无人驾驶汽车的构想
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无人驾驶汽车的构想
2007012129 杨雨
摘要：
无人驾驶系统从根本上改变了传统的“人一车一路”闭环控制方式，将不可控的驾驶员从该闭环系统中请出去，从而大大提高了交通系统的效率和安全性。本文以此出发，阐述了应用当前汽车电子电器设备发展成无人驾驶的可能性以及无人驾驶研究的关键点及研究方向。
关键词：
定速巡航系统，实时运动GPS，汽车防撞系统，道路标志识别系统，道路标志识别系统，高速环境，城市环境，特殊环境。
文章内容：
无人驾驶汽车是一种智能汽车，也可以称之为轮式移动机器人，主要依靠车内的以计算机系统为主的智能驾驶仪来实现无人驾驶。
无人驾驶汽车集自动控制、体系结构、人工智能、视觉计算等众多技术于一体，是计算机科学、模式识别和智能控制技术高度发展的产物，也是衡量一个国家科研实力和工业水平的一个重要标志，在国防和国民经济领域具有广阔的应用前景。
从20世纪70年代开始，美国、英国、德国等发达国家开始进行无人驾驶汽车的研究，目前在可行性和实用化方面都取得了突破性的进展。我国从20世纪80年代开始进行无人驾驶汽车的研究，国防科技大学在1992年成功研制出我国第一辆真正意义上的无人驾驶汽车。
怎样才能让汽车自动驾驶，而不需要人的帮助呢？这需要用到许多汽车电子设备。
在众多的汽车电子设备中，有一种可以在高速公路上让司机不用再去控制油门踏板，减轻疲劳，同时减少不必要的车速变化，节省燃料的设备。那就是汽车定速巡航系统（Cruise Control System）缩写为CCS，又称为定速巡航行驶装置、速度控制系统、自动驾驶系统等。
这种系统在国外汽车上应用较多，在美国，安装率已达到60％以上。然而，在我国由于道路条件限制，使用率不高。即使该系统出现故障，驾驶员也不在意。另外，由于维修技术不能与汽车技术同步飞速发展，许多维修人员尚对该系统认识不足，以致于在维修过程中无意间对该系统造成干扰或损坏，无法科学分析故障现象，准确判断故障根源。
定速巡航系统主要由控制开关、控制组件（巡航电脑）伺服器（执行机构）组成。定速巡航系统的工作原理，简单地说就是由巡航控制组件读取车速传感器发来的脉冲信号与设定的速度进行比较，从而来调整节气门开度的增大或减小，以使车辆始终保持所设定的速度。比如，车辆上坡时速度下降，车速传感器发来的脉冲信号下降，控制组件将发指令给伺服执行机构打开相应角度的节气门来保持车速。相反，下坡时将减小节气门的开度。
汽车防撞系统，是防止汽车发生碰撞的一种智能装置。它能够自动
发现可能与汽车发生碰撞的车辆、行人、或其他障碍物体，发出警报或同时采取制动或规避等措施，以避免碰撞的发生。
汽车防撞系统包括三个部分：（1）信号采集系统：采用雷达、激光、声纳等技术自动测出本车速度、前车速度以及两车之间的距离；（2）数据处理系统：计算机芯片对两车距离以及两车的瞬时相对速度进行处理后，判断两车的安全距离，如果两车车距小于安全距离，数据处理系统就会发出指令；（3）执行机构：负责实施数据处理系统发来的指令，发出警报，提醒司机刹车，如司机没有执行指令，执行机构将采取措施，比如关闭车窗、调整座椅位置、锁死方向盘、自动刹车等；
道路标志识别系统，它是装在车内后视镜上的摄像头会捕捉道路两旁的限速标志牌，得到的数据会和导航地图相匹配，结果会出现在仪表盘中。如果是遇到“湿滑路段”或者“6点～22点禁行”这样的标志牌，车载电脑还会激活车上的时钟或是雨量感应器。他是宝马公司研发的新型系统。
实时运动GPS，标准GPS系统的精度只能达到几米，而Cycab装备了的特殊GPS系统——“实时运动GPS”系统，其精度可达到1厘米。
以上系统都是无人驾驶系统所需要的基本系统之一。
目前各个国家对无人驾驶都有一些研究。
由法国公司INRIA花费十年心血研制而成的Cycab。这款无人驾驶汽车利用激光传感器避开前进道路上的障碍物，甚至可以通过手机控制驾驶Cycab，并且装有双镜头摄像头可按照路标行驶。每一辆Cycab通过互联网来进行通信，这意味着这些无人驾驶汽车之间能够信息共享，这样多辆Cycab能够组成车队，以很小的间隔顺序行驶。Cycab也能从网上获取实时交通信息，防止交通阻塞的发生。在行驶过程中，Cycab还会自动发出警告，提醒过往行人注意。
英国版本的无人驾驶汽车被命名为ULTras，是由英国先进交通系统公司和布里斯托尔大学联合研制的。乘客使用智能卡在汽车上的触摸屏选择好目的地。只需等待十秒钟，ULTras就会带乘客前往目的地。一路上ULTras会自动适时选择刹车、加快速度，并且可以应对交通高峰和出现障碍物等情况。它会一路畅通地把乘客送到目的地。乘客到了之后，只需把车子停在那里自行离开就好了。这种无人驾驶汽车要么停在原地，要么就被控制中心调度到其他需要用车的地方。控制中心保证每一辆无人驾驶汽车沿着一条路线行驶，确保它们之间不会发生撞车。2009年5月，16个国家的代表在英国伦敦希斯罗机场亲眼目睹了许多辆无人驾驶汽车ULTras自动驶离、抵达车站的景象。
美国通用的名为EN-V的无人驾驶汽车，从外形到内在都颠覆了传统的汽车概念。它的车身极小，长宽高都在1.5米左右，单排双座。由于身材小巧，它的自重只有600公斤，可以最大限度地节省能源。这款车上没有挡位，也没有方向盘，全靠座位前侧一块书本大小的触摸屏来实现驾驶操作。如果车主犯懒，启动“自动驾驶”程序，这车就会神奇地自己转弯、加减速、停泊。这款车集成了当今汽车行业的三项尖端技术：通过全球卫星定位系统，确定自己的位置和目的地；通过计算机应用技术，采集周围的路况、车况及行人信息，使汽车比驾驶者本人更加清楚路面情况；通过自动控制技术，使汽车根据路况实现自动加速和转弯。三项技术的综合运用，不仅使EN-V实现了无人驾驶，还使其可以有效避免撞击，从而与车祸绝缘。此外，EN-V还是一款零排放汽车，以电
力作为能源。据称，它充电一次可行驶40公里，最高时速40公里。
我国对无人驾驶也有很不错的研究成果。在第二届中国吉林·东北亚投资贸易博览会开幕当天，红旗HQ3无人驾驶轿车以每小时60公里的速度演示于展场。红旗HQ3无人驾驶轿车的研制成功，标志着我国自主品牌轿车在以自主驾驶系统为核心的汽车主动安全控制上的重大突破。红旗HQ3无人驾驶轿车不仅环境识别速度快，适应性强，能实时处理岔道，斑马线和虚线；对车体姿态变动，自然光照变化及树木，路桥阴影都具有较强的自适应力。而且拥有较强的命令执行系统，能够忠实地执行“大脑”发出的各种控制指令，在高速公路上，最高时速已达150公里。目前，该系统已实现了小型化并和原车很好地融为一体。除前风挡玻璃后安装的两个摄像机外，在车厢内根本看不到自主驾驶系统的其他任何部件，保持了车厢的原来风格。
目前，无人驾驶技术并不是成熟的技术，还无法广泛应用于普通生活当中。因为无人驾驶的关键技术不成熟。
无人驾驶汽车开发的关键技术主要有两个方面：车辆定位和车辆控制技术。这两方面相辅相成共同构成无人驾驶汽车的基础。
车辆定位技术是无人驾驶汽车行驶的基础。目前常用的技术包括磁导航和视觉导航等。其中，磁导航是目前最成熟可靠的方案，现大多数均采用这种导航技术。磁导航最大的优点是不受天气等自然条件的影响，即使风沙或大雪埋没路面也一样有效，而且便于维护。另外，通过变换磁极朝向进行编码，可以向车辆传输道路特性信息，诸如位置、方向、曲率半径、下一个道路出口位置等信息。但是，磁导航方法往往需要在道路上埋设一定的导航设备(如磁钉或电线)，系统实施过程比较繁琐，且不易维护，变更运营线路需重新埋设导航设备。视觉导航就不存在这个问题。视觉导航的优点是车载计算机可以在试验样车偏离目标车道前，事先知道并预防其发生，同时当在高速公路使用时，不需要对现有的道路结构做变化，并且在混合交通中，也可使用；其缺点为，当风沙、大雾等自然因素致使能见度过低或路面上的白色标线不清晰时，导航系统会失效。但由于视觉导航对基础设施的要求很低，被公认为是最有前景的定位方法。
车辆控制技术是无人驾驶汽车的核心，主要包括速度控制和方向控制等几个部分。无人驾驶其实就是用电子技术控制汽车进行的仿人驾驶。通过对驾驶员的驾驶行为进行分析可知，车辆的控制是一个典型的预瞄控制行为，驾驶员找到当前道路环境下的预瞄点，根据预瞄点控制车辆的行为。
无人驾驶汽车的研究，可以归纳为3个方面：高速公路环境、城市环境和特殊环境下的无人驾驶系统。就具体研究内容而言，3个方面相互重叠，只是技术的侧重点不同。
在高速公路环境，无人驾驶技术研究重点在于道路标志识别、车辆识别、道路标志线识别，保证汽车在高速运行状态下的稳定性和安全性。目标是实现汽车进入高速公路后实现完全自动驾驶。
在城市环境，与高速环境不同，无人驾驶技术重点在于对障碍物的识别，例如行人，以及各种交通工具，道路障碍等。还有对交通信号灯的识别。同样道路标识以及标志线的识别也是需要的。目标是实现缓解城市交通压力，保证交通通畅。但是在此环境下实现无人驾驶技术较困难，因为城市交通环境复杂多变。单靠电子信号处理是不够的。如将来
能研发出智能电脑可能解决此问题。
在特殊环境，例如军事。是目前一些对无人驾驶技术研究有重大成果的国家都注重的方面。在此方面，无人驾驶的可靠性和对恶劣环境的适应性是首要研究目标。
另外，成本问题也是一个重要问题，无人驾驶飞机已经研发出来，其成本非常高，目前也只用于军事。
无人驾驶汽车是未来汽车研究重要方向之一。无人驾驶汽车尤其适合从事旅游、应急救援、长途高速客货运输、军事用途，以发挥可靠、安全、便利及高效的性能优势，减少事故，弥补有人驾驶汽车的不足。无人驾驶汽车在交通领域的应用，从根本上改变了传统车辆的控制方式，可大大提高交通系统的效率和安全性。随着高科技的发展，我国无人驾驶车辆技术将会不断发展，其功能也将更完善，学科内容将会更丰富，产业化前景更美好。