智能駕駛汽車(chē)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王本森　施衛(wèi)

關(guān)鍵詞：智能駕駛；運(yùn)動(dòng)控制；障礙規(guī)避；最優(yōu)路徑規(guī)劃

中圖分類(lèi)號(hào)：TP301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）08-0086-03

0 引言

隨著全球的進(jìn)步，生活水平的提升同步著科學(xué)技術(shù)高速進(jìn)步，智能駕駛在汽車(chē)的使用中備受駕駛者的青睞。其發(fā)展對(duì)于人們的出行方式具有極其便利的作用，同時(shí)未來(lái)的交通也趨向于智能化。諸多車(chē)企花費(fèi)大量精力研制發(fā)展汽車(chē)智能化技術(shù)，也是推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的重要因素之一。智能汽車(chē)又稱無(wú)人駕駛汽車(chē)，是通過(guò)多傳感器融合、雷達(dá)測(cè)距、控制系統(tǒng)進(jìn)行決策車(chē)輛的行駛動(dòng)作，由行車(chē)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛。

智能駕駛汽車(chē)通過(guò)激光雷達(dá)測(cè)距、毫米波雷達(dá)測(cè)速測(cè)距，視覺(jué)傳達(dá)算法計(jì)算、GPS/BDS定位系統(tǒng)共同作用，使得車(chē)輛可以自主地根據(jù)道路狀況通過(guò)控制系統(tǒng)決策進(jìn)行行駛。雖然目前的智能駕駛車(chē)輛對(duì)智能駕駛的控制已經(jīng)有了很大起色，可以根據(jù)道路信號(hào)燈標(biāo)識(shí)和路況車(chē)距進(jìn)行自動(dòng)駕駛[1]。但是這種現(xiàn)有的控制系統(tǒng)一般不能進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，無(wú)法對(duì)行駛過(guò)的道路進(jìn)行有效的記錄，也無(wú)法保證在智能駕駛的控制中保持獲取最優(yōu)與最新的道路情況信息，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)運(yùn)動(dòng)線路的精確以及最優(yōu)的控制。本文闡述了一種智能駕駛汽車(chē)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)新的路況信息進(jìn)行及時(shí)記錄。

該文研究的智能駕駛汽車(chē)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，包括攝像頭探測(cè)單元、雷達(dá)探測(cè)單元、組成的信息錄入模塊，并且信息錄入模塊由自主錄入模塊與系統(tǒng)錄入模塊與其連接，信息錄入分別連接有交通信號(hào)燈單元、道路布局管控分類(lèi)匯總單元；道路布局管控分類(lèi)匯總單元由道路分類(lèi)、道路布局、道路是否封禁組成。道路布局管控分類(lèi)匯總單元和交通信號(hào)燈單元共同組成了信息存儲(chǔ)模塊。存儲(chǔ)模塊連接中心決策模塊中的分析模塊和規(guī)劃模塊，對(duì)錄入的存儲(chǔ)信息通過(guò)道路行人車(chē)輛單元、路標(biāo)和通行單元規(guī)劃出最優(yōu)路徑，來(lái)連接汽車(chē)駕駛模塊進(jìn)行啟動(dòng)橫向或縱向控制，連接互相作用來(lái)保證汽車(chē)的控制系統(tǒng)的完善。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該文鑒于原有智能汽車(chē)智能駕駛控制系統(tǒng)上，設(shè)計(jì)一種用于智能駕駛汽車(chē)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由信息錄入模塊、信息存儲(chǔ)模塊、中心決策模塊和行車(chē)處理模塊組成，如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)方案

1.1.1 信息錄入模塊

信息錄入模塊分為系統(tǒng)錄入模塊和人工錄入模塊。其中系統(tǒng)錄入模塊由激光雷達(dá)單元、毫米波雷達(dá)單元、攝像頭單元組成，用于對(duì)行駛路況信息進(jìn)行探測(cè)收集。激光雷達(dá)對(duì)外發(fā)射激光對(duì)周?chē)鷴呱?，?dāng)激光觸碰到周?chē)奈矬w以后，此時(shí)激光會(huì)折射回來(lái)由CMOS傳感器再次接收，然后測(cè)量出本車(chē)輛與周?chē)?chē)輛的距離。毫米波雷達(dá)的功能常用于測(cè)量本車(chē)輛行駛的速度和與周?chē)矬w的距離，并且具有良好的距離和速度分辨率；當(dāng)車(chē)輛靠近前方的障礙物時(shí)，毫米波雷達(dá)系統(tǒng)可以檢測(cè)到反射回來(lái)的信號(hào)，并將這些信息發(fā)送給車(chē)輛的存儲(chǔ)決策系統(tǒng)。攝像頭是智能駕駛汽車(chē)的重要并且常用傳感器，功能是監(jiān)控汽車(chē)內(nèi)外環(huán)境以輔助駕駛員行駛[2]。該模塊對(duì)探測(cè)到的實(shí)時(shí)路況進(jìn)行信息錄入，一些新的沒(méi)有錄入的道路情況、交通信號(hào)燈情況或者道路封禁情況通過(guò)系統(tǒng)錄入模塊進(jìn)行智能化錄入。自主錄入模塊用于人工自主地對(duì)道路情況信息進(jìn)行錄入，如圖2所示。

1.1.2 信息存儲(chǔ)模塊

信息存儲(chǔ)模塊用來(lái)接收信息錄入模塊的數(shù)據(jù)并將原收集信息、道路布局管控分類(lèi)匯總單元、交通信號(hào)燈單元進(jìn)行信息存儲(chǔ)。由信息錄入模塊對(duì)收集到的實(shí)時(shí)路況信息進(jìn)行存儲(chǔ)并連接中心處理模塊來(lái)處理；道路布局管控分類(lèi)匯總存儲(chǔ)單元記錄各條道路、交通信號(hào)燈、封禁道路信息以及各條道路的具體性質(zhì)，對(duì)普通城市道路、快速路、高速公路進(jìn)行分類(lèi)記錄存儲(chǔ)，最好用的一點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)中沒(méi)有記錄過(guò)的路況進(jìn)行重新存儲(chǔ)，以便下一步做中心決策處理。交通信號(hào)燈存儲(chǔ)單元將實(shí)時(shí)變化的狀態(tài)連接中心進(jìn)行處理[3]，對(duì)行駛過(guò)的道路進(jìn)行有效的記錄，從而保證在智能駕駛的控制中，始終可以保持獲取最優(yōu)與最新的道路情況信息，并且將道路實(shí)時(shí)變更信息存儲(chǔ)在系統(tǒng)中。如圖3所示。

1.1.3 中心決策模塊

中心決策模塊是智能車(chē)輛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的重要模塊，通過(guò)接收信息存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，來(lái)進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算最優(yōu)路徑和該車(chē)當(dāng)前動(dòng)作。中心決策模塊由系統(tǒng)分析模塊和規(guī)劃模塊組成控制整車(chē)系統(tǒng)，其動(dòng)作是這樣的：信息存儲(chǔ)模塊里面存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)傳送給系統(tǒng)分析模塊，系統(tǒng)分析模塊會(huì)對(duì)傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，分析的對(duì)象主要有交通信號(hào)燈路標(biāo)單元、周?chē)男腥撕蛙?chē)輛單元以及道路通行路徑單元，并將數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)和行車(chē)處理模塊。其中周?chē)男腥伺c車(chē)輛單元用于對(duì)行車(chē)周?chē)娜伺c其他車(chē)輛距離速度進(jìn)行分析，道路通行單元對(duì)地圖中規(guī)劃的道路是否可行駛進(jìn)行識(shí)別，道路路標(biāo)單元用于對(duì)道路車(chē)道標(biāo)志、路邊限速標(biāo)志等進(jìn)行識(shí)別，并且將以上所有分析數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)，由規(guī)劃模塊進(jìn)行接收。規(guī)劃模塊接收到以上數(shù)據(jù)后會(huì)對(duì)車(chē)輛的動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)規(guī)劃。主要?jiǎng)幼饔袆x車(chē)、加速、更換車(chē)道、掉頭等來(lái)決定車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)會(huì)把動(dòng)作信息傳送給系統(tǒng)，由行車(chē)處理模塊實(shí)行。具體來(lái)講，中心決策模塊會(huì)對(duì)該車(chē)輛所有可能的動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行分析計(jì)算，之后對(duì)所有可能的動(dòng)作進(jìn)行信息比較，選擇其中最安全的規(guī)劃來(lái)進(jìn)行動(dòng)作。并且根據(jù)規(guī)劃將多個(gè)基本動(dòng)作進(jìn)行組合，比如加速變換車(chē)道來(lái)完成超車(chē)、減速轉(zhuǎn)彎等。最后對(duì)行車(chē)節(jié)能、行車(chē)安全、路程效率、車(chē)內(nèi)人員的舒適程度進(jìn)行綜合量化對(duì)比來(lái)選擇一個(gè)最優(yōu)路徑[4]。如圖4所示。

1.1.4 行車(chē)處理模塊

行車(chē)處理模塊主要作用于對(duì)車(chē)輛的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)作，連接的中心決策模塊時(shí)刻進(jìn)行動(dòng)作或預(yù)備動(dòng)作。系統(tǒng)接收到中心決策模塊中規(guī)劃模塊傳來(lái)的最優(yōu)路徑和緊急動(dòng)作，同時(shí)也根據(jù)駕駛艙內(nèi)駕駛員的按鍵指令來(lái)進(jìn)行下一步運(yùn)動(dòng)控制。行車(chē)處理模塊主由橫向控制與縱向控制來(lái)實(shí)現(xiàn)包括緊急避讓單元、道路超車(chē)單元、自適應(yīng)巡航控制單元、自動(dòng)泊車(chē)單元和報(bào)警單元。緊急避讓單元主要作用于由規(guī)劃系統(tǒng)傳遞緊急信號(hào)的接收，對(duì)實(shí)時(shí)路況的緊急事件進(jìn)行剎車(chē)減速或者緊急避讓。超車(chē)單元主要用來(lái)根據(jù)系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行加速變道超車(chē)。自適應(yīng)巡航單元基于定速巡航通過(guò)雷達(dá)、攝像頭等信息獲取設(shè)備經(jīng)過(guò)中心處理模塊進(jìn)行路況處理，如果行駛過(guò)程由于前車(chē)剎車(chē)或其他情況引起的與前車(chē)距離過(guò)小，自適應(yīng)巡航單元會(huì)控制發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)的轉(zhuǎn)速結(jié)合車(chē)輪防抱死ABS系統(tǒng)聯(lián)合根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行車(chē)輛的制動(dòng)，來(lái)保證行車(chē)安全。自動(dòng)泊車(chē)的功能很普及也很實(shí)用，車(chē)輛可以根據(jù)駕駛員的按鍵需求進(jìn)行實(shí)地搜索最近車(chē)位進(jìn)行自動(dòng)泊車(chē)，同時(shí)在此過(guò)程中車(chē)輛實(shí)時(shí)檢測(cè)周?chē)男畔?lái)控制車(chē)速和轉(zhuǎn)向[5]。最后，如果發(fā)生緊急安全事故，報(bào)警單元會(huì)第一時(shí)間報(bào)警求救。如圖5所示。

1.2 智能汽車(chē)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)施方式

該文設(shè)計(jì)的智能駕駛汽車(chē)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由以下模塊組成：

1） 通過(guò)攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等感知模塊將實(shí)時(shí)的路況信息和系統(tǒng)中未錄入的道路路況信息進(jìn)行信息錄入，也可以人工手動(dòng)記錄路況以及標(biāo)記道路信息傳送給信息存儲(chǔ)模塊。

2） 將錄入的信息進(jìn)行記錄存儲(chǔ)，并且不斷地傳送給中心處理單元。對(duì)各個(gè)道路情況進(jìn)行存儲(chǔ)記憶，對(duì)普通城市道路、快速路、高速公路進(jìn)行分類(lèi)確定。重要的一點(diǎn)是對(duì)行駛過(guò)的道路進(jìn)行有效的記錄，從而保證在智能駕駛的控制中，始終可以獲取最優(yōu)與最新的道路信息。

3） 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括行人避障、車(chē)輛避障、交通信號(hào)燈光避障。對(duì)路線進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭?guī)劃模塊，規(guī)劃模塊接收到以上數(shù)據(jù)后對(duì)車(chē)輛的動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)規(guī)劃[6]。

4） 將數(shù)據(jù)傳送到行車(chē)處理模塊，時(shí)刻進(jìn)行動(dòng)作或預(yù)備動(dòng)作。行車(chē)處理模塊主由橫向控制與縱向控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括緊急避讓單元、道路超車(chē)單元、自適應(yīng)巡航控制單元、自動(dòng)泊車(chē)單元。若行車(chē)時(shí)發(fā)生安全事件，報(bào)警系統(tǒng)第一時(shí)間進(jìn)行報(bào)警。

1.3 智能汽車(chē)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理

本文所設(shè)計(jì)的智能汽車(chē)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理為：整個(gè)車(chē)輛的動(dòng)作原理由信息錄入、存儲(chǔ)、處理、決策動(dòng)作來(lái)完成。當(dāng)車(chē)輛進(jìn)行啟動(dòng)時(shí)，組合雷達(dá)和攝像頭等信號(hào)錄入模塊用于對(duì)實(shí)時(shí)的路況信息進(jìn)行錄入將其存儲(chǔ)。對(duì)汽車(chē)行駛過(guò)的道路進(jìn)行有效的記錄，保證在智能駕駛的控制中，始終可以保持獲取實(shí)時(shí)路況信息的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確度。當(dāng)實(shí)時(shí)行車(chē)路況信息傳輸?shù)街行臎Q策模塊時(shí)，系統(tǒng)分析模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，分析的對(duì)象主要有交通信號(hào)燈路標(biāo)、周?chē)男腥撕蛙?chē)輛以及道路通行路徑、行車(chē)周?chē)娜伺c其他車(chē)輛距離速度，并且識(shí)別地圖中規(guī)劃的道路是否可行駛、道路車(chē)道標(biāo)志、路邊限速標(biāo)志等。規(guī)劃模塊接收到以上數(shù)據(jù)后會(huì)選擇一個(gè)最安全的道路，然后規(guī)劃車(chē)輛的動(dòng)作。主要有剎車(chē)、加速、更換車(chē)道、掉頭等動(dòng)作來(lái)決定車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)會(huì)把動(dòng)作信息傳送給系統(tǒng)由行車(chē)處理模塊實(shí)行。行車(chē)處理系統(tǒng)會(huì)根據(jù)規(guī)劃模塊的數(shù)據(jù)決定車(chē)輛的走向，行車(chē)處理模塊主要由橫向控制與縱向控制來(lái)實(shí)現(xiàn)智能駕駛汽車(chē)運(yùn)動(dòng)控制。

該系統(tǒng)設(shè)置有道路布局系統(tǒng)、交通信號(hào)燈系統(tǒng)與道路管控系統(tǒng)，從而保證可以獲取更為實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的道路布局、交通信號(hào)燈以及道路管控情況，并通過(guò)道路分類(lèi)系統(tǒng)對(duì)普通城市道路、快速路以及高速路進(jìn)行區(qū)分，對(duì)設(shè)置有交通信號(hào)燈的普通城市道路進(jìn)行相應(yīng)記錄，并將各條道路情況、交通信號(hào)燈情況與道路封禁情況向道路信息匯總系統(tǒng)進(jìn)行集中的匯總處理，然后由路線規(guī)劃系統(tǒng)規(guī)劃最優(yōu)的行進(jìn)線路，控制汽車(chē)駕駛系統(tǒng)根據(jù)規(guī)劃線路行駛。同時(shí)本系統(tǒng)為一個(gè)共享系統(tǒng)，各個(gè)用戶的信息將會(huì)匯總，進(jìn)一步提高道路信息的全面性與準(zhǔn)確性，保證智能駕駛汽車(chē)運(yùn)動(dòng)控制的精確度。

系統(tǒng)設(shè)置攝像頭探測(cè)系統(tǒng)與雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)，向行車(chē)避障系統(tǒng)提供所探測(cè)的避障信息，由信息分析模塊對(duì)要素信息進(jìn)行分析然后處理車(chē)輛的動(dòng)作；對(duì)新的行駛路況進(jìn)行提取，從而使得將之前系統(tǒng)沒(méi)有錄入的新探測(cè)的道路情況信息進(jìn)行智能錄入，便于系統(tǒng)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)最新的道路信息，并有效規(guī)劃線路同時(shí)對(duì)新的路況信息智能記錄。根據(jù)道路結(jié)構(gòu)的不同，運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)程度不同，在高速、高架和有道路標(biāo)識(shí)線的結(jié)構(gòu)化道路上，智能汽車(chē)可以方便地識(shí)別到車(chē)道線、車(chē)距障礙物等信息，從而較簡(jiǎn)單地識(shí)別出行駛車(chē)輛周?chē)渌?chē)輛的運(yùn)動(dòng)信息。智能汽車(chē)的主要作用場(chǎng)景為有道路標(biāo)識(shí)線的結(jié)構(gòu)化道路，比如高速公路、國(guó)道、高架、城市道路場(chǎng)景。運(yùn)動(dòng)控制的核心動(dòng)作是在車(chē)輛保持安全行駛的情況下進(jìn)行緊急制動(dòng)、超車(chē)變道等[7]。始終把道路交通安全放首位，在此條件下車(chē)輛進(jìn)行運(yùn)行決策和行車(chē)處理；其次要結(jié)合駕駛員的舒適程度、行車(chē)效率多種綜合因素下進(jìn)行智能駕駛。

2 總結(jié)

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本設(shè)計(jì)方案的有益效果是：通過(guò)攝像頭探測(cè)系統(tǒng)與雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)，獲得行車(chē)路況的障礙信息，由系統(tǒng)來(lái)處理決定汽車(chē)的動(dòng)態(tài)走向。并且可以將之前系統(tǒng)沒(méi)有錄入的新探測(cè)的道路情況信息通過(guò)系統(tǒng)錄入模塊進(jìn)行智能輸入系統(tǒng)，或人工將相關(guān)新的未知的道路情況信息進(jìn)行錄入；以來(lái)解決原系統(tǒng)中在行駛的過(guò)程中不能對(duì)道路情況學(xué)習(xí)記憶的問(wèn)題。本系統(tǒng)可以智能對(duì)道路情況進(jìn)行記憶分類(lèi)記錄處理并有效規(guī)劃線路，同時(shí)對(duì)新的實(shí)時(shí)路況智能記錄至系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)的無(wú)記憶問(wèn)題，提高了智能駕駛汽車(chē)運(yùn)動(dòng)控制的精確度和安全性。