自动驾驶

自动驾驶技术是人工智能技术在汽车行业、交通领域的延伸与应用，是汽车产业升级的必然选择。随着国家宏观政策的不断明确和落地，以及相关信息技术的飞速发展和支撑，自动驾驶技术已经成为业界焦点。各大互联网科技巨头、大型传统车企、技术型创业公司各自依托其资金、科技、渠道资源等优势，纷纷抓住产业升级机会，切入自动驾驶领域，自动驾驶技术已经开始进入高速发展时期。为进一步促进自动驾驶行业发展，满足广大自动驾驶技术爱好者研究和学习的需要，作者撰写此书。本书重点介绍了自动驾驶技术当前的发展情况和关键技术环节，希望能够为自动驾驶行业的人才培养、自动驾驶领域的研究平台建设、我国人工智能科技发展大潮起到一定的促进作用。本书主要论述以下内容：
? 自动驾驶基本概念；
? 自动驾驶基本结构与组成；
? 自动驾驶感知与定位系统；
? 自动驾驶决策与规划；
? 自动驾驶控制系统；
? 自动驾驶线控底盘与动力系统；
? 自动驾驶发展环境。

 

本书对目前自动驾驶的构成及工作原理进行了阐述,主要内容包括自动驾驶概论、自动驾驶基本结构 与组成、自动驾驶感知与定位系统、自动驾驶决策与规划、自动驾驶控制系统、自动驾驶线控系统与动力电 池系统、自动驾驶发展环境等。 本书内容深入浅出、图文并茂、结合实际、专业性强,适合自动驾驶行业研究人员、从业人员和有意向 从事自动驾驶领域工作的读者阅读,同时也可供高等院校对自动驾驶感兴趣的理工科学生学习参考。

张宏亮  郑州航空工业管理学院副教授，智能工程学院党政办公室主任，新石器慧通（北京）科技有限公司与郑州航空工业学院共建的自动驾驶人工智能实验室主要负责人。目前主要从事自动驾驶、智能车联网相关领域的研究与教学工作。主持和参与各类科研项目25项、获省级以上成果奖3项，获专利11项，出版图书3部，发表论文10篇。
徐利民 郑州航空工业管理学院讲师，博士，毕业于清华大学自动化系，新石器慧通（北京）科技有限公司与郑州航空工业学院共建自动驾驶人工智能实验室主要负责人。目前主要从事无人机、机器人、自动驾驶相关领域的研究与教学工作。出版图书1部、发表论文15篇。
曾文达  新石器慧通（北京）科技有限公司自动驾驶系统总架构师，毕业于清华大学车辆工程学院，曾在百度负责阿波罗自动驾驶相关系统构建及研发工作。从事L4级自动驾驶研究八年，具有丰富的无人车总体软硬件系统架构研发设计及产品落地运营经验。

第1章自动驾驶概论

1.1自动驾驶基本概念

1.1.1自动驾驶的定义

1.1.2自动驾驶的优势

1.1.3自动驾驶的分级

1.2自动驾驶关键技术

1.2.1环境感知与定位

1.2.2路径规划与决策

1.2.3控制执行

1.3自动驾驶发展历程

1.3.1国外自动驾驶发展历程

1.3.2我国自动驾驶发展历程

1.4自动驾驶应用场景

1.4.1中高速场景

1.4.2低速场景

1.4.3特殊场景

1.5自动驾驶路测牌照发放情况

本章小结

第2章自动驾驶基本结构与组成

2.1总体结构概述

2.2自动驾驶系统结构

2.3无人车硬件结构

2.3.1线控系统

2.3.2传感器系统

2.3.3计算单元

2.4无人车软件结构

2.5车联网系统介绍

2.5.1车联网系统硬件组成

2.5.2车联网系统架构

2.5.3无人车应用实例

本章小结

第3章自动驾驶感知与定位系统

3.1自动驾驶感知与定位系统概述

3.2自动驾驶感知传感系统

3.2.1视觉传感器

3.2.2激光雷达

3.2.3毫米波雷达

3.2.4超声波雷达

3.3传感器的标定

3.3.1IMU的标定

3.3.2相机的标定

3.3.3激光雷达和组合惯导标定

3.3.4相机和激光雷达标定

3.4传感器数据融合

3.4.1传感器数据融合介绍

3.4.2自动驾驶传感器数据融合

3.4.3自动驾驶传感器数据融合示例

3.4.4多传感器融合数据处理

3.4.5传感器数据融合算法

3.5环境感知与预测

3.5.1环境感知理论概述

3.5.2环境感知算法与应用实例

3.6定位系统

3.6.1定位理论概述

3.6.2定位传感器

3.6.3定位技术

本章小结

第4章自动驾驶决策与规划

4.1自动驾驶决策与规划概述

4.2决策与规划体系结构

4.2.1分层递阶式体系结构

4.2.2反应式体系结构

4.2.3混合式体系结构

4.3决策与规划系统的关键环节

4.4自动驾驶的路径规划技术

4.4.1基于图搜索的路径规划算法

4.4.2基于化的路径规划算法

4.4.3基于随机采样的路径规划算法

4.4.4基于曲线拟合的路径规划算法

4.5自动驾驶的行为决策方法

4.5.1基于规则的行为决策方法

4.5.2基于强化学习的行为决策方法

4.5.3基于强化学习的行为决策在无人驾驶中的优势

4.6自动驾驶的运动规划

4.6.1局部路径规划方法

4.6.2动态窗口局部运动规划算法(DWA)

本章小结

第5章自动驾驶控制系统

5.1控制系统概述

5.2无人车控制架构设计

5.3自动驾驶控制核心技术

5.3.1车辆纵向控制

5.3.2车辆横向控制

5.4自动驾驶控制方法

5.4.1传统控制方法

5.4.2智能控制方法

5.5自动驾驶控制技术方案

5.5.1基于规划跟踪的间接控制方案

5.5.2基于人工智能的直接控制方案

5.6人机交互系统

5.6.1人机交互系统的作用和意义

5.6.2智能汽车人机交互系统的发展现状

5.6.3人机交互系统的核心技术

5.6.4人机交互系统的发展趋势

本章小结

第6章自动驾驶线控系统与动力电池系统

6.1线控系统概述

6.2线控转向系统

6.2.1线控转向系统的结构

6.2.2线控转向系统的工作原理

6.2.3线控转向系统的优点

6.2.4线控转向系统的控制逻辑

6.2.5线控转向系统的发展方向

6.3线控制动系统

6.3.1线控制动系统的分类

6.3.2线控制动系统的结构

6.3.3线控制动系统的基本工作原理

6.3.4CBS系统控制策略

6.3.5液压式线控制动系统的发展现状

6.3.6线控制动系统的优点

6.4电子驻车制动系统

6.4.1电子驻车制动系统的特点

6.4.2电子驻车制动系统的结构

6.4.3电子驻车制动系统的功能及控制逻辑

6.4.4电子驻车制动系统的发展现状

6.5线控油门系统

6.5.1线控油门系统的基本工作原理

6.5.2线控油门系统的优势

6.6线控换挡系统

6.6.1线控换挡系统概述

6.6.2线控换挡系统的基本原理

6.6.3线控换挡系统的优势

6.7电驱动系统

6.7.1电驱动系统的结构与功能

6.7.2电驱动系统的工作原理

6.7.3电驱动系统的特点

6.7.4电驱动技术的发展方向

6.8动力电池系统

6.8.1动力电池系统概述

6.8.2电池系统的基本结构

6.8.3动力电池系统技术的发展方向

6.9整车控制器系统

6.9.1整车控制器基本功能

6.9.2上下电控制

6.9.3接管控制

6.9.4转向控制

6.9.5制动控制

6.9.6驻车控制

6.9.7挡位控制

6.9.8驱动控制

6.9.9灯光控制

6.9.10故障安全控制

本章小结

第7章自动驾驶发展环境

7.1自动驾驶发展环境概述

7.2国外自动驾驶发展

7.2.1美国自动驾驶发展

7.2.2欧洲各国自动驾驶发展

7.2.3日本自动驾驶发展

7.2.4新加坡自动驾驶发展

7.3国内自动驾驶政策环境与发展规划

7.4自动驾驶关键技术发展趋势

7.4.1传感感知

7.4.2决策与控制

7.4.3辅助平台与技术

7.5自动驾驶产业链市场发展分析

7.5.1自动驾驶要素市场发展情况

7.5.2中国高等级自动驾驶产业发展趋势

7.6自动驾驶行业发展主要限制因素和风险

7.6.1发展限制

7.6.2风险提示

本章小结

参考文献

自动驾驶带着无穷魅力闯入了人们的生活。近几年，自动驾驶车辆已经逐步发展成熟，以润物细无声的方式进入了人们的生活中。例如： 谷歌、优步、百度、宇通等公司的自动驾驶汽车已经在多个国家的公共道路上行驶运营； 、顺丰公司的物流仓库大量的自动分拣车在繁忙有序地分拣货物； 国家图书馆、鸟巢等公共场所自动清洁小车不辞辛劳地全天候尽职工作； 各种封闭园区自动驾驶售货车、自动驾驶摆渡车正在为人们提供便捷的服务； 矿山、隧道里开始运行自动驾驶运输车； 公安系统使用自动驾驶警务车为社会提供更加安全、高效的治安管理服务； 2020年疫情下的武汉，自动驾驶无人车积极承担了大量医疗物资运输、医疗垃圾倾倒的工作，为抗击疫情的胜利贡献了一份力量……自动驾驶已经走入人们生产和生活的方方面面，与人们一起共同开创着更加便捷、安全、自由、美好的生活。
自动驾驶车辆实质上就是一种轮式自主运动智能机器人。自动驾驶是融合了传统车辆工程、人工智能和物联网等新兴学科的交叉学科，近年来自动驾驶领域取得了巨大的进步。自动驾驶技术经过十多年的研发与实验已日趋成熟，自动驾驶相关的政策法规、行业规范都在不断出台，自动驾驶产业上下游的企业经过多年的积淀和发展，在市场中逐步找到了自身的定位，并不断降低自动驾驶的进入门槛，开创多样的自动驾驶应用模式。自动驾驶在未来的一段时间内，必将颠覆性地改变人们的出行方式，并会进一步改变人们的生产、生活方式，甚至在更多领域掀起革命性的变革。
在自动驾驶成为行业风口的宏观背景下，先进的自动驾驶技术吸引了很多优秀的科学家、工程师、教师、学生、企业家和创业者参与其中。当前自动驾驶行业的困境之一仍然是面对即将到来的爆炸式增长的市场空间，缺乏足够多的技术人员和运行维护人员支撑自动驾驶行业的顺利运转。基于这个原因，部分龙头企业已经开始和国内大、中专院校进行深入合作，开展自动驾驶学科建设和科研平台建设，创新人才培养模式，布局自动驾驶的教育产业市场。目前郑州航空工业管理学院与新石器慧通（北京）科技有限公司签约部署了中部地区家全方位校企合作产学研用基地，创设了自动驾驶校企合作联合实验室。
本书是郑州航空工业管理学院自动驾驶实验室几位教师在自动驾驶浪潮下敏锐而积极的一次尝试。编写本书的目的是希望能够为自动驾驶领域的研究平台建设、自动驾驶行业的人才储备、国家人工智能科技的发展起到一定的促进作用。作者结合自身和新石器慧通（北京）科技有限公司在自动驾驶领域的技术积累，对全书进行了深入梳理和细致总结，阐述了自动驾驶的当前发展情况和关键技术环节，以及自动驾驶的宏观发展环境等内容。本书理论结合实践，适合自动驾驶行业研究人员、从业人员和各类高等院校学习自动驾驶的学生参考。
由于自动驾驶是一门很新的交叉学科，涉及大量新概念、专业知识和专业术语，而作者水平所限，书中不足之处在所难免，恳请读者给予批评和指正，以使本书再版时能够不断改进，精益求精，在此致以诚挚的感谢！
作者
2021年7月