當前的基礎設施建設情況將不再適用,這省去了超寬車道、護欄、停車標志、振動帶等現(xiàn)有設置的交通道路,道路容量將會成倍增加。無人駕駛技術(shù)將會消滅堵塞的街道和大市區(qū)超寬的公路,對高速公路的需求也會隨之減少。汽車將成為物聯(lián)網(wǎng)的一個結(jié)點,或許將來人們用手機招共享的汽車,更大提高出行效率。3有助于緩解交通堵塞在自動駕駛汽車研究方面,非汽車廠商表現(xiàn)搶眼,以谷歌自動駕駛汽車為例,在2010年,谷歌公司在官方博客中宣布,正在開發(fā)自動駕駛汽車,目標是通過改變汽車的基本使用方式,協(xié)助預防交通事故,將人們從大量的駕車時間中解放出來,并減少碳排放。到目前為止,谷歌已經(jīng)申請和獲得了多項相關專利,其無人駕駛汽車于2012年獲得牌照上路,總駕駛里程已經(jīng)超過了48.3萬千米,并且?guī)缀趿闶鹿拾l(fā)生率。谷歌自動駕駛汽車外部裝置的核心是位于車頂?shù)?4束激光測距儀,能夠提供200英尺以內(nèi)精細的3D地圖數(shù)據(jù),無人駕駛車會把激光測到的數(shù)據(jù)和高分辨率的地圖相結(jié)合,做出不同類型的數(shù)據(jù)模型以便在自動駕駛過程中躲避障礙物和遵循交通法規(guī)。安裝在前擋風玻璃上的攝像頭用于發(fā)現(xiàn)障礙物,識別街道標識和交通信號燈。GPS模塊、慣性測量單元以及車輪角度編碼器用于監(jiān)測汽車的位置并保證車輛行駛路線。汽車前后保險杠內(nèi)安裝有4個雷達傳感器(前方3個,后方1個),用于測量汽車與前(和前置攝像頭一同配合測量)后左右各個物體間的距離。在行進過程中,用導航系統(tǒng)輸入路線,當汽車進入未知區(qū)域或者需要更新地圖時,汽車會以無線方式與谷歌數(shù)據(jù)中心通信,并使用感應器不斷收集地圖數(shù)據(jù),同時也儲存于中央系統(tǒng),汽車行駛得越多,智能化水平就越高。意大利帕爾馬大學Vislab實驗室研制的無人車于2010年經(jīng)過意大利、斯洛文尼亞等到達中國上海,行程15900千米。它利用太陽能作為輔助動力源,配備5個激光雷達、7個攝像機、GPS全球定位、慣性測量設備、3臺Linux電腦和線控駕駛系統(tǒng)。2013年,他們的無人駕駛車在無人駕駛的情況下成功識別了交通信號燈、有效避開行人,成功駛過十字路口、環(huán)島等常見的城市危險路況。德國漢堡IBEO公司早在2007年開發(fā)了無人駕駛汽車。行駛過程中,車內(nèi)安裝的全球定位儀將隨時獲取汽車所在準確方位。隱藏在前燈和尾燈附近的激光雷達隨時“觀察”汽車周圍200碼(約183米)內(nèi)的道路狀況,并通過全球定位儀路面導航系統(tǒng)構(gòu)建三維道路模型。它能識別各種交通標識,保證汽車在遵守交通規(guī)則的前提下安全行駛,安裝在汽車后備箱內(nèi)的計算機將匯總、分析兩組數(shù)據(jù),并根據(jù)結(jié)果向汽車傳達相應的行駛命令。在汽車廠商方面,由通用汽車聯(lián)合卡內(nèi)基梅隆大學以及來自其它行業(yè)的眾多合作伙伴研發(fā)的雪佛蘭TahoeBoss,集激光雷達、毫米波雷達、可視GPS定位系統(tǒng)等高科技手段于一身,可使其對周邊情況精確掌握通過應用這些高科技技術(shù),雪佛蘭TahoeBoss在行駛途中對道路條件、周圍車輛、路上障礙可以迅速做出正確的判斷,并應用高性能計算裝置,計算出精確的行駛路線,以避免碰撞的發(fā)生,最終安全抵達目的地。另一方面,通用汽車于2010年推出的電動聯(lián)網(wǎng)概念車EN-V實現(xiàn)了車聯(lián)網(wǎng)與電氣化的結(jié)合,在自動駕駛模式下,EN-V能夠通過對實時交通信息的分析,自動選擇路況最佳的行駛路線從而大大緩解交通堵塞。除此之外,通過使用車載傳感器和攝像系統(tǒng),EN-V可以感知周圍環(huán)境,在遇到障礙物或者行駛條件發(fā)生變化時能夠做出迅速的調(diào)整。奧迪無人駕駛系統(tǒng)使用兩個雷達探頭、八個超聲波探頭和一個廣視角攝像機,可以在設定的時間內(nèi),按照導航系統(tǒng)提供的信息,在最高60km/h的速度以下自主轉(zhuǎn)向、加速和剎車,實現(xiàn)完全的自主駕駛。搭載奧迪無人駕駛系統(tǒng)的車型可以在交通擁擠的城市中起、停自如,轉(zhuǎn)向操作也十分靈活。在高速行駛中,能夠及時根據(jù)前方車距來調(diào)整自己的速度。當前方出現(xiàn)險情時,奧迪無人駕駛車型能夠及時剎車。其它汽車廠商,如在新能源領域已經(jīng)頗有建樹的日產(chǎn)汽車公司宣布計劃于2020年推出帶無人駕駛技術(shù)的汽車,戴姆勒汽車宣布計劃在2020年之前開始銷售自動駕駛車,大眾在歐盟HAVEit研究項目下開發(fā)出TAP(TemporaryAutoPilot)短時自動駕駛技術(shù)。寶馬集團攜手供應商大陸集團在自動駕駛領域展開合作,共同開發(fā)駕駛員輔助系統(tǒng)。沃爾沃2012年在西班牙一段車流量很大的公路上進行了汽車無人駕駛的測試,行駛約193千米而沒有出現(xiàn)任何交通事故,預計2014年將推出“交通擁堵助手”系統(tǒng),該系統(tǒng)可以使后車在不超過48公里/小時的速度下尾隨前車,在不需要駕駛員操作的情況下,自動實現(xiàn)加速、剎車及轉(zhuǎn)向功能。我國從上世紀80年代開始著手自動駕駛汽車的研制開發(fā),雖與國外相比還有一些距離,但目前也取得了階段性成果。國內(nèi)國防科技大學、北京理工大學、清華大學、同濟大學、上海交通大學、吉林大學等都有過無人駕駛汽車的研究項目。國防科技大學和中國一汽聯(lián)合研發(fā)的紅旗無人駕駛轎車高速公路試驗成功。紅旗HQ3無人車在高速公路環(huán)境下,完成286公里無人駕駛實驗,自主超車67次,人工干預里程占自主駕駛總里程不到百分之一。同濟大學汽車學院建立了無人駕駛車研究平臺,實現(xiàn)環(huán)境感知,全局路徑規(guī)劃,局部路徑規(guī)劃及底盤控制等功能的集成,從而使無人駕駛車具備自主“思考-行動”的能力,使無人駕駛車能完成融入交通流、避障、自適應巡航、緊急停車(行人橫穿馬路等工況)、車道保持等無人駕駛功能。另一方面,為了促進無人車技術(shù)創(chuàng)新,中國“未來挑戰(zhàn)”無人駕駛車比賽受到更多的重視,對車的性能要求不斷提高,包括更為實際的模擬環(huán)境,和更加復雜的控制要求。4“智能汽車”及“車聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)融合現(xiàn)狀“電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化”被認為是汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的三大趨勢。其中,“智能汽車”及“車聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)近年來由于IT企業(yè)的強勢介入,在社會上廣受關注。那么未來智能汽車技術(shù)將面臨哪些挑戰(zhàn),它的發(fā)展趨勢又將如何。4.1車載計算機的發(fā)展:新技術(shù)的突破和創(chuàng)新智能車是一個匯集眾多高新技術(shù)的綜合系統(tǒng),作為智能汽車關鍵環(huán)節(jié)的環(huán)境信息獲取和智能決策控制依賴于傳感器技術(shù)、圖像識別技術(shù)、電子與計算機技術(shù)與控制技術(shù)等一系列高新技術(shù)的創(chuàng)新和突破。無人駕駛汽車要想取得長足的發(fā)展,有賴于多方面技術(shù)的突破和創(chuàng)新,圖3列舉了無人駕駛汽車相關的關鍵技術(shù),包括環(huán)境感知、邏輯推理和決策、運動控制、處理器性能等。隨著機器視覺(如3D攝像頭技術(shù))、模式識別軟件(如光學字符識別程序)和光達系統(tǒng)(已結(jié)合全球定位技術(shù)和空間數(shù)據(jù))的進步,車載計算機可以通過將機器視覺、感應器數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)相結(jié)合來控制汽車的行駛?？梢哉f,技術(shù)的進步為各家汽車廠商“自動駕駛”的發(fā)展奠定了基石。另一方面,智能汽車的普及還存在一些關鍵技術(shù)問題需要解決,包括車輛間的通信協(xié)議規(guī)范,有人無人駕駛車輛共享車道的問題,通用的軟件開發(fā)平臺建立、多種傳感器之間信息融合以及視覺算法對環(huán)境的適應性問題等。4.2汽車廠商的研究方向智能汽車技術(shù)將由非汽車廠商(包括互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和設備制造商)和汽車廠商協(xié)同研究開發(fā),前者憑借強大的后臺數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡技術(shù)、智能軟件的支持,能夠很好地實現(xiàn)汽車與云端的互聯(lián);而汽車企業(yè)則更多地考慮到車輛的實用性和安全性,他們“固守”汽車本身的優(yōu)勢。誰能了解終端用戶并能推出滿足用戶的產(chǎn)品,誰就在市場上占據(jù)主導地位。對于谷歌而言,對無人駕駛的研究即為原有研究核心對象提供了一個測試平臺,同時獲得更大的經(jīng)濟利益,谷歌通過強大的地圖數(shù)據(jù)、移動設備操作系統(tǒng)和先進汽車主動安全技術(shù)的結(jié)合,用無人駕駛的方式實現(xiàn)了以附加值更高的方式出售地圖服務。汽車廠商加快研究自動駕駛汽車,一方面源于輔助駕駛技術(shù)的積累,另一方面也是形勢的緊迫性:當IT與移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到今天,并且將會對汽車工業(yè)造成深遠的影響時,或許汽車就不再單純是個交通工具,而是具備運算與通信能力的智能終端。如果汽車廠商不關心如何把車制造的更為智能,那么機會或許只能留給谷歌、蘋果,甚至是Facebook。4.3美國法上全無人駕行駛系統(tǒng)隨著時間的推移,技術(shù)問題已經(jīng)不是實現(xiàn)自動駕駛的最大障礙。決定其何時才能最終普及的因素或許并不在于汽車本身。所有立志推廣自動駕駛的車企還需面臨其他方面的挑戰(zhàn)。首當其沖就是法律問題,如果政府設立的法律允許自動駕駛汽車在公共道路上行駛,這就等于建立了新型的交通方式,就現(xiàn)階段來看,情況并不理想。目前美國只有包括佛羅里達州在內(nèi)的少數(shù)幾個