现代汽车新技术 课件 第四章 智能汽车

智能汽车（无人驾驶车辆）智能汽车是指一辆汽车具有规划自己的行车路线，感知周围环境，针对实时交通情况做出合理决策，并辅助、甚至代替驾驶员进行车辆驾驶的能力，从而减小驾驶员的劳动强度，使车辆行驶过程变得更加安全、舒适、高效。智能汽车定义智能汽车的研究意义21世纪的汽车概念将发生根本性的变化。现在的“汽车”是带有一些电子控制的机械装置，将来的“汽车”将转变为带有一些辅助机械的机电一体化装置，汽车的主要部分不再仅仅是个机械装置，它正向消费类电子产品转移。同时，智能汽车在传统汽车上配备了远程信息处理器、传感器和接收器，通过无线网络获取前方交通状况信息，引导汽车加速或减速。这样，汽车就能更为平稳地行驶，避免不断刹车、启动的动作，以降低油耗。随着汽车电子控制技术的发展，中国的汽车工业将面临着巨大的发展机遇和挑战，开展智能汽车技术的研究与开发工作具有重要意义。英国和美国的科学家研究分析表明，每个交通事故均不同程度地涉及到驾驶员、汽车和道路环境因素。英国的研究得出道路交通事故肇事发生的唯一原因是由驾驶员因素引起的占65%(美国为57%)，而与驾驶员因素有关(驾驶员－汽车因素、驾驶员－道路环境因素、驾驶员－汽车－道路环境因素和驾驶员因素)的百分率占到近95%(美国占94%)。我国道路交通事故的统计也表明，主要由于驾驶员造成的事故占90%左右。总之，驾驶员失误作为肇事发生交通事故的主要原因已被世界各国所公认。如果要从根本上解决这一问题，就需要将“人”从交通控制系统中请出来，从而提高安全性。由于无人驾驶电动车不需要司机，系统效率也随着提高。这种新型车辆控制方法的核心，就是实现车辆的无人自动驾驶。而车辆安全是无人驾驶车成败的关键。美国的科学家很早就开始这方面的探索，例如美国加州大学的PATH项目组，从20世纪90年代初就开始了自动公路和智能汽车的研究，叫做智能车路系统。1992年美国国会通过了地面运输效率法案（ISTEA），要求在1998年前实现一条试验自动公路。经过5年的努力，1997年8月在南加州7.6英里长的试验路段上对自动公路进行了成功的试验。笔者曾在美国和日本试乘了这种汽车，当安装有自动驾驶系统的汽车驶入埋有导向磁性标线的道路时，汽车进入自动驾驶状态，驾驶员完全放开手脚，可以和我们聊天，可以看报纸，遇到弯道，汽车会自己转弯，遇到情况会自己采取刹车等措施。在日本，众多的汽车厂商也在进行类似的开发工作，日本政府也制定了完整的开发和实施计划，提出了智能道路的概念。2000年11月在日本的筑波，来自日本各大汽车厂家和美国的试验车辆完成了实证试验，这些试验车辆不但可以在路段上自动驾驶，而且在路口可以探测其它方向的车辆和过街的行人，并采取相应的措施。2001年以后，日本开始在各地进行实证试验，2003年计划在第二东名、名神公路先行引进使用，2015年左右在全国主要干线道路实现智能道路。智能车辆(IntelligentVehicle,IV)技术的研究，可以追溯到20世纪50年代初美国BarretteElectronics公司研制的世界上第一台自动引导车辆(AutomatedGuidedVehicle,AGV)，它实际上是低速智能车辆研究领域的一台移动机器人。而在高速智能车辆研究领域，早在1939－1940年纽约世界博览会上，美国通用汽车公司（GM）展示的Futurama概念车就提出汽车自动驾驶的概念。从20世纪50年代后期到60年代中期，美国、德国、英国、日本等国家都开展了高速车辆自动驾驶的研究，其自动驾驶系统普遍采用在行车线埋设引导电缆来实现车辆转向控制。日本于1977年首先开发出了机器视觉导航自动驾驶汽车的样车，20世纪80年代前期，美国开发出了军用自动驾驶越野车。从20世纪80年代后期开始，为解决日益突出的交通事故、交通堵塞、交通环境污染、能源消耗等问题，各发达国家开始投入了大量的人力、物力研究实施智能交通系统(ITS)。智能车辆研究项目多包含在美国的IVHS、欧洲的Prometheus、日本的ITS等总体项目中，智能车辆相关技术也相继取得了突破性的发展，如德国的VaMoRs-P车辆系统、美国的NavLab系统、意大利的ARGO系统等。从1987年到1994年，在欧洲开展了“普罗米修斯”（Prometheus－ProgrammeforaEuropeantrafficofhighestefficiencyandunprecedentedsafety）EUREKA研究项目。该项目中颇具代表性的是戴姆勒－奔驰公司研制的VITAⅡ试验车，于1994年10月在巴黎附近的一号高速公路上进行了车辆导航试验，在长达几千公里的普通三车道路段中采用了驾驶员辅助驾驶和车辆自主驾驶相结合的导航方法[3]。德国联邦国防大学（UBM）从20世纪80年代初期就开始进行智能车辆自主导航的研究，其合作伙伴是德国戴姆勒－奔驰汽车公司。其中最具代表性的是由一辆豪华型奔驰500SEL改装而成的VaMoRs-P试验车。VaMoRs-P试验车在高速公路和普通标准公路上进行了大量试验，试验内容包括跟踪车道线，躲避障碍以及自动超车等[4]。美国卡内基梅隆大学（CMU）机器人研究所在智能车辆研究领域也开展了深入的研究，研制开发了NavLab系列试验车。其中最具代表性的是根据运动跑车（PontiacTransSport）改装而成的NavLab－5试验车，由美国著名的DelcoElectronics公司捐资赞助。该试验车进行了横穿美国大陆的长途自主驾驶试验，其中车辆纵向控制由驾驶员完成，而车辆的横向导航控制则完全实现了自动控制[2][3]。意大利Parma大学信息工程系在智能车辆领域进行了大量研究，研制的ARGO试验车，其显著特点是采用了商用低成本计算机系统和传感器系统。在1998年意大利汽车百年行活动中，ARGO试验车由GOLD系统驾驶进行了2000km的道路试验，在试验中其自动驾驶里程达到总行程的94％[5][6]。另外，德国研究与技术部门与德国大众汽车公司（VolksWagen）合作研制了Caravelle试验车，车体采用大众公司的Caravell旅行车改装而成，目前正在开展隔离试验道路上计算机视觉与其它传感器信息融合的完全自主驾驶试验研究。法国帕斯卡大学自动化与电子材料实验室与法国D.R.A.S雪铁龙（Citroen）技术中心合作，联合研制出一个功能简单却颇具特色的辅助导航Peugeot试验车。该研究由P.S.A标志（Peugeot）雪铁龙汽车公司提供资助。该试验车的一个突出特点是硬件配置轻型化，整个系统的运算处理部分都已集成在一块数字信号处理卡上，因此对试验车几乎无需作任何改装。Peugeot试验车已经在高速公路上进行了几百公里不同路况的行车试验，其系统具有良好的适应性。在亚洲，日本丰田公司（TOYOTA）也研制出由丰田轿车改造而成的智能试验车，并进行了相关的导航试验。另外，日本专利局（JPO－MITI）与日产汽车公司（Nissan）、富士通公司（Fujitsu）合作开展PVS（PersonalVehicleSystem）研究项目,其自动驾驶汽车系统在夜间和雨天环境下也能实现自动驾驶[9]。随着我国改革开放的不断发展和科技水平的日益提高，从八五期间也开始了智能车辆方面的研究。但由于起步较晚，以及经济条件的制约，我国在智能车辆研究领域与发达国家仍有一定的差距，目前开展这方面研究工作的单位主要有国防科技大学、清华大学、吉林大学、北京理工大学、中科院沈阳自动化研究所等。国防科技大学机电工程与自动化学院自20世纪80年代起开始进行无人驾驶智能车辆技术研究，先后研制出四代无人驾驶汽车。第四代自主无人驾驶汽车于2000年6月在长沙市环城高速公路上进行了试验。从1993年开始，由南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等多所院校联合研制开发“地面军用智能机器人”项目，选用国产跃进客货车改制而成的智能车上集成了二维彩色摄像机、三维激光雷达、陀螺惯导定位、超声等传感器。其体系结构以水平式结构为主，采用传统的“感知-建模-规划-执行”算法，其直线跟踪速度达到20km/h，避障速度达到5～10km/h。在国防科工委和国家863计划的资助下，清华大学计算机系智能技术与系统国家重点试验室自1988年开始研制THMR（TsinghuaMobileRobot）系列移动机器人系统。其中THMR-Ⅴ系统是清华大学计算机系目前正在研制的新一代智能移动机器人，兼有面向高速公路和一般道路的功能。车体采用道奇7座厢式车改装，装备有彩色摄像机、GPS、磁罗盘光码盘定位系统、激光测距仪LMS220等。它的体系结构以垂直式为主，采用多层次“感知-动作”行为控制及基于模糊控制的局部路径规划及导航控制。该智能车设计车速为80km/h，一般道路为20km/h。吉林大学智能车辆课题组自1992年以来，对车辆的自主导航机理及关键技术的开发与应用进行了较为系统的研究，研究领域涉及物流自动化、柔性生产组织、智能车辆自主导航、车辆安全辅助驾驶等领域。在国家自然科学基金、教育部博士基金等项目资助下，课题组已先后研制开发出JUTIV-Ⅰ、JUTIV-Ⅱ、JLUIV-Ⅲ和JLUIV-Ⅳ四代视觉导航智能车辆。目前，该课题组正与一汽大众合作开展新一轮视觉导航物流运输装备AGV的研制工作。现代智能车辆的研究与发展史一.智能车辆的产生与发展(4)二.智能车辆的研究方向(11)三.智能车辆的研究范围(4)

1.它的研究始于20世纪50年代初美国BarrettElectronics公司开发出的世界上第一台自动引导车辆系统（AutomatedGuidedVehicleSystem，AGVS）。

一.智能车辆的产生与发展(1)一.智能车辆的产生与发展(2)2．1974年，瑞典的VolvoKalmar轿车装配工厂与Schiinder－Digitron公司合作，研制出一种可装载轿车车体的AGVS，并由多台该种AGVS组成了汽车装配线，从而取消了传统应用的拖车及叉车等运输工具。

一.智能车辆的产生与发展(3)

3.由于Kalmar工厂采用AGVS获得了明显的经济效益，许多西欧国家纷纷效仿Volvo公司，并逐步使AGVS在装配作业中成为一种流行的运输手段。一.智能车辆的产生与发展(4)4.20世纪80年代，伴随着与机器人技术密切相关的计算机。电子、通信技术的飞速发展，国外掀起了智能机器人研究热潮，其中各种具有广阔应用前景和军事价值的移动式机器人受到西方各国的普遍关注。二.智能车辆的研究方向(11)1.驾驶员行为分析（DriverBehaviorAnalysis）2.环境感知（EnvironmentalPerception）3.极端情况下的自主驾驶（AutonomousDrivingonExtremecourses）4.规范环境下的自主导航（AutonomousNavigationonNormalenvironment）5.车辆运动控制系统（VehicleMotionControlSystems）6.主动安全系统（Active，SafetySystems）7.交通监控、车辆导航及协作（TrafficMonitoring，

VehicleNavigationandcoordination)8.车辆交互通信（Inter-VehicleCommunication)9.军事应用（MilitaryApplications）10.系统结构（SystemArchitectures）11.先进的安全车辆（AdvancedSafetyVehicles）

1.驾驶员行为分析（DriverBehaviorAnalysis）任务：研究驾驶员的行为方式、精神状态与车辆行驶之间的内在联系；目的：建立各种辅助驾驶模型，为智能车辆安全辅助驾驶或自动驾驶提供必要的数据，如对驾驶员面部表情的归类分析能够判定驾驶员是否处于疲劳状态，是否困倦瞌睡等；二.智能车辆的研究方向(1)二.智能车辆的研究方向(2)2.环境感知（EnvironmentalPerception）主要是运用传感器融合等技术，来获得车辆行驶环境的有用信息，如车流信息、车道状况信息、周边车辆的速度信息、行车标志信息等；

二.智能车辆的研究方向(3)3.极端情况下的自主驾驶（AutonomousDrivingonExtremecourses）主要研究在某些极端情况下，如驾驶员的反应极限、车辆失控等情况下的车辆自主驾驶；二.智能车辆的研究方向(4)

4.规范环境下的自主导航（AutonomousNavigationonNormalenvironment）主要研究在某些规范条件下，如有人为设置的路标或道路环境条件较好，智能车辆根据环境感知所获得的环境数据，结合车辆的控制模型，在无人干预下，自主地完成车辆的驾驶行为。

二.智能车辆的研究方向(5)5.车辆运动控制系统（VehicleMotionControlSystems）研究车辆控制的运动学、动力学建模、车体控制等问题；

二.智能车辆的研究方向(6)6.主动安全系统（Active，SafetySystems）主要是以防为主，如研究各种情况下的避障、防撞安全保障系统等；二.智能车辆的研究方向(7)7.交通监控、车辆导航及协作（TrafficMonitoring，VehicleNavigationandcoordination）主要研究交通流诱导等问题；

二.智能车辆的研究方向(8)

8.车辆交互通信（Inter－VehicleCommunication）研究车辆之间有效的信息交流，主要是各种车辆间的无线通信问题；

二.智能车辆的研究方向(9)9.军事应用（MilitaryApplications）研究智能车辆系统在军事上的应用；

二.智能车辆的研究方向(10)

10.系统结构（SystemArchitectures）研究智能车辆系统的结构组织问题；

二.智能车辆的研究方向(11)11.先进的安全车辆（AdvancedSafetyVehicles）研究更安全、具有更高智能化特征的车辆系统。关键技术研究智能汽车设计的研究内容智能汽车的体系结构智能汽车的信息采集、处理及传输智能汽车的自动控制系统智能汽车的通信系统智能汽车的导驶定位技术智能汽车的电源系统智能汽车的体系结构智能汽车的体系结构的设计必须包含实现用户功能的全部子系统的设计。智能汽车的体系结构应该阐述这种车辆的结构体系，列出用户服务功能，定义实现用户服务功能的各个子系统。研究各个子系统之间的通信方式和组织方式。智能汽车的信息采集、处理及传输信息就是智能汽车的灵魂，智能