智能車輛與自動駕駛系統(tǒng)

世界智能車輛的研究與發(fā)展智能車輛概述1234目錄世界智能車輛的研究與發(fā)展智能車輛體系結(jié)構(gòu)課堂小結(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo)知識目標(biāo)掌握智能車輛分級。了解智能車輛起源。了解智能車輛研究范圍。掌握智能車輛體系結(jié)構(gòu)。了解智能車輛控制算法處理方式。能力目標(biāo)能對智能車輛進(jìn)行分級。能描述智能車輛體系結(jié)構(gòu)。智能車輛概述11.1智能車輛系統(tǒng)隨著城市化的進(jìn)展及汽車的普及，交通環(huán)境日趨惡劣，交通擁擠加劇，交通事故頻發(fā)，交通問題已經(jīng)成為全球范圍令人困擾的嚴(yán)重問題。20世紀(jì)90年代以來，計(jì)算機(jī)、電子、圖像處理等技術(shù)飛速發(fā)展。智能車輛系統(tǒng)（IntelligentVehicleSystem，簡稱IVS）智能車輛概述11.1智能車輛系統(tǒng)ITS是一個(gè)開放的復(fù)雜的巨型系統(tǒng)，各國各地區(qū)的研究側(cè)重點(diǎn)有所不同，其難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)之一就是車輛的行駛導(dǎo)航和自動駕駛。智能車輛概述11.2智能車輛分級駕駛輔助

（DA）部分自動駕駛

（PA）有條件自動駕駛

（CA）高度自動駕駛

（HA）完全自動駕駛

（FA）智能車輛概述11.3智能車輛技術(shù)路線網(wǎng)聯(lián)式智能汽車（CV）與附近車輛及路側(cè)設(shè)施通信，非自主式自動駕駛。自主式智能汽車（AV）采用車載傳感器獨(dú)立于其他車輛自動駕駛。智能網(wǎng)聯(lián)汽車（ICV）結(jié)合了網(wǎng)聯(lián)式和自主式智能汽車的優(yōu)勢。智能車輛概述11.4智能車輛產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況智能車輛概述11.4智能車輛產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況世界智能車輛的研究與發(fā)展22.1智能車輛的產(chǎn)生智能車輛的研究，追根溯源，應(yīng)該說起始于20世紀(jì)50年代初美國BarrettElectronics公司研究開發(fā)出的世界上第一臺自動引導(dǎo)車輛系統(tǒng)（AutomatedGuidedVehicleSystem，簡稱AGVS）。研制AGVS的目的是為了提高倉庫運(yùn)輸?shù)淖詣踊?，?yīng)用領(lǐng)域僅局限于倉庫內(nèi)的物品運(yùn)輸。在20世紀(jì)六、七十年代，AGVS的研究在西歐許多國家得到了迅速的發(fā)展，并將應(yīng)用擴(kuò)展到工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，國外掀起了智能機(jī)器人研究熱潮。世界智能車輛的研究與發(fā)展22.2智能車輛的研究方向從世界各國相關(guān)研究成果來看，目前智能車輛的研究方向主要有以下幾個(gè)方面：駕駛員行為分析（DriverBehaviorAnalysis）環(huán)境感知（EnvironmentalPerception）極端情況下的自主駕駛（AutonomousDrivingonExtremecourses）規(guī)范環(huán)境下的自主導(dǎo)航（AutonomousNavigationonNomalenvironment）車輛運(yùn)動控制系統(tǒng)（VehicleMotionControlSystems）主動安全系統(tǒng)（ActiveSafetySystems）世界智能車輛的研究與發(fā)展22.2智能車輛的研究方向從世界各國相關(guān)研究成果來看，目前智能車輛的研究方向主要有以下幾個(gè)方面：交通監(jiān)控、車輛導(dǎo)航及協(xié)作（TrafficMonitoring，VehicleNavigation，andcoordination）車輛交互通信（Inter-VehicleCommunications）軍事應(yīng)用（MilitaryApplications）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（SystemArchitectures）先進(jìn)的安全車輛（AdvancedSafetyVehicles）上述研究可概括為：控、警告系統(tǒng)；半自主式車輛控制系統(tǒng)；自主車輛控制系統(tǒng)。世界智能車輛的研究與發(fā)展22.3智能車輛的研究范圍智能車輛的研究涉及到計(jì)算機(jī)測量與控制、計(jì)算機(jī)視覺、傳感器數(shù)據(jù)融合、車輛工程等諸多領(lǐng)域，可以說，智能車輛的研究是計(jì)算機(jī)視覺與計(jì)算機(jī)控制研究在車輛工程上的綜合。世界智能車輛的研究與發(fā)展22.3智能車輛的研究范圍（1）計(jì)算機(jī)視覺視覺系統(tǒng)在智能車輛研究中主要起到環(huán)境探測和辨識的作用。將計(jì)算機(jī)圖像信息與其他背景知識及其他傳感器相結(jié)合，能快速提取復(fù)雜環(huán)境中的有用信息，進(jìn)而產(chǎn)生合理的行為規(guī)劃與決策。世界智能車輛的研究與發(fā)展22.3智能車輛的研究范圍（2）傳感器數(shù)據(jù)融合在智能車輛領(lǐng)域，除視覺傳感外，常用的還有雷達(dá)、激光、GPS等傳感器。雷達(dá)系統(tǒng)可以得到計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)比較難以解決的檢測對象的距離信息，能準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)車輛行駛環(huán)境中存在的物體，在惡劣環(huán)境條件下具有獨(dú)特的優(yōu)勢。激光系統(tǒng)可以得到車輛的瞬時(shí)車輛速度信息及精確的車輛與前方車輛的距離信息，被廣泛地應(yīng)用于避障、超車、防碰撞系統(tǒng)中。世界智能車輛的研究與發(fā)展22.3智能車輛的研究范圍（3）控制理論尤其是智能控制在智能車輛上的應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)智能車輛對路徑的穩(wěn)定跟蹤，性能優(yōu)良的控制器是智能車輛必不可少的部分，所以控制理論在智能車輛上的應(yīng)用是十分重要的。智能控制是一門新興學(xué)科，人們目前認(rèn)為其包括遞階控制系統(tǒng)、專家控制系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)、神經(jīng)控制系統(tǒng)、學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)五個(gè)方面。真正的意義上的智能車輛只有在計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能控制技術(shù)充分發(fā)展的基礎(chǔ)上才能成為可能。世界智能車輛的研究與發(fā)展22.4國內(nèi)外智能車輛的發(fā)展規(guī)劃智能車輛體系結(jié)構(gòu)33.1智能車輛體系結(jié)構(gòu)智能車輛集多種傳感器數(shù)據(jù)融合、視覺信息處理、環(huán)境建模、導(dǎo)航、避障等功能于一體。按照智能控制理論，智能車輛系統(tǒng)是一個(gè)分層遞階的集散型控制系統(tǒng)，系統(tǒng)一般分為智能級、協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級。智能車輛體系結(jié)構(gòu)33.2智能車輛控制算法的處理方式目前，從智能車輛控制算法的處理方式來看，可分為串行、并行兩種結(jié)構(gòu)。（1）串行處理單CPU結(jié)構(gòu)、集中控制方式，即用一臺功能較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全部控制功能。多CPU結(jié)構(gòu)、分布式控制方式，即上、下位機(jī)二級分布式結(jié)構(gòu)。上位機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的管理及復(fù)雜的計(jì)算、處理等功能，而下位機(jī)由多個(gè)CPU組成，每個(gè)CPU具體復(fù)責(zé)某一特定的功能。智能車輛體系結(jié)構(gòu)33.2智能車輛控制算法的處理方式（2）并行處理用通用的微處理器，構(gòu)成并行處理結(jié)構(gòu)，支持計(jì)算，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制策略在線實(shí)時(shí)計(jì)算。智能車輛控制專用VLSI，能充分利用智能車輛控制算法的并行性，依靠芯片內(nèi)的并行體系結(jié)構(gòu)易于解決智能車輛控制算法中大量出現(xiàn)的計(jì)算，能大大提高計(jì)算速度。用并行處理能力的芯片式計(jì)算機(jī)（如Transputer、DSP等），構(gòu)成并行處理網(wǎng)絡(luò)（如VaMoRs-P系統(tǒng)），其下位機(jī)由大約60個(gè)Transputer構(gòu)成。課堂小結(jié)4小結(jié)ITS是一個(gè)開放的復(fù)雜的巨型系統(tǒng)，其難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)之一就是車輛的行駛導(dǎo)航和自動駕駛。根據(jù)智能車輛智能化程度，可將其分為DA、PA、CA、FA、HA五個(gè)等級。智能車輛的起源是自動引導(dǎo)車輛系統(tǒng)（AGVS），是用于倉庫內(nèi)物品的運(yùn)輸。智能車輛的研究涉及到計(jì)算機(jī)測量與控制、計(jì)算機(jī)視覺、傳感器數(shù)據(jù)融合、車輛工程等諸多領(lǐng)域。視覺系統(tǒng)在智能車輛研究中主要起到環(huán)境探測和辨識的作用。智能車輛只有在計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能控制技術(shù)充分發(fā)展的基礎(chǔ)上才能成為可能。智能車輛系統(tǒng)一般分為智能級、協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級。從智能車輛控制算法的處理方式來看，可分為串行、并行兩種結(jié)構(gòu)。基于視覺導(dǎo)航的智能車輛模糊邏輯控制智能車輛環(huán)境感知技術(shù)1234目錄基于視覺導(dǎo)航的條形狀路標(biāo)檢測模糊邏輯控制課堂小結(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo)知識目標(biāo)了解智能車輛環(huán)境感知的目的。了解智能車輛環(huán)境感知的對象。了解智能車輛環(huán)境感知的方法。了解圖像預(yù)處理和圖像平滑的作用。熟悉模糊邏輯控制系統(tǒng)組成與模糊消除方法。能力目標(biāo)能描述車輛環(huán)境感知不同方法的特點(diǎn)。能描述圖像預(yù)處理的分類。智能車輛環(huán)境感知技術(shù)11.1環(huán)境感知目的智能車輛實(shí)現(xiàn)自動駕駛必須能感知車輛周邊環(huán)境信息，包括障礙物、行人、其他車輛、道路標(biāo)志線、交通信號燈等，主要基于以下目的：通過性：基于自身行駛性能和共識規(guī)則，能實(shí)時(shí)、可靠、準(zhǔn)確識別并規(guī)劃出可保證規(guī)范、安全、迅速到達(dá)目的地的行駛路徑。安全性：在行駛過程中，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確識別出行駛路徑周邊對行駛安全可能存在安全隱患的物體，為自身采取必要操作以避免發(fā)生交通安全事故。經(jīng)濟(jì)性：為提高車輛高效、經(jīng)濟(jì)地行駛提供參考依據(jù)。平順性：為車輛平順行駛提供參考依據(jù)。智能車輛環(huán)境感知技術(shù)11.2環(huán)境感知對象智能車輛環(huán)境感知對象主要包括：行駛路徑：對于結(jié)構(gòu)化道路而言，包括行車線、道路邊緣、道路隔離物、惡劣路況的識別。對于非結(jié)構(gòu)化道路而言，包括車輛欲行駛前方路面環(huán)境狀況的識別和可行駛路徑的確認(rèn)。周邊物體：包括車輛、行人、地面上可能影響車輛通過性、安全性的其它各種移動或靜止物體的識別；各種交通標(biāo)志的識別。駕駛狀態(tài)：包括駕駛員駕駛精神狀態(tài)、車輛自身行駛狀態(tài)的識別。駕駛環(huán)境：包括路面狀況、道路交通擁堵情況、天氣情況的識別。智能車輛環(huán)境感知技術(shù)11.3環(huán)境感知方法融合傳感視覺傳感激光傳感微波傳感通訊傳感智能車輛環(huán)境感知技術(shù)1（1）視覺傳感基于機(jī)器視覺獲取車輛周邊環(huán)境二維或三維圖像信息，通過圖像分析識別技術(shù)對行駛環(huán)境進(jìn)行感知。優(yōu)點(diǎn)：信息量豐富、實(shí)時(shí)性好、體積小、能耗低。缺點(diǎn)：易受光照環(huán)境影響、三維信息測量精度較低。1.3環(huán)境感知方法智能車輛環(huán)境感知技術(shù)1（2）激光傳感基于激光雷達(dá)獲取車輛周邊環(huán)境二維或三維距離信息，通過距離分析識別技術(shù)對行駛環(huán)境進(jìn)行感知。優(yōu)點(diǎn)：能夠直接獲取物體三維距離信息、測量精度高、探測范圍廣、對光照環(huán)境變化不敏感。缺點(diǎn)：無法感知無距離差異的平面內(nèi)目標(biāo)信息、易受氣象環(huán)境影響、體積較大、價(jià)格昂貴、不便于車載集成。1.3環(huán)境感知方法智能車輛環(huán)境感知技術(shù)1（3）微波傳感基于微波雷達(dá)獲取車輛周邊環(huán)境二維或三維距離信息，通過距離分析識別技術(shù)對行駛環(huán)境進(jìn)行感知。優(yōu)點(diǎn)：能以較高精度直接獲取物體三維距離信息、對光照環(huán)境變化不敏感、實(shí)時(shí)性好、體積小。缺點(diǎn)：無法感知無距離差異的平面內(nèi)目標(biāo)信息、探測范圍較小。1.3環(huán)境感知方法智能車輛環(huán)境感知技術(shù)1（4）通訊傳感基于無線、網(wǎng)絡(luò)等近、遠(yuǎn)程通訊技術(shù)獲取車輛行駛周邊環(huán)境信息。優(yōu)點(diǎn)：能夠獲取其它傳感手段難以實(shí)現(xiàn)的宏觀行駛環(huán)境信息、可實(shí)現(xiàn)車輛間信息共享、對環(huán)境干擾不敏感。缺點(diǎn)：可用于車輛自主導(dǎo)航控制的信息不夠直接、實(shí)時(shí)性不高、無法感知周邊車輛以外其它物體信息。1.3環(huán)境感知方法智能車輛環(huán)境感知技術(shù)1（5）融合傳感運(yùn)用多種不同傳感手段獲取車輛周邊環(huán)境多種不同形式信息，通過多信息融合對行駛環(huán)境進(jìn)行感知。優(yōu)點(diǎn)：能夠獲取豐富的周邊環(huán)境信息、具有優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)能力、為安全快速自主導(dǎo)航提供可靠保障。缺點(diǎn)：感知系統(tǒng)過于復(fù)雜、難于集成、造價(jià)昂貴、實(shí)用性差。1.3環(huán)境感知方法基于視覺導(dǎo)航的條形狀路標(biāo)檢測2由于路面情況復(fù)雜，存在著大量干擾因素，如多種多樣的光照條件、陰影、雜物、行人車輛、路面不平整、路標(biāo)受到污染及破損等，最終輸出的數(shù)字圖像質(zhì)量或多或少有所降低，因此需要對數(shù)字圖像中的噪聲給予去除和修正，以改善圖像質(zhì)量。另外，為了增強(qiáng)對圖像的分析和識別能力，還需要突出有用信息，剔除圖像中其他景物內(nèi)容的干擾。2.1圖像預(yù)處理基于視覺導(dǎo)航的條形狀路標(biāo)檢測2從功能上可以將數(shù)字圖像處理劃分為三大類，即：（1）像質(zhì)改善，如圖像銳化、平滑、復(fù)原、校正等。（2）圖像分析，如邊緣與線的檢測、區(qū)域分割、形狀特征測量等。（3）圖像重建，如投影圖像重建、利用對象生成立體像、全息圖生成等。2.1圖像預(yù)處理基于視覺導(dǎo)航的條形狀路標(biāo)檢測2圖像平滑屬低通濾波圖像處理，其目的是保留圖像空間頻率的低頻部分，減少圖像的高頻部分。低通濾波可以降低圖像中的視覺噪聲，同時(shí)去除圖像中的高頻成分后，圖像中那些不明顯的低頻成分就更容易顯現(xiàn)了。如何在保護(hù)圖像邊緣信息的同時(shí)去除噪聲也是選取濾波方法時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的問題。2.2圖像平滑基于視覺導(dǎo)航的條形狀路標(biāo)檢測22.2圖像平滑模糊邏輯控制3模糊邏輯控制是基于模糊推理，模仿人的思維方式，對難以建立精確數(shù)學(xué)模型的對象實(shí)施的一種控制。是模糊數(shù)學(xué)同控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物，同時(shí)也構(gòu)成了智能控制的重要組成部分。模糊邏輯控制的突出特點(diǎn)（1）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不要求知道被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，只需要提供現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗(yàn)知識及操作數(shù)據(jù)。（2）控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，適應(yīng)于解決常規(guī)控制難以解決的非線性、時(shí)變及滯后系統(tǒng)。3.1模糊邏輯控制特點(diǎn)模糊邏輯控制33.2模糊邏輯控制系統(tǒng)組成部分模糊邏輯控制系統(tǒng)模糊規(guī)則庫模糊推理機(jī)模糊產(chǎn)生器模糊消除器模糊邏輯控制33.3模糊消除方法模糊消除方法重心法最大隸屬度法系數(shù)加權(quán)平均法隸屬度限幅元素平均法課堂小結(jié)4小結(jié)智能車輛環(huán)境