智能交通系统概论 课件 第4章 先进的车辆控制系统

智能交通系统概论第4章先进的车辆控制系统1.引言2.先进的车辆控制系统3.案例介绍4.挑战与展望第1节引言随着全球对环境可持续发展的关注度不断增加，减少车辆的能源消耗已成为当务之急。虽然传统的交通管理方式（比如ATMS、ATIS）能够一定程度上缓解城市交通拥堵带来的诸多问题，但面临的挑战依然很多，因此需要引入创新的技术和方法研发新型智能交通系统来应对更多的交通安全和环保等问题。通过研发先进的车辆控制系统，能够进一步提高交通运输效率，缓解交通阻塞，提高路网通过能力，减少交通事故，降低能源消耗，减轻环境污染。第2节先进的车辆控制系统一、基本概念先进的车辆控制系统是借助车载设备及路侧、路表的检测设备来检测周围行驶环境的变化，协助驾驶员进行安全辅助驾驶或自动控制驾驶以达到行车安全和增加道路通行能力目的的系统。

先进的车辆控制系统根据智能化程度可以分为三个层次：安全辅助驾驶系统、自动驾驶系统、自动公路系统。第2节先进的车辆控制系统二、系统特点

AVCS不同于过去对汽车行驶安全的被动研究，而是采取主动措施，依靠电子装备实现汽车智能化，以其自身的智能来感知行驶环境信息，并加以判断，必要时系统自动控制车辆行驶，从而排除驾驶员主观分析、判断的失误，达到避免事故发生的目的。AVCS发展的最终目标是实现车辆的完全自动驾驶，主要包括两方面的内容，即行驶速度和行驶方向的自动控制。第2节先进的车辆控制系统二、系统特点AVCS有以下优点：1.增加公路的通行能力，减少道路阻塞，缩短行车时间；2.降低事故率，提高行车安全；3.降低行车成本，提高行车效率；4.降低废气排放量，减轻环境污染。第2节先进的车辆控制系统三、基本功能1.安全预警系统AVCS中的车辆安装的车载设备，具有事故规避功能，包括安装在车身各部分的探测雷达、红外雷达、盲点探测器等设施，由计算机控制，在超车、倒车、更换车道、大雾、雨天等易发生事故的情况下，随时以声、光等形式向驾驶员提供车体周围必要的信息，以自动或半自动的方式采取措施，从而有效防止事故的发生。

第2节先进的车辆控制系统三、基本功能2.防撞系统纵向防撞系统主要是通过安装在车辆前后的磁性传感器和路面上安装的磁标相互作用或雷达探测器等的探测作用实现的，利用传感器探测前后潜在的碰撞隐患，为驾驶员提供及时的回避操作指令，并自动控制车辆的加减速控制系统以保持适当安全车距，防止车辆与车辆、车辆与其他障碍物之间的正面和追尾碰撞。第2节先进的车辆控制系统三、基本功能3.视觉强化系统系统要求有车载式检测设备、屏幕显示设备及计算机处理设备，对检测信息进行处理，并以适当的、有助于驾驶员理解的方式显示信息于屏幕上，这有助于增强行驶环境的可视性，对潜在信息、微弱信息加强视觉可知性，可大大提高汽车驾驶员对路况的观察及判断力，使驾驶员更好地遵守交通规则，从而提高汽车行驶的安全性。第2节先进的车辆控制系统三、基本功能4.救难信号系统救难信号呼救系统(MaydaySystems)是为了缩短事故响应时间，提高事故处理效率，尽量减少事故损失而研制开发的AVCS系统中的一个子系统。这个系统由GPS定位技术和GSM通讯技术及显示事故的电子地图等设备组成。当事故发生时，碰撞传感器会自动发出一个包括由GPS确定的车祸位置的无线电信号，由GSM技术完成车辆与反应中心的信息传输。反应中心的电子地图可以准确地显示出信号位置即事故发生的地点。第2节先进的车辆控制系统三、基本功能5.自动导航系统导航系统由全球定位系统（GPS）、路侧通讯技术（GSM）技术、网络技术、电子地图、咨询引导系统组成，通过它寻找最佳行车路线，避开交通拥挤和发生事故的路段。驾驶员可以将目的地输入车载电脑，电脑便根据道路情况、红绿灯数、速度限制等条件选出最佳路径，并显示在电子地图上。它不仅使车辆避开拥挤阻塞的路线，还可以帮助疏散车辆，减轻驾驶人员心理负担，提供安全、舒适的行车环境。第2节先进的车辆控制系统三、基本功能6.环保系统在智能汽车中，还有智能环保系统，由电脑检测控制燃油、排放等情况，以取得最佳排放效果。除此之外，目前各国还在大力发展研制太阳能、天然气、氢气等各种无污染的新能源汽车。另外，还研究开发低噪声汽车以减少噪声污染。智能汽车环保系统的研制与开发，是AVCS研究开发的重要领域，可以减少排放及噪声污染，提高汽车的运行效率。第2节先进的车辆控制系统四、系统架构与技术一个完整的AVCS是由智能车、智能车和辅助专用道路之间的通信系统以及智能车与智能车之间的通信系统所组成。其智能控制主要是通过利用智能车的智能来处理所提供的道路交通信息而实现。从本质上讲AVCS就是由专用车道及智能汽车有机结合而形成的一个完整的运行系统。第2节先进的车辆控制系统四、系统架构与技术1.决策和控制技术此项技术利用车载微型计算机作为决策和控制中心，对收集来的车况、路况、环境等各类信息加以综合利用分析处理，以便做出最佳控制实施方案，并自动控制车上各个系统。在横向控制方面，转向控制通过电动助力转向系统（EPAS）实现，该系统利用电动机辅助驱动转向系统，确保车辆能够准确响应转向指令。车辆姿态稳定控制则通过传感器监测车辆姿态和运动，应用控制算法来调节悬挂系统、制动系统和转向系统，从而保持车辆的稳定姿态，提供更好的操控性和安全性。第2节先进的车辆控制系统四、系统架构与技术1.决策和控制技术纵向控制方面，AVCS实现车辆的精确加速度控制和制动控制。加速度控制依赖于控制发动机的功率输出和调节制动系统，以满足车辆的加速度需求。制动控制通过电子制动系统实现，能够精确控制制动器的压力和力度，提供安全和可靠的制动性能。传感器监测车辆的速度和加速度，并根据所需的加速度控制算法调整发动机输出和制动压力，以实现所需的加速度和制动控制。第2节先进的车辆控制系统四、系统架构与技术1.决策和控制技术在控制理论和算法方面，AVCS应用了多种方法。PID控制器是一种常用的控制算法，基于车辆动态特性和传感器反馈信息，通过调节执行器输出实现车辆的精确控制。模型预测控制（MPC）利用车辆动力学模型预测未来状态，并在每个时间步骤上进行优化，确定最佳控制输入。模糊控制基于模糊逻辑处理模糊信息和不确定性，通过定义模糊规则和模糊集合实现车辆控制的柔性调节。最优控制方法通过优化目标函数确定最佳控制策略，考虑系统的约束条件和性能指标，以实现精确的控制。第2节先进的车辆控制系统四、系统架构与技术1.决策和控制技术此外，AVCS中的电机控制是实现车辆动力需求的重要部分，电动汽车和混合动力车辆常使用电机作为动力源，控制电机的转速、扭矩和功率输出满足车辆的动力需求。不同类型的电机，如直流电机、交流电机和无刷直流电机，通过调整电机的相电流和电压，或使用特定的控制算法和调节器来实现精确的电机控制。第2节先进的车辆控制系统四、系统架构与技术2.行驶状态监控技术此项技术的应用，可以监测汽车的行驶状态及工作状态，如轮胎压力、轴速、轴温等，还可检测出驾驶员的状况等，为决策提供必要的参数。3.信息显示技术和通信技术利用LED，LCD或CRT等显示设备，作为文字、图形显示和状态指示，提供完善的信息给驾驶员。通信技术主要是利用无线电频道的规划与分配，配给调频技术，准确无误地传输语音、数据和图像等信息。第2节先进的车辆控制系统四、系统架构与技术4.环境监测技术环境因素对汽车行驶产生的影响很大，近10％的交通事故与环境因素有关，因此，利用有关的境监测技术，可以随时检测出温度、风力、湿度等天气状况，废气排放等环境污染等情况。5.路况检测技术路况检测主要应用于AVCS专用车道上，包括同轴电缆、磁性标记等。第2节先进的车辆控制系统五、基础辅助驾驶系统1.车道保持辅助系统车道保持辅助系统(LaneKeepingAssist,LKA)属于智能驾驶辅助系统中的一种,它可以在车道偏离预警系统(LDWS)的基础上对刹车的控制协调装置进行控制。该功能可以通过前置摄像头来识别车道线，并自动调整车辆的转向，使车辆始终保持在正确的车道中行驶。第2节先进的车辆控制系统五、基础辅助驾驶系统如果车辆接近识别到的标记线并可能脱离行驶车道，那么会通过方向盘的振动，或者是声音来提请驾驶员注意，并轻微转动方向盘修正行驶方向，使车辆处于正确的车道上，若方向盘长时间检测到无人主动干预，则发出报警，用来提醒驾驶人员。如果车道保持辅助系统识别到本车道两侧的标记线，那么系统处于待命状态。这通过组合仪表盘中的绿色指示灯显示。当系统处于待命状态下，如果在越过标记线前打了转向灯，警告信号就会被屏蔽，认定驾驶员为有意识的换道。第2节先进的车辆控制系统五、基础辅助驾驶系统2.自适应巡航控制系统自适应巡航控制系统(AdaptiveCruiseControl,ACC)是一种智能化的自动控制系统，在车辆行驶过程中，安装在车辆前部的车距传感器（雷达）持续扫描车辆前方道路，同时轮速传感器采集车速信号。当与前车之间的距离过小时，ACC控制单元可以通过与制动防抱死系统、发动机控制系统协调动作，使车轮适当制动，并使发动机的输出功率下降，以使车辆与前方车辆始终保持安全距离。第2节先进的车辆控制系统五、基础辅助驾驶系统3.交通拥堵辅助系统交通拥堵辅助系统(TrafficJamAssist,TJA)主要针对车速较低时（一般是0-60km/h），为驾驶员同时提供横向和纵向的辅助控制功能。当路面上有清晰车道线，且自车前方一定距离内没有参考车辆时，TJA能控制车辆以一定的车速在车道线中间位置行驶。而如果车辆前方有参考车辆时，TJA能控制车辆按照前车的行驶轨迹行驶，并主动控制自车的加减速，控制车辆和前车保持一定的时距。第2节先进的车辆控制系统五、基础辅助驾驶系统4.自动变道辅助系统自动变道辅助系统(AutoLaneChange,ALC)是汽车基于车道居中保持辅助扩展辅助驾驶功能，在通畅的封闭高速公路上，当汽车的车速大于预先设置的时速并开启变道辅助系统后，只要驾驶员拨动转向灯拨杆，那么自动变道辅助系统就会对周围的行车环境进行判断，然后辅助驾驶员将车辆开往相邻车道内。第2节先进的车辆控制系统五、基础辅助驾驶系统5.驾驶员疲劳预警系统驾驶员疲劳预警系统(DriverFatigueMonitorSystem,DFM)主要是通过摄像头获取的图像，通过视觉跟踪、目标检测、动作识别等技术对驾驶员的驾驶行为及生理状态进行检测，当驾驶员发生疲劳、分心、打电话、抽烟等危险情况时在系统设定时间内报警以避免事故发生。DFM系统能有效规范驾驶员的驾驶行为，大大降低交通事故发生的几率。第2节先进的车辆控制系统五、基础辅助驾驶系统6.离手检测系统离手检测系统(HandsOffDetection,HOD)是驾驶员在行车过程时，通过有效检测方式来判断驾驶员是否手握住方向盘，起到保障行车安全的功能。实现HOD的方法有很多，例如红外检测、超声波检测，甚至是摄像头的图像识别等，目前的主流方案是采用检测电容的方式来实现，只需测量方向盘与车身或座驾电气接地之间的电容，经过算法处理后即可识别当前驾驶员的离手状态，当检测到双手离开方向盘超过一定时间后通过震动或声音提示报警来提醒驾驶员。第3节案例介绍一、自动领航辅助NOA作为通往高阶智能驾驶的雏形，领航辅助的功能总结为驾驶员开启该功能后，在有高精地图或者ADAS地图覆盖区域，系统可以让车辆在道路中实现车道保持，并根据导航预设线路、实际道路限速、车流状况等自动调节车辆速度，并完成自主变道，辅助人工驾驶到达目的地。根据使用场景可以将其分为：1.0环路和高速封闭道路的领航辅助，这是当前各家公司推出的主流的领航辅助，可以实现在半封闭道路、无红绿灯的高架或者高速路段的领航辅助驾驶，能够进出匝道，并在多条环路或者高速道路之间切换。第3节案例介绍一、自动领航辅助NOA2.0城市复杂道路的领航辅助，目前以小鹏，极狐，长城为先锋的企业率先将领航辅助推进到城市道路，蔚来以及理想等都在2023年左右计划推出。城市道路情况复杂很多，首先是交通环境复杂，给车辆感知系统带来难题，其次道路及交通参与者种类繁多，给结合其他道路交通参与者情况下的路径规划增加了难度，最后，在复杂路况下频繁的加减速给车辆的运动安全以及舒适控制带来挑战。第3节案例介绍一、自动领航辅助NOA3.0点对点领航辅助，当前在售车辆的高速领航辅助的瓶颈是强依赖高精地图，实际道路的变化会很容易影响系统的正常运行，从而引发事故。而点到点的领航辅助会是领航功能的终点，它是泊出车位，城市领航，高速领航，泊入车位的功能集合，即实现“行泊一体”。第3节案例介绍二、特斯拉汽车1.路径以及运动规划算法将算法植入终端，终端通过调用车身多种传感器感知周围环境，并利用感知算法进行解析，从而实现发杂环境下的路径规划和运动规划，确保行车安全流畅。2.环境感知算法OccupancyNetwork算法，即可活动空间探测，该算法使得通用障碍物检测具备良好的泛化能力；Lane&Objects车道以及物体检测算法，即通过算法提取交通中丰富的信息语义层来识别物体及其运动信息。第3节案例介绍二、特斯拉汽车3.训练算法设施以及软件建立超算中心来支持数据处理和存储，对大量复杂数据和算法进行训练，并搭建训练人工智能算法的框架、开发出相应软件以其实现自主推理。4.数据标注，采集和虚拟实现对大量数据的自动标注，以帮助训练环境感知算法识别特定场景或者物体，极大减小了人力消耗；此外，还要通过搭建虚拟场景和测试软件模拟来获取真实场景环境数据，实现引擎的数据流闭环，从而自动更正标签，提高训练准确率和效率。第3节案例介绍三、华为智能汽车2023年4月，华为发布的智能汽车解决方案ADS2.0有四大特性，分别是：功能安全领先一代、高速更放心、城市更舒心、有图无图都能开、可见即可泊的智能泊车系统。华为定义的功能安全代际包含了主被动安全。第一代指的是安全气囊与安全带；第二代指的是毫米波、视觉与激光雷达探测在内的主动安全功能。ADS2.0在安全性上已经进入了第三代，即在第二代基础上增加了GOD(GeneralObstacleDetection)网络，这是一种视觉与激光前融合的占据格栅网络，当系统遇到异形障碍时，系统具备出色的应对能力。第3节案例介绍三、华为智能汽车考虑到高精地图有价格昂贵，更新慢，受制于安全监管等缺点，无法满足智能驾驶的迭代需求。ADS2.0将减少对高精地图的依赖，更加注重单车的感知能力，加入了道路拓扑推理网络，即通过输入电子导航信息与动态交通流、静态占用信息，自主推理道路结构，提高了汽车在无高精地图条件下的行驶能力。第3节案例介绍四、小鹏汽车小鹏汽车XNGP(NavigationGuidedPilot)在第一代XPilot系统的基础上，增加了城市路况下的全程智能辅助驾驶功能，以及高速NGP和VPA记忆泊车的增强版功能。值得关注的是VPA(ValetParkingAssist)停车场记忆泊车技术。车辆在进入停车场的开始，驾驶员就可以完全解放双手，由汽车自主去找到停车位，然后泊车入库。此功能在离停车位1公里左右的范围内就可以开启，车主可以自主选择从何处开始记忆泊车路线，在人工操作一次停车后，系统会自动保存并学习优化本次停车路线和动作，下一次自主重复此行为，但车主仍需全程在车上，并随时接管。目前，停车场记忆泊车主要应用于住宅停车场、商场停车场和办公停车场。第4节挑战与展望一、难题挑战对于AVCS，尽管其在安全性、能源消耗、车辆性能和用户体验等方面带来了许多潜在优势，但仍然存在一些挑战。

目前，自动驾驶技术的商业化和相关法律法规的制定是主要难题，同时自动驾驶技术的可靠性和安全性也需要进一步提高，不但需要加强对车辆控制系统的安全性和隐私保护等方面的研究，还要建立相关的法规和标准来规范自动驾驶车辆的行为和责任。另外，AVCS的成本问题也是一个挑战，如何降低成本并实现量产，使其更加普及，需要在其工程细节上进一步探索。第4节挑战与展望二、未来展望随着技术的不断进步和创新，先进车辆控制系统将继续在未来发挥重要作用并取得更大的突破，未来的研究方向包括更高级别的自动驾驶技术、网络化的车辆通信和协同驾驶系统等。以下是对先进车辆控制系统未来的一些展望。1.升级自动驾驶技术自动驾驶技术是先进车辆控制系统的重要组成部分，未来将实现更高级别的自动驾驶功能。通过引入更先进的传感器、人工智能和决策算法，车辆可以实现更加精确、安全和高效的自动化驾驶，减少人为驾驶错误和事故的发生。第4节挑战与展望二、未来展望2.无缝与智能交通系统集成先进车辆控制系统将与智能交通系统实现更紧密的互联互通。车辆将通过车联网技术实时获取道路和交通信息，与其他车辆、交通信号和道路设施进行智能协同。这将大大提高交通流量的效率，减少拥堵和排放，并优化行驶路线和时间。第4节挑战与展望二、