汽車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（Motor Vehicle Auto Driving System），是一種通過車載電腦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無人駕駛的智能汽車系統(tǒng)，又稱無人駕駛汽車、電腦駕駛汽車、或輪式移動(dòng)機(jī)器人，還有稱自動(dòng)駕駛汽車（Autonomous vehicles；Self-pilotingautomobile）的。汽車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)，一般分為：感知系統(tǒng)、決策系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)3個(gè)部分。

2.0 自動(dòng)駕駛的決策系統(tǒng)

自動(dòng)駕駛決策系統(tǒng)負(fù)責(zé)路線規(guī)劃和實(shí)時(shí)導(dǎo)航。規(guī)劃和實(shí)時(shí)導(dǎo)航不僅高精度數(shù)字地圖，還要V2X通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持。

2.1自動(dòng)駕駛的操作系統(tǒng)

（a)操作系統(tǒng)，它是支持電腦基礎(chǔ)運(yùn)作的軟件，例如任務(wù)安排、執(zhí)行應(yīng)用程序以及控制外部設(shè)備；(b)自動(dòng)駕駛的操作系統(tǒng)要統(tǒng)一協(xié)調(diào)安排自動(dòng)駕駛汽車的硬件各種雷達(dá)、攝像頭、聲吶等傳感器等硬件,組織成一個(gè)整體系統(tǒng)；(c)自動(dòng)駕駛的操作系統(tǒng)必須內(nèi)置高級的人工智能，引導(dǎo)自動(dòng)駕駛的人工智能操作系統(tǒng)；(d)自動(dòng)駕駛汽車的操作系統(tǒng)必須絕對安全可靠，即支持汽車的基礎(chǔ)功能和高級功能，并對接受的到數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回饋；(e)自動(dòng)駕駛必需要求非常嚴(yán)苛的操作系統(tǒng)，必須知道現(xiàn)在汽車在哪里，知道周圍有什么，能預(yù)期接下來會發(fā)生什么并做出怎樣的應(yīng)對反應(yīng);(f)無論是從復(fù)雜程度還是從監(jiān)控廣度上，自動(dòng)駕駛的操作系統(tǒng)，都應(yīng)該優(yōu)于電腦或者智能手機(jī)的操作系統(tǒng)

2.2ARM嵌入式Linux系統(tǒng)

（a)ARM嵌入式Linux操作系統(tǒng)。ARM-Linux程序的開發(fā)，主要分為三類：應(yīng)用程序開發(fā)、驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)、系統(tǒng)內(nèi)核開發(fā)，針對不同種類的軟件開發(fā)，有其不同的特點(diǎn)。(b)自動(dòng)駕駛汽車的操作系統(tǒng)三大核心能力：實(shí)時(shí)反饋、完全的可靠性，以及趕超人類的感知能力。管理自動(dòng)駕駛汽車的操作系統(tǒng)在監(jiān)控支配汽車時(shí)的反應(yīng)必須精確到微秒級。

2.3自動(dòng)駕駛處理器(芯片)

英偉達(dá)最新自動(dòng)駕駛處理器，每秒30 萬億次運(yùn)算，功率僅30瓦。圖片顯示的接口是支持的雷達(dá)、傳感器、攝像頭的。

圖15 Xavier芯片板

2.4算法

預(yù)估模型（見圖16）不同速度條件下的適應(yīng)性算法，車輛當(dāng)前航向角與航向變化預(yù)估量之和作為航向反饋量，期望航向與航向反饋量的差值則作為經(jīng)典 PID 控制器的輸入偏差計(jì)算期望前輪偏角δ。

圖16 軌跡跟蹤算法預(yù)估模型

預(yù)估模型是電動(dòng)轉(zhuǎn)向器控制的基本理論依據(jù)。

3.0自動(dòng)駕駛的執(zhí)行系統(tǒng)

執(zhí)行系統(tǒng)也是底層控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)執(zhí)行汽車的剎車、加速、轉(zhuǎn)向的具體操作。工程師們通過特制的“線控裝置”控制方向盤和油門，取代人類司機(jī)的手和腳。

3.1線控裝置

線控是的機(jī)電行業(yè)特定短語，是機(jī)電控制的一種物理控制方式。線控系統(tǒng)是用電空系統(tǒng)替代機(jī)械系統(tǒng)或者液壓系統(tǒng)。主要是指信號發(fā)生器與信號接收器之間的連接方式是通過線纜或其他動(dòng)作傳到物體進(jìn)行連接的。

簡單地說，自動(dòng)駕駛汽車的線控執(zhí)行，主要包括線控轉(zhuǎn)向、油門和制動(dòng)。最難的部分是線控執(zhí)行中的制動(dòng)。

(1)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Steer By Wire，SBW）去掉了轉(zhuǎn)向盤和轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，具有操縱性、穩(wěn)定性能更優(yōu)的特點(diǎn)，且作為主動(dòng)轉(zhuǎn)向干預(yù)的一種方式。SBW系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖（16），主要分為三個(gè)部分：

(a)轉(zhuǎn)向盤系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)向角傳感器、轉(zhuǎn)矩反饋電動(dòng)機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)裝置；(b)電子控制系統(tǒng)，包括車速傳感器，也可以增加橫擺角速度傳感器、加速度傳感器和電子控制單元以提高車輛的操縱穩(wěn)定性；(c)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，包括角位移傳感器、轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)、齒輪齒條轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和其他機(jī)械轉(zhuǎn)向裝置等。

圖17 線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Steer By Wire，SBW）結(jié)構(gòu)

（2）電助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

圖18 接觸式EPS電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向總成及原理

（3）線控油門系統(tǒng)

（a)線控油門系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)控制靈敏、精確，發(fā)動(dòng)機(jī)能根據(jù)汽車的各種行駛信息精確地調(diào)節(jié)空燃比，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒狀況，提高動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。還可與油壓、溫度和廢氣再循環(huán)電子信號結(jié)合，減少廢氣排放。減少機(jī)械組合零部件，相應(yīng)減輕機(jī)械結(jié)構(gòu)的重量，降低機(jī)械零部件的維修幾率。(b)線控油門系統(tǒng)組成線控油門主要由油門踏板、踏板位移傳感器、電控單元(ECU)、數(shù)據(jù)總線、電機(jī)和油門執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。(c)線控油門系統(tǒng)工作原理位移傳感器安裝在油門踏板內(nèi)部，隨時(shí)監(jiān)測油門踏板的位置，隨時(shí)監(jiān)測油門踏板位置，當(dāng)監(jiān)測到油門踏板高度位置發(fā)生變化時(shí)，會瞬間將此信息傳送至伺服電機(jī)，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)油門執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)行油門控制。

（4）線控制動(dòng)系統(tǒng)主動(dòng)安全的線控制動(dòng)功能（Brake by wire）,是電子控制單元及傳感器組成的系統(tǒng)，目前有：

(a)電子輔助制動(dòng)系統(tǒng)（EBA）;(b)適應(yīng)巡航系統(tǒng)（ACC）;(c)停-走系統(tǒng)（SMS）;(d)電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（ESC）;(e)主動(dòng)避撞系統(tǒng)（ABC）;(f)坡路防退系統(tǒng)（HHS）;(g)電子駐車系統(tǒng)(EBC);(h)自動(dòng)泊車系統(tǒng)（ASC）;

圖19 制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（ABS）原理圖

（5）CAN總線協(xié)議

（a)CAN（Controller Area Network）:即控制器局域網(wǎng)，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)分布式實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN是德國的Bosch公司開發(fā)的（和Intel）。(理解：通過CAN控制器能把多個(gè)微處理器（CPU）組成一個(gè)局域網(wǎng)，即控制器局域網(wǎng)。（b)CAN優(yōu)點(diǎn):使得它能夠被廣泛的應(yīng)用。比如：傳輸速度最高到1Mbps，通信距離最遠(yuǎn)到10km，無損位仲裁機(jī)制，多主結(jié)構(gòu)。CAN控制器價(jià)格越來越低，很多MCU也集成了CAN控制器?，F(xiàn)在每一輛汽車上都裝有CAN總線。(c))CAN應(yīng)用場景

圖20 CAN應(yīng)用場景

(d）CAN總線分類CAN總線分為高速CAN總線 低速CAN總線。在汽車上，高速信號是用于傳輸ABS、ESP、TCU等電子控制系統(tǒng)，這些系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)的信號處理，所以用的是高速的CAN信號；而例如車燈等基礎(chǔ)設(shè)備則不需要高速的實(shí)施環(huán)境，所以用的是低速的CAN信號。

4.0通信系統(tǒng)

4.1 V2X通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

V2X 是指車對外界的信息交換，是一系列車載通訊技術(shù)的總稱。V2X包含汽車對汽車V2V）、汽車對路側(cè)設(shè)備（V2R）、汽車對基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）、汽車對行人（V2P）、汽車對機(jī)車（V2M）及汽車對公交車（V2T）等六大類。V2X是分為：

圖21 V2X（車對萬物）通訊模式

(a)基于網(wǎng)絡(luò)的通訊模式，即車對網(wǎng)絡(luò)V2N（車對網(wǎng)絡(luò)），比如通過互聯(lián)網(wǎng)通信；(b)直接通訊模式，涵蓋了車對車V2V（車對車）、車對基礎(chǔ)設(shè)施V2I（車對基礎(chǔ)設(shè)施）以及車對人V2P(車對人)，比如通過5G 通信，射頻識別技術(shù)（英文：RadioFrequencyIDentification，縮寫：RFID)是一種無線通信技術(shù)，見圖21）。

圖22 射頻識別技術(shù)用于汽車管理

(c)兩種傳輸模式是互補(bǔ)的（見圖22）。

簡單的來說，V2V是一種比較自動(dòng)駕駛更高級的技術(shù)。自動(dòng)駕駛可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟車，可以探測前方200米左右交通情況，并作相應(yīng)的汽車輔助動(dòng)作，如自動(dòng)駕速度，自動(dòng)剎車，但是它無法遇見前方的前方車什么狀態(tài)，是不是出了意外，這些要求有V2V的技術(shù)支持。

4.2電子電器架構(gòu)

簡單來說，汽車電子電氣架構(gòu)就是汽車內(nèi)部各類通信線路、電子控制新芯片、以及現(xiàn)代導(dǎo)航系統(tǒng)、汽車智能網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的電氣系統(tǒng)。電子電氣架構(gòu)（Electrical/Electronic Architecture），，是由德爾福公司提出的，集合汽車的電子電氣系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)、中央電器盒的設(shè)計(jì)、連接器的設(shè)計(jì)、電子電氣分配系統(tǒng)等設(shè)計(jì)為一體的整車電子電氣解決方案的概念。

通過EEA的設(shè)計(jì)，可將動(dòng)力總成、驅(qū)動(dòng)信息、娛樂信息等車身信息轉(zhuǎn)化為實(shí)際的電源分配的物理布局、信號網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、診斷、容錯(cuò)、能量管理等的電子電氣解決方案。優(yōu)化汽車電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì),可在有效完善汽車綜合性能的同時(shí),控制降低汽車總重量和生產(chǎn)成本,對于現(xiàn)代汽車制造業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4.3安全解決方案

自動(dòng)駕駛車輛安全主要是指，包含安全設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行兩大主要內(nèi)容，其中細(xì)分為操作安全、環(huán)境安全、行為安全、功能安全、質(zhì)量安全、機(jī)制安全和安全進(jìn)化七大內(nèi)容。

4.4云平臺

（1）云端主要提供兩大功能，包括分布式計(jì)算和分布式存儲。云平臺的第一個(gè)應(yīng)用就是仿真，如圖23所示。

圖23 云平臺仿真

（2）高清晰度地圖生成

如圖24所示，高清晰度地圖的生成是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及到很多步驟。包括原始數(shù)據(jù)處理，點(diǎn)云生成，點(diǎn)云對齊，2維反射地圖生成，高精度地圖標(biāo)記以及最終地圖生成。

圖24 高清晰度地圖生成過程

（3）深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練

自主駕駛使用了多種不同的深度學(xué)習(xí)模型，所以要持續(xù)更新模型來保證它們的有效性和高效性。由于原始數(shù)據(jù)的量非常的大，僅靠單機(jī)是很難快速地完成模型的訓(xùn)練的，必須開發(fā)高可擴(kuò)展的分布式深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)。二、自動(dòng)駕駛車輛車輛實(shí)例

1.自動(dòng)駕駛汽車硬件系統(tǒng)

自動(dòng)駕駛的硬件系統(tǒng)，可以粗略地分為感知、決策、控制三部分（還有定位、地圖、預(yù)測等模塊）。

圖25 自動(dòng)駕駛的硬件系統(tǒng)

（1）自動(dòng)駕駛汽車傳感器

自動(dòng)駕駛使用的感知類的傳感器，主要有激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、攝像頭、組合導(dǎo)航。

圖23 感知類的傳感器

（a)激光雷達(dá):安裝在車頂，360度同軸旋轉(zhuǎn)，可提供周圍一圈的點(diǎn)云信息。激光雷達(dá)不僅用于車輛感知，也用于定位和高精度地圖的測繪。(b)攝像頭:光線通過鏡頭、濾光片到后段的CMOS或CCD集成電路，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)過圖像處理器（ISP）轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的RAW，RGB或YUV等格式的數(shù)字圖像信號，再通過數(shù)據(jù)傳輸接口傳輸?shù)接?jì)算單元。(c)毫米波雷達(dá):和激光雷達(dá)有點(diǎn)類似，基本原理是發(fā)射一束電磁波，通過觀察回波和射入波的差異來計(jì)算距離和速度，主要分24G和77G，它的安裝是在保險(xiǎn)杠上面。(d)組合導(dǎo)航:GNSS+INS融合在一起就是組合導(dǎo)航系統(tǒng)。一是，GNSS板卡，通過天線接收GPS和RTK信號，解析計(jì)算出自身的空間位置。二是，當(dāng)車輛行駛到林蔭路，或者是有些建筑物，GPS就會沒信號或者產(chǎn)生多徑效應(yīng)，定位就會產(chǎn)生偏移和不準(zhǔn)。此時(shí)需要通過INS的信息融合來進(jìn)行組合運(yùn)算。

（2）傳感器設(shè)計(jì)適用范圍（表1）

表1 傳感器設(shè)計(jì)適用范圍

（3）傳感器與車速度的關(guān)系(a)不同速度下的剎車距離及參考值（表2）

表2 不同速度下剎車距離計(jì)算公式及參考值

目前，我國城市封閉道路限速80，高速最高限速120。通過這個(gè)公式能計(jì)算出剎車距離，限速120的情況下最少需要150米的探測范圍。(b)不同速度下制動(dòng)距離計(jì)算公式及參考值（表3）

表2 不同速度下制動(dòng)距離計(jì)算公式及參考值

限速120的情況下，其制動(dòng)距離，如果能到200米會更好。

（4）傳感器與分辨率的關(guān)系（見圖24）

圖24 傳感器與分辨率的關(guān)系

分辨率是通過反正切函數(shù)來計(jì)算的。

2.自動(dòng)駕駛汽車的計(jì)算單元

圖25 自動(dòng)駕駛汽車計(jì)算單元

(a)PCI-Express(peripheral component interconnect express)是一種高速串行計(jì)算機(jī)擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn);(b)以太網(wǎng)（Ethernet）是一種計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)技術(shù)。以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最普遍的局域網(wǎng)技術(shù)，取代了其他局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)如令牌環(huán)、FDDI和ARCNET；(c)CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network, CAN)的簡稱，是由以研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)的，并最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 11898），是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。

3.自動(dòng)駕駛汽車的線控系統(tǒng)

圖26 線控系統(tǒng)總成

自動(dòng)駕駛車輛的線控系統(tǒng)，分減速、轉(zhuǎn)向和加速三大部分。

（a)自動(dòng)駕駛車輛的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

(b)自動(dòng)駕駛車輛的加速線控系統(tǒng)

(c)自動(dòng)駕駛車輛的線控制動(dòng)解決方案(圖29）。MK C1將制動(dòng)助力以及制動(dòng)壓力控制模塊(ABS、ESC)集成一個(gè)制動(dòng)單元當(dāng)這個(gè)失效的時(shí)候還有一個(gè)MK 100保證冗余。

3.自動(dòng)駕駛整車實(shí)例

1）Autopilot 2.0的特斯拉自動(dòng)駕駛汽車

圖30 Autopilot 2.0的特斯拉自動(dòng)駕駛汽車

（a）該車共配備 8 個(gè)攝像頭（3個(gè)前置攝像頭（不同視角 廣角、長焦、中等）；2個(gè)側(cè)邊攝像頭（一左一右）；3個(gè)后置攝像頭；12個(gè)超聲波傳感器（傳感距離增加一倍）；一個(gè)前置雷達(dá)(增強(qiáng)版)；一個(gè)后置倒車攝像頭），達(dá)到 360 度全車范圍覆蓋，最遠(yuǎn)檢測可達(dá) 250 米；（b）搭載12顆超聲波前置雷達(dá)可以穿越雨、霧、塵環(huán)境，豐富視覺系統(tǒng)的探測數(shù)據(jù)；傳感器，用以輔助偵測，對物體的距離、軟硬精準(zhǔn)度有更大的提升；（c）增強(qiáng)版的毫米波雷達(dá)，能夠在惡劣天氣下工作，也能探測到前方車輛；（d）汽車主板集成了 Nvidia PX2 處理芯片，運(yùn)算能力比起第一代自動(dòng)駕駛系統(tǒng)要高 40 倍，其的性能是前款產(chǎn)品的40倍，大幅提升計(jì)算能力。

2)Apollo 2.5自動(dòng)駕駛汽車

圖 31 Apollo 2.5自動(dòng)駕駛汽車

Apollo 2.5（限定區(qū)域內(nèi)基于視覺的高速自動(dòng)駕駛），2套新的硬件系統(tǒng)支持：第一套是禾賽的Pandora套件+2個(gè)廣角攝像頭+1個(gè)毫米波雷達(dá)；另一套是單目廣角攝像頭+1個(gè)毫米波雷達(dá)。

3）東風(fēng)無人駕駛L4智能卡車

L4智能卡車具有自適應(yīng)巡航系統(tǒng)和車道保持實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟車、遇彎道行駛完全自主轉(zhuǎn)向等功能。

4）深圳自動(dòng)駕駛公交車

車上配有激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、攝像頭、GPS天線等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛下的行人和車輛檢測、減速避讓、緊急停車、障礙物繞行、變道、自動(dòng)按站?？康裙δ?。

圖33 深圳自動(dòng)駕駛公交車