現(xiàn)代汽車新技術(shù) 課件 第四章 智能汽車

智能汽車（無(wú)人駕駛車輛）智能汽車是指一輛汽車具有規(guī)劃自己的行車路線，感知周圍環(huán)境，針對(duì)實(shí)時(shí)交通情況做出合理決策，并輔助、甚至代替駕駛員進(jìn)行車輛駕駛的能力，從而減小駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，使車輛行駛過(guò)程變得更加安全、舒適、高效。智能汽車定義智能汽車的研究意義21世紀(jì)的汽車概念將發(fā)生根本性的變化?，F(xiàn)在的“汽車”是帶有一些電子控制的機(jī)械裝置，將來(lái)的“汽車”將轉(zhuǎn)變?yōu)閹в幸恍┹o助機(jī)械的機(jī)電一體化裝置，汽車的主要部分不再僅僅是個(gè)機(jī)械裝置，它正向消費(fèi)類電子產(chǎn)品轉(zhuǎn)移。同時(shí)，智能汽車在傳統(tǒng)汽車上配備了遠(yuǎn)程信息處理器、傳感器和接收器，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)獲取前方交通狀況信息，引導(dǎo)汽車加速或減速。這樣，汽車就能更為平穩(wěn)地行駛，避免不斷剎車、啟動(dòng)的動(dòng)作，以降低油耗。隨著汽車電子控制技術(shù)的發(fā)展，中國(guó)的汽車工業(yè)將面臨著巨大的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)，開(kāi)展智能汽車技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)工作具有重要意義。英國(guó)和美國(guó)的科學(xué)家研究分析表明，每個(gè)交通事故均不同程度地涉及到駕駛員、汽車和道路環(huán)境因素。英國(guó)的研究得出道路交通事故肇事發(fā)生的唯一原因是由駕駛員因素引起的占65%(美國(guó)為57%)，而與駕駛員因素有關(guān)(駕駛員－汽車因素、駕駛員－道路環(huán)境因素、駕駛員－汽車－道路環(huán)境因素和駕駛員因素)的百分率占到近95%(美國(guó)占94%)。我國(guó)道路交通事故的統(tǒng)計(jì)也表明，主要由于駕駛員造成的事故占90%左右?？傊{駛員失誤作為肇事發(fā)生交通事故的主要原因已被世界各國(guó)所公認(rèn)。如果要從根本上解決這一問(wèn)題，就需要將“人”從交通控制系統(tǒng)中請(qǐng)出來(lái)，從而提高安全性。由于無(wú)人駕駛電動(dòng)車不需要司機(jī)，系統(tǒng)效率也隨著提高。這種新型車輛控制方法的核心，就是實(shí)現(xiàn)車輛的無(wú)人自動(dòng)駕駛。而車輛安全是無(wú)人駕駛車成敗的關(guān)鍵。美國(guó)的科學(xué)家很早就開(kāi)始這方面的探索，例如美國(guó)加州大學(xué)的PATH項(xiàng)目組，從20世紀(jì)90年代初就開(kāi)始了自動(dòng)公路和智能汽車的研究，叫做智能車路系統(tǒng)。1992年美國(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)了地面運(yùn)輸效率法案（ISTEA），要求在1998年前實(shí)現(xiàn)一條試驗(yàn)自動(dòng)公路。經(jīng)過(guò)5年的努力，1997年8月在南加州7.6英里長(zhǎng)的試驗(yàn)路段上對(duì)自動(dòng)公路進(jìn)行了成功的試驗(yàn)。筆者曾在美國(guó)和日本試乘了這種汽車，當(dāng)安裝有自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的汽車駛?cè)肼裼袑?dǎo)向磁性標(biāo)線的道路時(shí)，汽車進(jìn)入自動(dòng)駕駛狀態(tài)，駕駛員完全放開(kāi)手腳，可以和我們聊天，可以看報(bào)紙，遇到彎道，汽車會(huì)自己轉(zhuǎn)彎，遇到情況會(huì)自己采取剎車等措施。在日本，眾多的汽車廠商也在進(jìn)行類似的開(kāi)發(fā)工作，日本政府也制定了完整的開(kāi)發(fā)和實(shí)施計(jì)劃，提出了智能道路的概念。2000年11月在日本的筑波，來(lái)自日本各大汽車廠家和美國(guó)的試驗(yàn)車輛完成了實(shí)證試驗(yàn)，這些試驗(yàn)車輛不但可以在路段上自動(dòng)駕駛，而且在路口可以探測(cè)其它方向的車輛和過(guò)街的行人，并采取相應(yīng)的措施。2001年以后，日本開(kāi)始在各地進(jìn)行實(shí)證試驗(yàn)，2003年計(jì)劃在第二東名、名神公路先行引進(jìn)使用，2015年左右在全國(guó)主要干線道路實(shí)現(xiàn)智能道路。智能車輛(IntelligentVehicle,IV)技術(shù)的研究，可以追溯到20世紀(jì)50年代初美國(guó)BarretteElectronics公司研制的世界上第一臺(tái)自動(dòng)引導(dǎo)車輛(AutomatedGuidedVehicle,AGV)，它實(shí)際上是低速智能車輛研究領(lǐng)域的一臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人。而在高速智能車輛研究領(lǐng)域，早在1939－1940年紐約世界博覽會(huì)上，美國(guó)通用汽車公司（GM）展示的Futurama概念車就提出汽車自動(dòng)駕駛的概念。從20世紀(jì)50年代后期到60年代中期，美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)家都開(kāi)展了高速車輛自動(dòng)駕駛的研究，其自動(dòng)駕駛系統(tǒng)普遍采用在行車線埋設(shè)引導(dǎo)電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向控制。日本于1977年首先開(kāi)發(fā)出了機(jī)器視覺(jué)導(dǎo)航自動(dòng)駕駛汽車的樣車，20世紀(jì)80年代前期，美國(guó)開(kāi)發(fā)出了軍用自動(dòng)駕駛越野車。從20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始，為解決日益突出的交通事故、交通堵塞、交通環(huán)境污染、能源消耗等問(wèn)題，各發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始投入了大量的人力、物力研究實(shí)施智能交通系統(tǒng)(ITS)。智能車輛研究項(xiàng)目多包含在美國(guó)的IVHS、歐洲的Prometheus、日本的ITS等總體項(xiàng)目中，智能車輛相關(guān)技術(shù)也相繼取得了突破性的發(fā)展，如德國(guó)的VaMoRs-P車輛系統(tǒng)、美國(guó)的NavLab系統(tǒng)、意大利的ARGO系統(tǒng)等。從1987年到1994年，在歐洲開(kāi)展了“普羅米修斯”（Prometheus－ProgrammeforaEuropeantrafficofhighestefficiencyandunprecedentedsafety）EUREKA研究項(xiàng)目。該項(xiàng)目中頗具代表性的是戴姆勒－奔馳公司研制的VITAⅡ試驗(yàn)車，于1994年10月在巴黎附近的一號(hào)高速公路上進(jìn)行了車輛導(dǎo)航試驗(yàn)，在長(zhǎng)達(dá)幾千公里的普通三車道路段中采用了駕駛員輔助駕駛和車輛自主駕駛相結(jié)合的導(dǎo)航方法[3]。德國(guó)聯(lián)邦國(guó)防大學(xué)（UBM）從20世紀(jì)80年代初期就開(kāi)始進(jìn)行智能車輛自主導(dǎo)航的研究，其合作伙伴是德國(guó)戴姆勒－奔馳汽車公司。其中最具代表性的是由一輛豪華型奔馳500SEL改裝而成的VaMoRs-P試驗(yàn)車。VaMoRs-P試驗(yàn)車在高速公路和普通標(biāo)準(zhǔn)公路上進(jìn)行了大量試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括跟蹤車道線，躲避障礙以及自動(dòng)超車等[4]。美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（CMU）機(jī)器人研究所在智能車輛研究領(lǐng)域也開(kāi)展了深入的研究，研制開(kāi)發(fā)了NavLab系列試驗(yàn)車。其中最具代表性的是根據(jù)運(yùn)動(dòng)跑車（PontiacTransSport）改裝而成的NavLab－5試驗(yàn)車，由美國(guó)著名的DelcoElectronics公司捐資贊助。該試驗(yàn)車進(jìn)行了橫穿美國(guó)大陸的長(zhǎng)途自主駕駛試驗(yàn)，其中車輛縱向控制由駕駛員完成，而車輛的橫向?qū)Ш娇刂苿t完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制[2][3]。意大利Parma大學(xué)信息工程系在智能車輛領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究，研制的ARGO試驗(yàn)車，其顯著特點(diǎn)是采用了商用低成本計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)。在1998年意大利汽車百年行活動(dòng)中，ARGO試驗(yàn)車由GOLD系統(tǒng)駕駛進(jìn)行了2000km的道路試驗(yàn)，在試驗(yàn)中其自動(dòng)駕駛里程達(dá)到總行程的94％[5][6]。另外，德國(guó)研究與技術(shù)部門與德國(guó)大眾汽車公司（VolksWagen）合作研制了Caravelle試驗(yàn)車，車體采用大眾公司的Caravell旅行車改裝而成，目前正在開(kāi)展隔離試驗(yàn)道路上計(jì)算機(jī)視覺(jué)與其它傳感器信息融合的完全自主駕駛試驗(yàn)研究。法國(guó)帕斯卡大學(xué)自動(dòng)化與電子材料實(shí)驗(yàn)室與法國(guó)D.R.A.S雪鐵龍（Citroen）技術(shù)中心合作，聯(lián)合研制出一個(gè)功能簡(jiǎn)單卻頗具特色的輔助導(dǎo)航Peugeot試驗(yàn)車。該研究由P.S.A標(biāo)志（Peugeot）雪鐵龍汽車公司提供資助。該試驗(yàn)車的一個(gè)突出特點(diǎn)是硬件配置輕型化，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算處理部分都已集成在一塊數(shù)字信號(hào)處理卡上，因此對(duì)試驗(yàn)車幾乎無(wú)需作任何改裝。Peugeot試驗(yàn)車已經(jīng)在高速公路上進(jìn)行了幾百公里不同路況的行車試驗(yàn)，其系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性。在亞洲，日本豐田公司（TOYOTA）也研制出由豐田轎車改造而成的智能試驗(yàn)車，并進(jìn)行了相關(guān)的導(dǎo)航試驗(yàn)。另外，日本專利局（JPO－MITI）與日產(chǎn)汽車公司（Nissan）、富士通公司（Fujitsu）合作開(kāi)展PVS（PersonalVehicleSystem）研究項(xiàng)目,其自動(dòng)駕駛汽車系統(tǒng)在夜間和雨天環(huán)境下也能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛[9]。隨著我國(guó)改革開(kāi)放的不斷發(fā)展和科技水平的日益提高，從八五期間也開(kāi)始了智能車輛方面的研究。但由于起步較晚，以及經(jīng)濟(jì)條件的制約，我國(guó)在智能車輛研究領(lǐng)域與發(fā)達(dá)國(guó)家仍有一定的差距，目前開(kāi)展這方面研究工作的單位主要有國(guó)防科技大學(xué)、清華大學(xué)、吉林大學(xué)、北京理工大學(xué)、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所等。國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院自20世紀(jì)80年代起開(kāi)始進(jìn)行無(wú)人駕駛智能車輛技術(shù)研究，先后研制出四代無(wú)人駕駛汽車。第四代自主無(wú)人駕駛汽車于2000年6月在長(zhǎng)沙市環(huán)城高速公路上進(jìn)行了試驗(yàn)。從1993年開(kāi)始，由南京理工大學(xué)、北京理工大學(xué)、浙江大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、清華大學(xué)等多所院校聯(lián)合研制開(kāi)發(fā)“地面軍用智能機(jī)器人”項(xiàng)目，選用國(guó)產(chǎn)躍進(jìn)客貨車改制而成的智能車上集成了二維彩色攝像機(jī)、三維激光雷達(dá)、陀螺慣導(dǎo)定位、超聲等傳感器。其體系結(jié)構(gòu)以水平式結(jié)構(gòu)為主，采用傳統(tǒng)的“感知-建模-規(guī)劃-執(zhí)行”算法，其直線跟蹤速度達(dá)到20km/h，避障速度達(dá)到5～10km/h。在國(guó)防科工委和國(guó)家863計(jì)劃的資助下，清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系智能技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室自1988年開(kāi)始研制THMR（TsinghuaMobileRobot）系列移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)。其中THMR-Ⅴ系統(tǒng)是清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系目前正在研制的新一代智能移動(dòng)機(jī)器人，兼有面向高速公路和一般道路的功能。車體采用道奇7座廂式車改裝，裝備有彩色攝像機(jī)、GPS、磁羅盤光碼盤定位系統(tǒng)、激光測(cè)距儀LMS220等。它的體系結(jié)構(gòu)以垂直式為主，采用多層次“感知-動(dòng)作”行為控制及基于模糊控制的局部路徑規(guī)劃及導(dǎo)航控制。該智能車設(shè)計(jì)車速為80km/h，一般道路為20km/h。吉林大學(xué)智能車輛課題組自1992年以來(lái)，對(duì)車輛的自主導(dǎo)航機(jī)理及關(guān)鍵技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，研究領(lǐng)域涉及物流自動(dòng)化、柔性生產(chǎn)組織、智能車輛自主導(dǎo)航、車輛安全輔助駕駛等領(lǐng)域。在國(guó)家自然科學(xué)基金、教育部博士基金等項(xiàng)目資助下，課題組已先后研制開(kāi)發(fā)出JUTIV-Ⅰ、JUTIV-Ⅱ、JLUIV-Ⅲ和JLUIV-Ⅳ四代視覺(jué)導(dǎo)航智能車輛。目前，該課題組正與一汽大眾合作開(kāi)展新一輪視覺(jué)導(dǎo)航物流運(yùn)輸裝備AGV的研制工作?，F(xiàn)代智能車輛的研究與發(fā)展史一.智能車輛的產(chǎn)生與發(fā)展(4)二.智能車輛的研究方向(11)三.智能車輛的研究范圍(4)

1.它的研究始于20世紀(jì)50年代初美國(guó)BarrettElectronics公司開(kāi)發(fā)出的世界上第一臺(tái)自動(dòng)引導(dǎo)車輛系統(tǒng)（AutomatedGuidedVehicleSystem，AGVS）。

一.智能車輛的產(chǎn)生與發(fā)展(1)一.智能車輛的產(chǎn)生與發(fā)展(2)2．1974年，瑞典的VolvoKalmar轎車裝配工廠與Schiinder－Digitron公司合作，研制出一種可裝載轎車車體的AGVS，并由多臺(tái)該種AGVS組成了汽車裝配線，從而取消了傳統(tǒng)應(yīng)用的拖車及叉車等運(yùn)輸工具。

一.智能車輛的產(chǎn)生與發(fā)展(3)

3.由于Kalmar工廠采用AGVS獲得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，許多西歐國(guó)家紛紛效仿Volvo公司，并逐步使AGVS在裝配作業(yè)中成為一種流行的運(yùn)輸手段。一.智能車輛的產(chǎn)生與發(fā)展(4)4.20世紀(jì)80年代，伴隨著與機(jī)器人技術(shù)密切相關(guān)的計(jì)算機(jī)。電子、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，國(guó)外掀起了智能機(jī)器人研究熱潮，其中各種具有廣闊應(yīng)用前景和軍事價(jià)值的移動(dòng)式機(jī)器人受到西方各國(guó)的普遍關(guān)注。二.智能車輛的研究方向(11)1.駕駛員行為分析（DriverBehaviorAnalysis）2.環(huán)境感知（EnvironmentalPerception）3.極端情況下的自主駕駛（AutonomousDrivingonExtremecourses）4.規(guī)范環(huán)境下的自主導(dǎo)航（AutonomousNavigationonNormalenvironment）5.車輛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（VehicleMotionControlSystems）6.主動(dòng)安全系統(tǒng)（Active，SafetySystems）7.交通監(jiān)控、車輛導(dǎo)航及協(xié)作（TrafficMonitoring，

VehicleNavigationandcoordination)8.車輛交互通信（Inter-VehicleCommunication)9.軍事應(yīng)用（MilitaryApplications）10.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（SystemArchitectures）11.先進(jìn)的安全車輛（AdvancedSafetyVehicles）

1.駕駛員行為分析（DriverBehaviorAnalysis）任務(wù)：研究駕駛員的行為方式、精神狀態(tài)與車輛行駛之間的內(nèi)在聯(lián)系；目的：建立各種輔助駕駛模型，為智能車輛安全輔助駕駛或自動(dòng)駕駛提供必要的數(shù)據(jù)，如對(duì)駕駛員面部表情的歸類分析能夠判定駕駛員是否處于疲勞狀態(tài)，是否困倦瞌睡等；二.智能車輛的研究方向(1)二.智能車輛的研究方向(2)2.環(huán)境感知（EnvironmentalPerception）主要是運(yùn)用傳感器融合等技術(shù)，來(lái)獲得車輛行駛環(huán)境的有用信息，如車流信息、車道狀況信息、周邊車輛的速度信息、行車標(biāo)志信息等；

二.智能車輛的研究方向(3)3.極端情況下的自主駕駛（AutonomousDrivingonExtremecourses）主要研究在某些極端情況下，如駕駛員的反應(yīng)極限、車輛失控等情況下的車輛自主駕駛；二.智能車輛的研究方向(4)

4.規(guī)范環(huán)境下的自主導(dǎo)航（AutonomousNavigationonNormalenvironment）主要研究在某些規(guī)范條件下，如有人為設(shè)置的路標(biāo)或道路環(huán)境條件較好，智能車輛根據(jù)環(huán)境感知所獲得的環(huán)境數(shù)據(jù)，結(jié)合車輛的控制模型，在無(wú)人干預(yù)下，自主地完成車輛的駕駛行為。

二.智能車輛的研究方向(5)5.車輛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（VehicleMotionControlSystems）研究車輛控制的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)建模、車體控制等問(wèn)題；

二.智能車輛的研究方向(6)6.主動(dòng)安全系統(tǒng)（Active，SafetySystems）主要是以防為主，如研究各種情況下的避障、防撞安全保障系統(tǒng)等；二.智能車輛的研究方向(7)7.交通監(jiān)控、車輛導(dǎo)航及協(xié)作（TrafficMonitoring，VehicleNavigationandcoordination）主要研究交通流誘導(dǎo)等問(wèn)題；

二.智能車輛的研究方向(8)

8.車輛交互通信（Inter－VehicleCommunication）研究車輛之間有效的信息交流，主要是各種車輛間的無(wú)線通信問(wèn)題；

二.智能車輛的研究方向(9)9.軍事應(yīng)用（MilitaryApplications）研究智能車輛系統(tǒng)在軍事上的應(yīng)用；

二.智能車輛的研究方向(10)

10.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（SystemArchitectures）研究智能車輛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組織問(wèn)題；

二.智能車輛的研究方向(11)11.先進(jìn)的安全車輛（AdvancedSafetyVehicles）研究更安全、具有更高智能化特征的車輛系統(tǒng)。關(guān)鍵技術(shù)研究智能汽車設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容智能汽車的體系結(jié)構(gòu)智能汽車的信息采集、處理及傳輸智能汽車的自動(dòng)控制系統(tǒng)智能汽車的通信系統(tǒng)智能汽車的導(dǎo)駛定位技術(shù)智能汽車的電源系統(tǒng)智能汽車的體系結(jié)構(gòu)智能汽車的體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須包含實(shí)現(xiàn)用戶功能的全部子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。智能汽車的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該闡述這種車輛的結(jié)構(gòu)體系，列出用戶服務(wù)功能，定義實(shí)現(xiàn)用戶服務(wù)功能的各個(gè)子系統(tǒng)。研究各個(gè)子系統(tǒng)之間的通信方式和組織方式。智能汽車的信息采集、處理及傳輸信息就是智能汽車的靈魂，智能