无人驾驶 ( 10/20 )

无人驾驶 ( 10/20 )


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无人驾驶汽车也称智能车、无人自动驾驶车、自主导航车或轮式移动机器人, 是室外移动机器人在交通领域的重要应用. 无人驾驶车系统是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统, 是充分考虑车路合一、协调规划的车辆系统, 也是智能交通系统的重要组成部分.

无人驾驶汽车利用传感器技术、信号处理技术、通讯技术和计算机技术等,通过集成视觉、激光雷达、超声传感器、微波雷达、GPS、里程计、磁罗盘等多种车载传感器来辨识汽车所处的环境和状态,并根据所获得的道路信息、交通信号的信息、车辆位置和障碍物信息做出分析和判断,向主控计算机发出期望控制,控制车辆转向和速度,从而实现无人驾驶车辆依据自身意图和环境的拟人驾驶。

无人驾驶汽车的关键技术[1]

总的来说,无人驾驶技术是传感器、计算机、人工智能、通信、导航定位、模式识别、机器视觉、智能控制等多门前沿学科的综合体。按照无人驾驶汽车的职能模块,无人驾驶汽车的关键技术包括环境感知、导航定位、路径规划、决策控制等。

1.环境感知技术

环境感知模块相当于无人驾驶汽车的眼和耳,无人驾驶汽车通过环境感知模块来辨别自身周围的环境信息,为其行为决策提供信息支持。环境感知包括无人驾驶汽车自身位姿感知和周围环境感知两部分。单一传感器只能对被测对象的某个方面或者某个特征进行测量,无法满足测量的需要。因而,必需采用多个传感器同时对某一个被测对象的一个或者几个特征量进行测量,将所测得的数据经过数据融合处理后,提取出可信度较高的有用信号。按照环境感知系统测量对象的不同,我们采用两种方法进行检测:

无人驾驶汽车自身位姿信息主要包括车辆自身的速度、加速度、倾角、位置等信息。这类信息测量方便,主要用驱动电机、电子罗盘、倾角传感器、陀螺仪等传感器进行测量。

无人驾驶汽车周围环境感知以雷达等主动型测距传感器为主,被动型测距传感器为辅,采用信息融合的方法实现。因为激光、雷达、超声波等主动型测距传感器相结合更能满足复杂、恶劣条件下,执行任务的需要,最重要的是处理数据量小,实时性好。同时进行路径规划时可以直接利用激光返回的数据进行计算,无需知道障碍物的具体信息。

而视觉作为环境感知的一个重要手段,虽然目前在恶劣环境感知中存在一定问题,但是在目标识别、道路跟踪、地图创建等方面具有其他传感器所无法取代的重要性,而在野外环境中的植物分类、水域和泥泞检测等方面,视觉也是必不可少的手段。

2.导航定位技术

无人驾驶汽车的导航模块用于确定无人驾驶汽车其自身的地理位置,是无人驾驶汽车的路径规划和任务规划的之支撑。导航可分为自主导航和网络导航两种。

自主导航技术是指除了定位辅助之外,不需要外界其他的协助,即可独立完成导航任务。自主导航技术在本地存储地理空间数据,所有的计算在终端完成,在任何情况下均可实现定位,但是自主导航设备的计算资源有限,导致计算能力差,有时不能提供准确、实时的导航服务。现有自主导航技术可分为三类:

相对定位:主要依靠里程计、陀螺仪等内部本体感受传感器,通过测量无人车相对于初始位置的位移来确定无人车的当前位置。绝对定位:主要采用导航信标,主动或被动标识,地图匹配或全球定位系统进行定位。

组合定位:综合采用相对定位和绝对定位的方法,扬长避短,弥补单一定位方法的不足。组合定位方案一般有GPS+地图匹配、6PS+航迹推算、GPS+航迹推算+地图匹配、GPS+GLONASS+惯性导航+地图匹配等。网络导航能随时随地通过无线通信网络、交通信息中心进行信息交互。移动设备通过移动通信网与直接连接于Internet的WebGIS服务器相连,在服务器执行地图存储和复杂计算等功能,用户可以从服务器端下载地图数据。网络导航的优点在于不存在存储容量的限制、计算能力强,能够存储任意精细地图,而且地图数据始终是最新的。

3.路径规划技术

路径规划是无人驾驶汽车信息感知和智能控制的桥梁,是实现自主驾驶的基础。路径规划的任务就是在具有障碍物的环境内按照一定的评价标准,寻找一条从起始状态包括位置和姿态到达目标状态的无碰路径。

路径规划技术可分为全局路径规划和局部路径规划两种。全局路径规划是在已知地图的情况下,利用已知局部信息如障碍物位置和道路边界,确定可行和最优的路径,它把优化和反馈机制很好的结合起来。局部路径规划是在全局路径规划生成的可行驶区域指导下,依据传感器感知到的局部环境信息来决策无人平台当前前方路段所要行驶的轨迹。全局路径规划针对周围环境已知的情况,局部路径规划适用予环境未知的情况。

路径规划算法包括可视图法、栅格法、人工势场法、概率路标法、随机搜索树算法、粒子群算法等。

4.决策控制技术

决策控制模块相当于无人驾驶汽车的大脑,其主要功能是依据感知系统获取的信息来进行决策判断,进而对下一步的行为进行决策,然后对车辆进行控制。决策技术主要包括模糊推理、强化学习、神经网络和贝叶斯网络等技术。

决策控制系统的行为分为反应式、反射式和综合式三种方案:反应式控制是一个反馈控制的过程,根据车辆当前位姿与期望路径的偏差,不断地调节方向盘转角和车速.直到到达目的地。反射式控制是一种低级行为,用于对行进过程中的突发事件做出判断,并迅速做出反应。

综合式控制在反应层中加入机器学习模块,将部分决策层的行为转化成基于传感器的反应层行为,从而提高系统的反应速度。

国外无人驾驶汽车的发展状况[2]

发达国家从20世纪70年代开始进行无人驾驶汽车研究,目前在可行性和实用性方面,美国和德国走在前列。美国是世界上研究无人驾驶车辆最早、水平最高的国家之一。早在20世纪80年代,美国就提出自主地面车辆(ALV)计划,这是一辆8轮车,能在校园的环境中自主驾驶,但车速不高。美国其它一些著名大学,如卡耐基梅隆大学、麻省理工学院等都先后于20世纪80年代开始研究无人驾驶车辆。然而,由于技术上的局限和预期目标过于复杂,到20世纪80年代末90年代初,各国都将研究重点逐步转移到问题相对简单的高速公路上的民用车辆的辅助驾驶项目上。1995年,一辆由美国卡耐基梅隆大学研制的无人驾驶汽车Navlab.V,完成了横穿美国东西部的无人驾驶试验。在全长5000km的美国州际高速公路上,整个实验96%以上的路程是车辆自主驾驶的,车速达50~60km/h。尽管这次实验中的Navlab.V仅仅完成方向控制,而不进行速度控制(油门及档位由车上的参试人员控制),但这次实验已经让世人看到了科技的神奇力量。丰田汽车公司在2000年开发出无人驾驶公共汽车。这套公共汽车自动驾驶系统主要由道路诱导、车队行驶、追尾防止和运行管理等方面组成。安装在车辆底盘前部的磁气传感器将根据埋设在道路中间的永久性磁石进行导向,控制车辆行驶方向。

2005年,美国国防部“大挑战”比赛上,最终由美国斯坦福大学工程师们改装的一辆大众途锐多功能车经过7个半小时的长途跋涉完成了全程障碍赛,第一个到达了终点。在赛道上,无人驾驶汽车需要穿越沙漠、通过黑暗的隧道、越过泥泞的河床并需要在崎岖险峻的山道上行使,整个行程无人驾驶汽车需要绕过无数个障碍。在无人驾驶技术研究方面位于世界前列的德国汉堡Ibeo公司,最近推出了其研制的无人驾驶汽车。这辆无人驾驶智能汽车由德国大众汽车公司生产的帕萨特2.0改装而成,外表看来与普通家庭汽车并无差别,但却可以在错综复杂的城市公路系统中实现无人驾驶。行驶过程中,车内安装的全球定位仪随时获取汽车所在准确方位的信息数据。隐藏在前灯和尾灯附近的激光扫描仪是汽车的“眼”,它们随时“观察”汽车周围约183m内的道路状况,构建三维道路模型。除此之外,“眼”还能识别各种交通标识,如速度限制、红绿灯、车道划分、停靠点等,保证汽车在遵守交通规则的前提下安全行驶。最后由无人驾驶汽车的“脑”——安装在汽车后备厢内的计算机,将两组数据汇合、分析,并根据结果向汽车传达相应的行驶命令。多项先进科技确保这款无人驾驶汽车能够灵活换档、加速、转弯、刹车甚至倒车。在茫茫车海和人海中,它能巧妙避开建筑、障碍、其他车辆和行人,从容前行。

无人驾驶汽车的发展方向[2]

无人驾驶汽车的研究,可以归纳为3个方面:高速公路环境、城市环境和特殊环境下的无人驾驶系统。就具体研究内容而言,3个方面相互重叠,只是技术的侧重点不同。

1.高速公路环境下的无人驾驶系统

这类系统将使用在环境限定为具有良好标志的结构化高速公路上,主要完成道路标志线跟踪、车辆识别等功能。这些研究把精力集中在简单结构化环境下的高速自动驾驶上,其目标是实现进入高速公路之后的全自动驾驶。尽管这样的应用定位有一定的局限性,但它的确解决了现代社会中最为常见、危险、也是最为枯燥的驾驶环节的驾驶任务。

2.城市环境下的无人驾驶系统

与高速环境研究相比,城市环境下的无人驾驶由于速度较慢,因此更安全可靠,应用前景更好。短期内,可作为城市大容量公共交通(如地铁等)的一种补充,解决城市区域交通问题,例如大型活动场所、公园、校园、工业园、机场等。但是,城市环境也更为复杂,对感知和控制算法提出了更高的要求。城市环境中的无人自动驾驶将成为下一阶段研究重点。例如,美国国防部“大挑战”比赛2007年将采用城市环境。目前这类环境的应用已经进入到小范围推广阶段,但其大范围应用目前仍存在一定困难,例如可靠性问题、多车调度和协调问题、与其它交通参与者的交互问题、成本问题、商业模型等。

3.特殊环境下的无人驾驶系统

无人驾驶汽车研究走在前列的国家,一直都很重视其在军事和其他一些特殊条件下的应用。但其关键技术和基于高速公路和城市环境的车辆是一致的,只是在性能要求上的侧重点不一样。例如,车辆的可靠性、对恶劣环境的适应性是在特殊环境下考虑的首要问题,也是在未来推广应用要重点解决的问题。