劉巖松

1986年以來，在何克忠教授的帶領(lǐng)下，清華智能車技術(shù)不斷取得創(chuàng)新，為國內(nèi)該領(lǐng)域的科技發(fā)展帶來了先進的理念和啟發(fā)。

清華大學(xué)智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室THMR課題組，以何克忠教授為創(chuàng)新帶頭人，先后承擔(dān)了與無人車技術(shù)有關(guān)的“七五”至“十一五”國家科技重點項目6項，國家863計劃“智能交通”等科技研究項目8項，同時還承擔(dān)了由國家郵政研究所、徐工集團、Omron公司等國內(nèi)外企業(yè)支持的與無人車技術(shù)有關(guān)的研發(fā)課題6項。先后設(shè)計和研制成室內(nèi)智能移動機器人THMR-Ⅰ、THMR-Ⅱ、THMR-ⅡA和室外智能移動機器人THMR-Ⅲ和THMR-V，并于2000年與徐工集團協(xié)作，成功地開發(fā)了LTU125A自動攤鋪機；THMR課題組還成功開發(fā)了多項總線式工業(yè)控制計算機系統(tǒng)，如TH-STD-7000、TH-IPC-7000、TH-104-7000以及嵌入式測控機模板，如TH-MCS-7855、TH-MCS-7816和TH-MCS-7845等，它們已分別應(yīng)用于玻璃窯爐控制、農(nóng)藥生產(chǎn)過程控制、郵政物料運輸車控制、自動攤鋪機控制、智能機器人控制以及汽車安全輔助駕駛系統(tǒng)等。

本刊記者：無人車的科技價值有哪些？它的發(fā)展前景您如何評價？

何克忠：從行車安全來說，無人車是采用計算機和電子儀器來檢測環(huán)境信息和車體狀態(tài)信息的，車體的動作也是用計算機和電子機電裝置來控制的，因此無人車對環(huán)境、對車體的狀況看得清楚、看得精確，動作快捷、靈敏，更沒有誤把油門當(dāng)作剎車去踩的可能。而人工駕駛時，人對環(huán)境和車體狀態(tài)的觀察和感知緩慢、動作反應(yīng)遲緩，還受精神狀態(tài)的影響，甚至發(fā)出誤判和錯誤動作。因此無人駕駛較之人工駕駛在安全性、可靠性上要高得多。

無人車技術(shù)運用廣泛，可應(yīng)用于軍用、民用、公交、消防或星球探測車輛或載體等的自動駕駛、輔助駕駛和遙控駕駛；無人車技術(shù)也廣泛應(yīng)用于危險、有毒、有害場合或人類難以到達場合的探測、觀察、處理、監(jiān)控、維護和排障；除此以外，無人車技術(shù)還在工廠、碼頭、倉庫、基地、機場的巡視和物料運輸?shù)确矫嬗兄匾膽?yīng)用。

本刊記者：我們知道，早在2003年，您就領(lǐng)導(dǎo)完成了達到國際先進水平的智能車THMR-V。為我們詳細介紹一下該成果？

何克忠：清華大學(xué)智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實室THMR課題組經(jīng)過多年的努力，在1995年研制成我國第一臺無人駕駛車THMR-III，見圖1；在2003年研制成功清華無人駕駛車THMR-V見圖2，該無人車THMR-V能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的車道線自動跟蹤，準結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的道路跟蹤，復(fù)雜環(huán)境下的道路避障、道路停障以及視覺臨場感遙控駕駛等功能。在車道線自動跟蹤研究中，實現(xiàn)了自動跟蹤，平均時速為每小時100公里，最高時速達到每小時150公里。駛出了全球極速。

本刊記者：在無人車THMR-V的研制過程中遇到了哪些關(guān)鍵技術(shù)，是如何解決的？

何克忠：在研制過程中，遇到關(guān)鍵技術(shù)有：道路和車道線的檢測技術(shù)；高速車體的控制技術(shù)；方向盤轉(zhuǎn)角的精密檢測與傳動技術(shù)；智能車的計算機體系結(jié)構(gòu)；工業(yè)級測量控制模板的開發(fā)；測控裝置的安全性、可靠性。

1.道路和車道線的檢測技術(shù)

針對道路識別和車道線的檢測技術(shù)，提出了基于擴充轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)的道路理解技術(shù)。這種技術(shù)大幅度降低了道路圖像處理和車道線識別的計算量，提高了車道線檢測的速度，保證了車道線檢測和道路環(huán)境理解的實時性，而且能夠有效避免路面上其它車道標志的干擾。實驗結(jié)果表明，在車道線跟蹤階段，全部計算過程的周期縮短到不足20毫秒，滿足了高速無人車自主行駛的實時性需求。

2.高速無人車的控制技術(shù)

對于高速車體的控制，采用了基于混合模糊邏輯的控制方法。該方法是把傳統(tǒng)的PID控制與模糊邏輯控制結(jié)合起來，提出了一種混合模糊邏輯控制算法，該算法具有很高的實時性、控制精度和魯棒性，滿足了智能車高速自主導(dǎo)航的需要。

3.方向盤轉(zhuǎn)角檢測與精密傳動技術(shù)

高速行駛的無人車，方向角有些微的偏差，無人車將會沖出車道線乃至沖離道路。對于方向盤轉(zhuǎn)角的檢測，選擇了精密的絕對光碼盤，并且設(shè)計了合適的傳動比，配置了精密的傳動機構(gòu)。

4.無人車的分層遞階的體系結(jié)構(gòu)

無人車是一個復(fù)雜、龐大的電子機電系統(tǒng)，包括多個車體控制系統(tǒng)，多種不同數(shù)量的傳感器和檢測裝置，多臺實現(xiàn)不同功能的電子計算機，要把如此復(fù)雜、龐大的系統(tǒng)中的各個部件有機、高效地組織起來，有條不紊地協(xié)調(diào)工作是無人車體系結(jié)構(gòu)要解決的關(guān)鍵技術(shù)。我們采用了分層遞階的體系結(jié)構(gòu)：智能級、協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級，它們都選用工業(yè)控制計算機，三級之間實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。

智能級是根據(jù)起始點位置、目標點位置和電子地圖進行全局路徑規(guī)劃，規(guī)劃出-條最佳的可通行的路徑。當(dāng)全局路徑發(fā)生變故，影響行進時，智能級將進行全局路徑的重規(guī)劃。兩種規(guī)劃的結(jié)果都發(fā)送給協(xié)調(diào)級。

協(xié)調(diào)級接受執(zhí)行級各個傳感器傳來的位置信息和車體的狀態(tài)信息，協(xié)調(diào)級對相應(yīng)的信息進行融合，建立車體的狀態(tài)模型和環(huán)境模型，并將部份信息，上傳給智能級供全局路徑規(guī)劃使用，協(xié)調(diào)級根據(jù)上述兩種模型和智能級送來的規(guī)劃路徑，進行局部路徑規(guī)劃，并據(jù)此進行軌跡規(guī)劃，向執(zhí)行級發(fā)出車體動作命令，如方向盤轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)向，油門的車速命令乃至剎車、檔位等命令。

執(zhí)行級包括車體（方向、油門、剎車、檔位、啟停等）控制系統(tǒng)；激光雷達測量系統(tǒng)；攝像機環(huán)境檢測系統(tǒng)；GPS、慣導(dǎo)等車體定位系統(tǒng)；磁羅盤-光碼盤位置、速度測量系統(tǒng)等。執(zhí)行級接受協(xié)調(diào)級發(fā)來的車體控制命令，控制車體動作；并向協(xié)調(diào)級發(fā)送各個傳感器采集到的車體狀態(tài)信息和車體的環(huán)境信息。

這種分層遞階的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了功能的分散，用多臺計算機實現(xiàn)各自不同的功能，避免了一臺計算機功能過多、過于集中帶來的風(fēng)險。另外從實時性、快速性，編程的簡便、安全、可靠方面也有很大的優(yōu)點。endprint

5.工業(yè)級測量控制模板的開發(fā)

無人車的工作環(huán)境十分惡劣，環(huán)境溫度范圍寬，振動幅度大，抗電磁干擾要求高。對于車體控制系統(tǒng)課題組先后開發(fā)了工業(yè)級STD總線、104總線、IPC總線和CAN總線等總線式測控模板，實現(xiàn)模擬量的輸入、輸出，開關(guān)量的輸入、輸出等功能。這些模板分別通過工業(yè)過程控制總線STD、104、IPC、CAN等與工業(yè)控制計算機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

本刊記者：當(dāng)下以及未來，無人車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有哪些挑戰(zhàn)？相比世界領(lǐng)先水平，我們還有哪些差距？

何克忠：為了讓中國無人車輛得到更好的發(fā)展，我們認為應(yīng)該在以下幾個方面繼續(xù)努力：

1.提高無人車的可靠性和安全性

無人車上路最重要的難題是可靠性和安全性，尤其包括無人車上的控制裝置如方向、油門、剎車等控制系統(tǒng)；攝像機、激光雷達、方向位置等檢測部件；供電系統(tǒng)和工控機的可靠性和安全性。

2.加速、加強無人車研制單位與汽車制造行業(yè)的結(jié)合

無人車輛的研究應(yīng)該盡早與汽車行業(yè)協(xié)作或結(jié)合，如車體控制裝置等從研制過程與汽車行業(yè)協(xié)作，以汽車要求的技術(shù)標準進行設(shè)計、調(diào)試、安裝，實現(xiàn)產(chǎn)品的標準化、系列化和批量化，以提高新增的無人車設(shè)備、裝置的可靠性。

3.加強無人車重要設(shè)備、裝置的研究，建立制造基地

眾所周知，對于無人車的工作溫度要求是十分苛刻的，從零下數(shù)十℃到零上數(shù)十℃，而常用的傳感器如攝像機、工控機等的工作溫度也就0℃-50℃，遠不能滿足可靠性要求，應(yīng)采用新技術(shù)、新方法、新材料加強對無人車使用的設(shè)備或裝置的研制和開發(fā)。

目前國內(nèi)使用的無人車傳感器，如激光雷達、微波雷達、攝像機、紅外傳感器等大部份是從國外進口，基本上沒有國產(chǎn)的高性能產(chǎn)品。國家應(yīng)該加大投入，加強基礎(chǔ)研究、加強原材料研究，建立較齊全的無人車用的傳感器生產(chǎn)基地。

4.加大對無人車技術(shù)研究的支持力度，加大經(jīng)費的投入

無人駕駛汽車的研究涉及機械、光學(xué)、電學(xué)、計算機、汽車技術(shù)等，是多種學(xué)科、多種技術(shù)的交叉和綜合，需要大量的人力、物力、財力的投入。雖然近年來國家加大了投入，但是與實際的需要、與國外經(jīng)費的投入相差很大，需要加大對無人車技術(shù)研究的支持力度，加大經(jīng)費的投入，以加快我國無人駕駛車輛技術(shù)的發(fā)展。endprint