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從無人駕駛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),看智能汽車何時(shí)安全落地?

2020/08/20
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1.?無人駕駛汽車的政策法規(guī)尚未完善

目前,無人駕駛汽車普及應(yīng)用的最大挑戰(zhàn)是大眾對其接受度較低,對其安全性、可靠性的信任度較低。但因國家對無人駕駛汽車的政策法規(guī)尚未完善,無人駕駛汽車還不能在公開道路上行駛。

鑒于以上兩點(diǎn),國創(chuàng)中心主導(dǎo),整合行業(yè)資源共同打造了一款 L4 的無人駕駛汽車,目前已經(jīng)在首鋼園區(qū)內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)總體方案如圖 1 所示。

2.?無人駕駛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

無人駕駛系統(tǒng)是通過多種車載傳感器獲取車輛自身、周圍障礙物及道路等與駕駛?cè)蝿?wù)相關(guān)的環(huán)境信息,并將這些信息提供給決策規(guī)劃,決策規(guī)劃再根據(jù)感知和定位獲取的環(huán)境信息、車輛狀態(tài)和用戶需求,規(guī)劃出合適的路徑,然后通過這些信息來控制自車的行駛狀態(tài)。

不同的自動(dòng)駕駛級別和運(yùn)營環(huán)境,自動(dòng)駕駛的實(shí)現(xiàn)方案也不同。本項(xiàng)目針對首鋼園區(qū)建筑物高大、樹木繁茂較多、路況復(fù)雜的特點(diǎn),提出了基于 3 個(gè)激光雷達(dá)、1 個(gè)毫米波雷達(dá)、2 個(gè)攝像頭、12 個(gè)超聲波雷達(dá)和 1 套組合導(dǎo)航單元的傳感器解決方案。傳感器安裝位置如圖 2 所示。

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2.1 傳感器

3 個(gè)激光雷達(dá)中的 32 線激光雷達(dá)布置于車輛頂部,2 枚 16 線激光雷達(dá)布置于車輛頂部兩側(cè)。用于檢測車輛周圍的環(huán)境信息和障礙物信息,獲取障礙物的尺寸和方位信息。具有測距精度高,方位準(zhǔn)確,測量范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

毫米波雷達(dá)采用 77GHz 中長距雷達(dá),布置在車輛前保險(xiǎn)杠內(nèi)側(cè)。用于檢測車輛前方的運(yùn)動(dòng)目標(biāo),獲取目標(biāo)的速度和方位信息。具有較好的測速測距能力,且受外界影響較小,可以全天候工作。

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主攝像頭布置于車輛頂部,前視覺攝像頭粘貼于擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)中部,用于檢測車輛前方障礙物信息、道路信息、標(biāo)識牌信息和交通燈信息,獲取障礙物的類型和道路環(huán)境信息。具有對障礙物分類準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

12 枚超聲波雷達(dá)布置在車輛四周(前后 4+4,左右 2+2),用于檢測車輛周圍近距離障礙物信息,確保無人駕駛車輛可以自主出入庫。

2 個(gè) GPS 天線布置在車輛頂部,1 個(gè)慣性導(dǎo)航單元布置于車輛后備箱內(nèi)。用于獲取車輛的位姿和定位信息。

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2.2 無人駕駛系統(tǒng)軟件架構(gòu)

本項(xiàng)目以純電動(dòng)汽車為平臺(tái),搭載上述 5 種傳感器,實(shí)現(xiàn)道路環(huán)境信息準(zhǔn)確感知,并通過多傳感器信息融合技術(shù)將這些信息進(jìn)行集成,降低誤判概率,提高信息輸出的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

設(shè)計(jì)開發(fā)了多傳感器融合算法、定位組合算法、決策規(guī)劃算法和車輛控制算法,實(shí)現(xiàn)了開放園區(qū)和封閉園區(qū)道路上的自主跟車、自主超車與并線、車道保持、交通路口自動(dòng)通行、障礙物規(guī)避等功能,編寫了無人駕駛測試用例,制定了無人駕駛測試規(guī)范,完成了無人駕駛系統(tǒng)的測試。

為了達(dá)成該目的,將無人駕駛系統(tǒng)軟件架構(gòu)分為傳感器接口層、感知層、定位層、決策層和車輛控制層。

傳感器接口層包括各種外圍傳感器的輸入。感知層收集各種傳感器的數(shù)據(jù),進(jìn)行多層次、多空間的信息互補(bǔ)和優(yōu)化組合處理,最終實(shí)現(xiàn)對周圍環(huán)境的全方位感知。多傳感器融合方案如圖 3 所示。

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定位層:根據(jù)激光雷達(dá)和組合導(dǎo)航單元的數(shù)據(jù)信息構(gòu)建出全局地圖。激光雷達(dá)、攝像頭、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)的感知結(jié)果融合處理后建立以行駛車輛為中心的感知局部地圖。并通過 GPS 信息、車輛位置和姿態(tài)信息的疊加。提供一種直觀了解行車環(huán)境各種信息處理結(jié)果的實(shí)時(shí)綜合地圖。

決策層:在全局環(huán)境中,依靠路網(wǎng)、任務(wù)和定位信息生成一條最優(yōu)全局路徑;在局部環(huán)境中,依靠感知信息并在交通規(guī)則的約束下,實(shí)時(shí)推理出合理的駕駛行為,并生成安全可行駛的區(qū)域;

根據(jù)車速、道路復(fù)雜度生成平滑的可能行駛路線;分析靜態(tài)、動(dòng)態(tài)障礙物和交通規(guī)程形成局部路徑規(guī)劃,并形成駕駛策略決策發(fā)送至車輛控制層。同時(shí)對系統(tǒng)故障進(jìn)行處理和恢復(fù)并接受高層控制等。

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車輛控制層:根據(jù)路徑規(guī)劃結(jié)果和車輛內(nèi)部的各種傳感器信息,生成對車輛檔位、油門、方向的控制命令,保持車輛平穩(wěn)高速行駛,實(shí)現(xiàn)自主駕駛。

軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖 4 所示。

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3.人 - 車 - 云三位一體的人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

人機(jī)交互系統(tǒng)是無人駕駛汽車投入商用的一道門檻,它對于無人駕駛汽車產(chǎn)業(yè)和用戶來說都具有重要意義 [2]。目前用戶對無人駕駛汽車仍處于新奇和懷疑的態(tài)度,還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到信任和接受的程度。在這樣的背景下,無人駕駛汽車的人機(jī)界面就變得更為重要。

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它需要成為用戶與汽車之間溝通的橋梁,讓用戶了解汽車的實(shí)時(shí)狀況,為用戶創(chuàng)造安全的駕駛體驗(yàn);也需要幫助用戶建立起與無人駕駛汽車之間的信任感,使用戶更加和諧的從傳統(tǒng)汽車過渡到無人駕駛時(shí)代 [3]。

本項(xiàng)目人機(jī)交互子系統(tǒng)的研究目標(biāo)正是通過對無人駕駛汽車人機(jī)交互界面的合理設(shè)計(jì),滿足用戶的駕乘需求,為用戶創(chuàng)造出安全便捷的駕乘體驗(yàn)。

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3.1 功能概述

無人駕駛車輛運(yùn)行在園區(qū)內(nèi)固定的行駛路線上,沿線會(huì)設(shè)置一系列的站點(diǎn),每個(gè)站點(diǎn)的站牌上貼有約車二維碼,位于任一站點(diǎn)附近的乘客可通過掃描站牌上的二維碼進(jìn)入約車界面,選擇起始地和目的地,點(diǎn)擊確定后即下單成功。

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訂單直接發(fā)送到云端,云端根據(jù)訂單情況對正在運(yùn)營的無人駕駛車輛進(jìn)行調(diào)度,同時(shí)發(fā)送訂單的運(yùn)營路線到手機(jī)端和車載端,無人駕駛車按照接收到的運(yùn)營路線去起始地接乘客,并送達(dá)指定的目的地,用戶可根據(jù)駕乘體驗(yàn)對服務(wù)進(jìn)行評價(jià),至此訂單完成。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)采用 B/S,C/S 多層架構(gòu),支持多種網(wǎng)絡(luò)接入方式用戶端采用瀏覽器, H5 和 APP 的方式,減少系統(tǒng)安裝維護(hù)的工作量;用戶使用簡單,無需培訓(xùn);系統(tǒng)擴(kuò)展容易;支持遠(yuǎn)程業(yè)務(wù)處理。業(yè)務(wù)邏輯在服務(wù)器端運(yùn)行,充分利用了服務(wù)器的處理能力;

通過結(jié)合 Web 負(fù)載均衡、組件負(fù)載均衡等,可以通過橫向擴(kuò)充服務(wù)器,使得系統(tǒng)能夠處理更多的服務(wù)請求,滿足不斷增長的系統(tǒng)性能需求。人機(jī)交互子系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)圖如圖 5 所示,系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)如圖 6 所示。

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4.設(shè)計(jì)流程構(gòu)建
立足于以用戶為中心的設(shè)計(jì)思想,將無人駕駛汽車的信息盡量透明化,幫助用戶輕松判斷汽車的可靠性,從而建立起對汽車的任感,促進(jìn)大眾對無人駕駛汽車的接受度,促進(jìn)無人駕駛汽車走入人們生活。設(shè)計(jì)流程如圖 7 所示。

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結(jié)語

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展,完全無人駕駛已不是遙不可及。無人駕駛技術(shù)的落地除卻傳感器、計(jì)算平臺(tái)等技術(shù)本身的局限性外,也有賴于大眾對無人駕駛技術(shù)的認(rèn)可和信任度。

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本文從推動(dòng)無人駕駛落地的角度出發(fā),采用以用戶為中心的設(shè)計(jì)理念,借助科技冬奧的使用場景,設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了無人駕駛及其運(yùn)營系統(tǒng)。該系統(tǒng)已經(jīng)在北京市首鋼園區(qū)內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)營了 5 個(gè)月之久,受到了大眾的廣泛好評。

未來隨著智能網(wǎng)聯(lián)時(shí)代的全面到來,無人駕駛汽車將覆蓋更多人群,其實(shí)現(xiàn)方式也從單車智能發(fā)展為車路協(xié)同,人機(jī)交互方式將不斷創(chuàng)新,落地場景將更加豐富。

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參考文獻(xiàn):

[1] 張茜 . 無人駕駛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J]. 電子技術(shù)與軟件工程, 2019(18).

[2] 董長青, 丁田妹, 黃曉延,et al. 無人駕駛的人機(jī)交互方式研究綜述[J]. 時(shí)代汽車, 2017(14):11-12.

[3] 李小凡 . 全自動(dòng)無人駕駛汽車人機(jī)界面概念設(shè)計(jì) [D]. 東南大學(xué),2018.

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