自动驾驶系统设计及应用

由北京航空航天大学和百度自动驾驶事业群组联合编写，系统介绍自动驾驶技术基础理论，并依托百度Apollo自动驾驶平台动手实践，体现了我国自动驾驶技术领域的*科研成果和前沿技术应用。

 

本册书主要介绍自动驾驶汽车的系统设计与应用，让读者从基础开始，由浅入深地了解自动驾驶安全设计、车辆总线及通信技术、自动驾驶测试与评价，并详细介绍三个无人驾驶应用案例，让读者深入了解无人驾驶知识体系。

余贵珍，清华大学汽车系博士后，北京航空航天大学交通科学与工程学院教授。主持项目有：
1、车辆侧向安全预警关键技术研究 国家自然基金 2010/01-2012/12
2、道路大型营运客车安全性能检测与预警集成 863课题 2009/1-2011/12
3、基于Paramics的智能道路系统仿真环境开发 863课题 2007/06-2008/12
4、液压ABS测试试验台软件开发 横向课题 2008/01-2008/12
5、广州APTS软件设计 横向课题 2007/06-2008/04
参与课题：
1、车辆制动防抱死系统（ABS）产业化开发 国防科工委 2006/01-2008/12
2、大滑移率条件下单轨车辆制动失稳机理研究 国家自然基金 2006/01-2007/12
3、节能与新能源汽车中央监控系统研究与软件开发 863课题 2007/06-2009/06
主编教材：
《汽车动力学及其控制》
论文：公发表论文34篇，EI/ISTP检索 21篇

目录

 

 

第1章自动驾驶系统概述

1.1自动驾驶系统架构

1.1.1自动驾驶系统的三个层级

1.1.2自动驾驶系统的基本技术架构

1.2自动驾驶技术国内外发展

1.3传感器技术

1.3.1摄像头

1.3.2毫米波雷达

1.3.3激光雷达

1.4导航与定位技术

1.4.1卫星定位和捷联惯导组合定位技术

1.4.2激光雷达点云和高精地图匹配定位技术

1.4.3视觉里程算法的定位技术

1.5高精地图技术

1.5.1高精地图的定义

1.5.2高精地图的特点

1.5.3高精地图的制作

1.6决策与控制技术概述

1.6.1设计目标

1.6.2系统分类

1.7自动驾驶平台技术概述

1.7.1英伟达(NVIDIA)

1.7.2英特尔(Intel)

1.7.3谷歌(Waymo)

1.7.4特斯拉(Tesla)

参考文献

第2章自动驾驶安全设计

2.1系统功能与信息安全概述

2.1.1汽车安全概述

2.1.2汽车安全设计

2.2智能驾驶的功能安全设计

2.2.1功能安全与ISO 26262标准

2.2.2功能安全设计

2.3ASIL分解与冗余功能安全

2.4其他相关安全标准与技术

2.4.1预期功能安全与 SOTIF标准

2.4.2智能安全与责任敏感安全模型

2.4.3信息安全与J3061标准

2.4.4其他标准

2.5智能驾驶安全设计案例

2.5.1丰田(Toyota)

2.5.2通用汽车(General Motors)

2.5.3Waymo(谷歌)

2.5.4百度

参考文献

 

 

 

第3章车辆总线及通信技术

3.1车辆电子电气架构技术

3.1.1汽车电子电气技术

3.1.2汽车电子电气架构

3.1.3车载以太网

3.1.4未来架构的一些特点

3.2自动驾驶域接口

3.2.1自动驾驶系统的硬件架构

3.2.2自动驾驶域车内接口

3.2.3接口存在的问题

3.3整车总线及线控技术

3.3.1汽车总线技术

3.3.2汽车线控技术

3.4V2X技术

3.4.1V2X概述

3.4.2通信机制

3.4.3我国V2X发展基础与现状

参考文献

第4章自动驾驶测试与评价

4.1国内网联车上路的测试政策

4.1.1测试主体要求

4.1.2测试驾驶员要求

4.1.3测试车辆要求

4.1.4交通事故处理程序

4.2自动驾驶智能化指标评测体系

4.2.1测试场景

4.2.2仿真环境评价指标

4.2.3道路测试指标

4.2.4体感评价指标

4.2.5国内外道路测试场

4.3自动驾驶测试体系

4.3.1实验室测试阶段

4.3.2车辆在环测试

4.3.3道路在环测试

参考文献

第5章自动驾驶应用——自动驾驶小车

5.1自动驾驶小车概述

5.1.1小车结构介绍

5.2自动驾驶小车软硬件

5.2.1自动驾驶小车系统架构

5.2.2自动驾驶小车硬件结构

5.2.3自动驾驶小车核心控制模块

5.2.4时钟电路模块

5.2.5电源管理模块

5.2.6速度采集模块

5.2.7电机驱动模块

5.2.8自动驾驶小车通信模块

5.3自动驾驶小车感知配置

5.3.1超声波

5.3.2视觉传感器

5.3.3电磁感应

5.4自动驾驶小车控制算法

5.4.1PID控制算法简介

5.4.2自动驾驶小车速度控制

5.4.3自动驾驶小车方向控制

5.5自动驾驶小车实验与测试

5.5.1软件系统设计

5.5.2电磁智能小车测试

5.5.3摄像头智能小车测试

参考文献

第6章复杂园区的低速无人驾驶技术及应用

6.1复杂园区低速无人驾驶车的特点

6.1.1运行环境不同带来的差异

6.1.2成本要求不同带来的差异

6.1.3感知及决策逻辑特点不同带来的差异

6.2复杂园区低速无人驾驶车辆示例

6.2.1“小旋风”低速系列无人车平台介绍

6.2.2“小旋风”第四代低速无人巡逻车介绍

6.2.3“小旋风”第四代低速无人巡逻车软件体系分析

6.3基于激光雷达SLAM的复杂园区定位方式

6.3.1激光雷达SLAM的基本原理

6.3.2基于激光雷达的SLAM技术在北京联合大学校区无人车的
应用

6.4复杂园区无人驾驶车辆应用实例分析

6.4.1北京动物园夜间巡逻案例

6.4.2北京联合大学“旋风巴士”接驳车

参考文献

 

前言

 

自动驾驶技术为当前汽车领域研究的热点，是未来汽车工业发展的主流方向。其对交通运输业有着深远的影响。随着人工智能、传感检测等核心技术的不断突破和推进，自动驾驶必将更加智能化，同时也将应用到多个行业和产业中。自动驾驶是智能辅助驾驶发展的最高级形态，主要由感知、控制、执行三大部分组成。截至目前，世界各国整车厂、IT公司和各大研究机构均推出了不同程度的辅助驾驶汽车技术，现有的自动驾驶技术研究主要基于乘用车和商用车等道路运输车辆。
车辆自动驾驶技术的最高形态——无人驾驶，已经不再遥远。世界主要强国纷纷聚焦自动驾驶关键技术，政府制定相关政策、法规，整车厂、互联网公司、高校研究所进行科技攻关。我国国家发展和改革委员会、工业和信息化部和科技部三部委在2017年4月联合发布了《汽车产业中长期发展规划》，其中提到： 到2020年，汽车DA(驾驶辅助)、PA(部分自动驾驶)、CA(有条件自动驾驶)系统新车装配率超过50%，网联式驾驶辅助系统装配率达到10%，满足智慧交通城市建设需求。到2025年，汽车DA、PA、CA新车装配率达80%，其中PA、CA级新车装配率达25%，高度自动驾驶和完全自动驾驶汽车开始进入市场。当前依托火热的人工智能技术，自动驾驶已取得了巨大突破，让自动驾驶距离我们的生活更近了一步。
随着自动驾驶的热潮，当前国内传统的整车厂、零部件供应商及各地研究院都主推自动驾驶相关业务，同时还涌现了一大批新兴的自动驾驶初创公司。但当前国内相关专业的人才稀缺，因此要保证国家自动驾驶技术发展需要重视对自动驾驶相关专业人才的培养。
本书为自动驾驶技术丛书中的第6册，属于技术汇总和应用介绍。主要从自动驾驶系统架构、自动驾驶安全设计、车辆总线及通信技术、自动驾驶测试与评价以及自动驾驶技术的实现和应用等几部分对自动驾驶技术进行介绍。本书面向想要从事或正在从事自动驾驶事业的技术人员，高校自动驾驶专业的本科生和研究生以及热爱自动驾驶技术的读者。
为适应自动驾驶事业迅猛发展的要求，北京航空航天大学开设了自动驾驶研究生专业。我们总结了近10年来教学和科研的经验，利用北京航空航天大学与国内外高校和汽车厂商的长期合作优势，连同百度共同编写了本书。
本书在编写过程中得到了来自百度公司和北京航空航天大学等高校的多位专家、老师、同学的参与和支持，包括北京航空航天大学的高哈尔、郭雅馨、李涵、刘蓬菲、聂志鹏、王章宇（按姓氏拼音排列），河北科技大学的白宇，北京联合大学的刘元盛，百度公司的鲍泽文、陈博文、傅轶群、胡星、刘盛翔、王亚丽、邢亮、云朋（按姓氏拼音排列）等。

 

由于编写时间短、编者水平有限加之经验不足，本书难免有疏漏和不足之处，恳请各位同行和读者批评指正。

编者于北京航空航天大学
2019年8月

第5章自动驾驶应用——自动驾驶小车

5.1自动驾驶小车概述
从20世纪70年代开始，发达国家就开始了智能车的相关研究。其中，美国在无人驾驶领域上的研究应该属于世界上最早的一批国家，其于20世纪80年代研发了一种能够在校园内自动驾驶的智能车［1］。由于智能车涉及众多学科领域，所以在短期内实现完全无人控制的智能车具有很大难度。经过大量研究后，从20世纪80年代开始，汽车驾驶辅助技术逐渐应用到整车系统中。
出于安全、高效、可操纵性方面的考虑，大多数无人驾驶车辆的初期研究都基于自动驾驶小车。自动驾驶小车是一个快速运转，可以自主运动、重复运动的自动化设备，对于汽车行业的工艺技术和智能化发展起着一定的导向作用。自动驾驶小车可视作自动驾驶智能车辆的微缩模型，近年来也得到了学术界的广泛关注和研究。自动驾驶小车相关技术的研究包含内容十分广泛，例如，通过获取传感器的环境感知信息，实时进行规划以及决策，执行各项决策指令，实现按照预定路径行驶，主动规避行驶区域内的障碍物等。现代传感器技术、芯片计算能力、控制技术的迅速发展改善了自动驾驶小车的实时响应。计算机、网络通信、机器视觉、雷达、定位等技术的发展使得小车更加智能化［2］。
自动驾驶车辆的研究最早开始于20世纪50年代。总体而言，智能小车的发展经历了三个阶段。
第一阶段： 1954年，美国研究出第一台自主引导车，该车是一个在固定线路上运行的拖车。最初研究智能车辆的目的是提高仓库内货物搬运效率，实现自动化。
第二阶段： 20世纪80年代，随着智能车辆应用领域的扩大，许多国家开始了智能车辆的研制工作。美国于1995年成立了NAHSC(国家高速公路系统联盟)，规划发展智能车辆技术。国内对智能车辆的研究工作也始于该时期。国防科技大学研制出国内首台智能车，该车不仅包括视觉传感器系统、定位定向系统，还配备有路径规划、自动驾驶、运动控制等系统。中科院自动化研究所将地下埋线式导航技术在AGVS(自动引导车辆)上进行研究，实现了车辆运行的自动化。
第三阶段： 进入21世纪，国内外各种研究性和教学性的智能小车遍地开花，有基于单片机的巡线小车，基于微型计算机和摄像头的视觉识别小车，也有基于人工智能开发板和更多传感器的智能小车。
自动驾驶小车涵盖的研究领域涉及计算机科学、人工智能、信号处理、模式识别、控制科学、机械工程等，高效算法的产生为智能车辆的发展奠定了坚实的基础，另外学科交叉互融也在很大程度上促进了自动驾驶小车的发展［3］。
5.1.1小车结构介绍
自动驾驶小车的设计目标是将车载传感器、控制结构、决策机构以及通信模块等功能结合起来。自动驾驶小车的性能表现很大程度上由小车系统平台的内部结构决定，因此，小车结构的设计至关重要。
由于小车平台研究的最终目的是仿照驾驶员驾驶车辆行驶的过程，所以小车的平台应模拟驾驶员的驾驶车辆，具体包括三个部分： 感知系统、规划决策系统和执行系统。如图5.1~5.3所示，在当前的学术研究中智能车辆的体系结构主要有三种： 分级结构、反馈结构和决策执行结构。

■
图5.1分级结构

 

 

■
图5.2反馈结构

 

 

■
图5.3决策执行结构

 

早期的智能小车大多数采取分级结构。作为最原始的结构，小车系统按照流程执行环境感知、决策规划以及动作执行，往复循环。这种体系结构的缺点在于冗余结构过多，当周围环境感知信息过多，计算量较大时，易出现工作停滞延迟等现象，因此这种体系结构在之后的研究中渐渐地被摒弃或改善。
20世纪90年代，反馈结构在智能小车中得到了较广泛的应用。通过关联感知模块与执行模块，可以减少算法的复杂度，大大提高了智能小车的反应时间。然而，在这种结构中缺少规划环节，会导致智能小车无法达到最优决策。
随着人工智能的快速发展，20世纪90年代后，决策执行机构快速发展并得到广泛应用。该结构相对复杂，采用异步处理技术，可以使小车反复自主执行。随着通信网络的发展，智能小车的研究又与车联网通信相结合，通过智能道路系统和云计算等大大提升了智能小车的系统性能。
为了提高大学生的动手能力、创新能力和团队协作能力，教育部从2005年牵头举办全国大学生飞思卡尔智能汽车竞赛。该竞赛一年一届，以促进智能汽车的研究为目的，涵盖了机械、电气、计算机以及控制等学科知识，在提高学生创新实践能力的同时，也推动了国内智能汽车的研究。图5.4所示为飞思卡尔杯智能汽车竞赛。

■
图5.4全国飞思卡尔杯智能汽车竞赛

 

5.2自动驾驶小车软硬件
5.2.1自动驾驶小车系统架构

汽车底盘由4大系统组成： 转向系统、动力传动系统、制动系统和行驶系统，如图5.5所示。自动驾驶小车是仿真赛车的模型车，与真实汽车一样，底盘具

备4大系统，只是在具体结构上略有差异。本节将参照汽车的结构讲解智能车的各机械系统。
以图5.6为例，该智能车车模车架长为25cm，宽为17.5cm。底盘采用具有较强的弹性和刚性纤维材料制作，厚度为2.5mm，全车采用滚珠轴承。前后轮轮轴高度可以调节。