◎周宇東

高速公路標(biāo)準(zhǔn)下的雷達(dá)無(wú)人駕駛研究

◎周宇東

對(duì)于技術(shù)高速發(fā)展的今天，無(wú)人駕駛作為一項(xiàng)被廣泛研發(fā)的技術(shù)，即將大規(guī)模進(jìn)入人們的生產(chǎn)生活。本文通過(guò)對(duì)高速路標(biāo)準(zhǔn)下無(wú)人駕駛的闡述，以及其配備的雷達(dá)傳感進(jìn)行研究，意在分析現(xiàn)階段存在的問(wèn)題，并提出若干問(wèn)題的解決思路和方法，對(duì)技術(shù)的進(jìn)一步研發(fā)提供參考性意見(jiàn)和建議。

高速路標(biāo)準(zhǔn)與行駛條件

高速路標(biāo)準(zhǔn)概述。無(wú)人駕駛車輛系統(tǒng)（Autonomous Vehicle system）是通過(guò)傳感器探測(cè)反饋周邊環(huán)境參數(shù)，經(jīng)處理后不僅控制車輛的加速、減速、前進(jìn)、后退等功能1，還能執(zhí)行感知環(huán)境、路線規(guī)劃、躲避障礙等高級(jí)功能，類似人類進(jìn)行車輛的駕駛。

高速公路的無(wú)人駕駛，建立在具有良好路況和交通標(biāo)識(shí)的路段。一方面，無(wú)人駕駛可以很好的解決人為操作的疲勞感、枯燥感等影響因素帶來(lái)的危險(xiǎn)失誤；另一方面，無(wú)人駕駛在高速路段的實(shí)現(xiàn)有很好的可操作性。

安全行駛條件計(jì)算。根據(jù)相應(yīng)的法律法規(guī)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足安全距離，即100km/h時(shí)速保持100m的安全距離，其他速度與此成正比。在雨雪等不良天氣下將距離提升到正常車距的1.5倍。以均勻加速度剎車計(jì)算，剎車距離在40到50m，機(jī)械結(jié)構(gòu)制動(dòng)系統(tǒng)和踏板反應(yīng)時(shí)間為0.5秒，因此無(wú)人駕駛總反應(yīng)時(shí)間必須在3秒內(nèi)。

而根據(jù)制動(dòng)過(guò)程的原理，如圖1-1：

無(wú)人駕駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

無(wú)人駕駛的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)人駕駛系統(tǒng)的智能水平依照它需要完成的功能決定，通常由以下這些指標(biāo)來(lái)衡量。無(wú)人駕駛車輛的智能水平評(píng)價(jià)指標(biāo)總結(jié)了一系列的無(wú)人駕駛功能，對(duì)此，基于高速路的環(huán)境，主要的評(píng)價(jià)因素為：遙控啟動(dòng)、遙控剎車、遙控停車、直道車道保持、限速、禁止逆行、車距保持、彎道車道保持、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、GPS導(dǎo)航、交通標(biāo)志識(shí)別、緊急制動(dòng)。

對(duì)于無(wú)人駕駛系統(tǒng)的雷達(dá)模塊，其直接影響的因素有：直、彎車道保持、車距保持、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、緊急制動(dòng)。

無(wú)人駕駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成。無(wú)人駕駛系統(tǒng)的組成系統(tǒng)構(gòu)架比較清晰，主要由環(huán)境感知部分和地理信息系統(tǒng)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行決策，再反饋到行車系統(tǒng)，執(zhí)行決策行為。

高速下無(wú)人駕駛的功能?；诂F(xiàn)行的駕駛需求、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及無(wú)人駕駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。高速下無(wú)人駕駛需要完成的功能主要有以下幾種：保持高速行駛，對(duì)于同向兩車道，左側(cè)車道最低100，右側(cè)車道最低60。同向三車道，最左側(cè)車道最低110，中間車道最低90，最右側(cè)車道最低60（單位km/h）；智能跟隨道路標(biāo)示線，直行或轉(zhuǎn)彎；保持車距，跟車行駛；合理超車，根據(jù)環(huán)境狀況，規(guī)劃路徑，超車行駛；緊急制動(dòng)，對(duì)于道路突發(fā)情況，保持平穩(wěn)駕駛下降低速度，靠邊停車或者直接急停避免事故。

雷達(dá)傳感器的功能和選擇

雷達(dá)傳感器的種類。無(wú)人駕駛中使用到的雷達(dá)通常以工作方式分類，分為二維激光雷達(dá)和三維激光雷達(dá)。

三維激光雷達(dá)。三維激光雷達(dá)是通過(guò)多個(gè)單線激光組成，能夠精確獲得周圍環(huán)境的三維信息，通過(guò)多組掃描線組合，每條掃描線有固定的俯仰角，一般通過(guò)旋轉(zhuǎn)掃描來(lái)獲取信息。

二維激光雷達(dá)。二維激光雷達(dá)通過(guò)多角度掃描檢測(cè)每個(gè)光束測(cè)量的距離，輔助三維雷達(dá)檢測(cè)無(wú)人駕駛車輛周圍可能存在的障礙物以及分布情況，檢測(cè)小區(qū)域可能存在的盲區(qū)。

傳感器的配合選擇。為完成無(wú)人駕駛功能的一些列復(fù)雜動(dòng)作，雷達(dá)傳感器之間是采取協(xié)同工作的方式，通過(guò)多個(gè)傳感器共同實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知?；旧蟼鞲衅鞯呐浜闲枰獫M足車輛的地理定位、周圍環(huán)境的掃描，以及輔助相機(jī)識(shí)別標(biāo)識(shí)來(lái)完成無(wú)人駕駛的傳感工作，如：Tartan Racing Team開(kāi)發(fā)的無(wú)人駕駛汽車BOSS，采用了11中類型的激光雷達(dá)，包括6個(gè)SICK LMS單線激光雷達(dá)、1個(gè)Velodyne64線三維激光雷達(dá)、2個(gè)ISF172雷達(dá)、2個(gè)IBEO激光雷達(dá)以及兩個(gè)輔助相機(jī)。

斯坦福大學(xué)和大眾汽車聯(lián)合開(kāi)發(fā)的Junior，配備了5個(gè)激光雷達(dá)，一個(gè)GPS/ INS7。

長(zhǎng)安大學(xué)設(shè)計(jì)的一款無(wú)人駕駛汽車，采用的是UXM-30LX-EW激光雷達(dá)、一個(gè)GPS以及兩個(gè)相機(jī)。

高速路無(wú)人駕駛存在的問(wèn)題

高速路下的突發(fā)問(wèn)題。再高速路行駛中，可能發(fā)生的最嚴(yán)重問(wèn)題在于路段出現(xiàn)非高速模式的行駛狀況，即出現(xiàn)突發(fā)問(wèn)題。突發(fā)問(wèn)題一般分為兩類，一類是需要改變行駛方式，如出現(xiàn)高速路段修路車輛靠單道行駛，或者前方車輛出現(xiàn)單道障礙的，需要變道行駛。二類是出現(xiàn)障礙必須緊急制動(dòng)，急?；蛘呖窟呁＼?。

對(duì)于第一類行車模式，依舊需要保持高速行駛，因此采用模擬駕駛員決策方案可以比較好的解決問(wèn)題。這種方式中，通過(guò)對(duì)駕駛員行為進(jìn)行解構(gòu)，分成基本動(dòng)作原型作為狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)集合，行為決策模塊通過(guò)上層的狀態(tài)機(jī)模擬場(chǎng)景條件，下層狀態(tài)機(jī)對(duì)決策擇優(yōu)，通過(guò)AHP熵權(quán)發(fā)配置環(huán)境權(quán)重，再用

關(guān)聯(lián)度TOPSIS對(duì)狀態(tài)進(jìn)行排序確定最優(yōu)的行駛方案9。解決此類問(wèn)題常用的方法還有遺傳算法等多種算法方式，在這里就不多贅述。

對(duì)于第二類行車模式，一般存在于特別緊急的情況下，需要充分考慮到安全性和智能性。安全性方面，要考慮到車內(nèi)外雙面的安全度，在避免碰撞的同時(shí)，需要考慮乘客的可接受度，另外這樣的行車模式可能不光存在于障礙物地形，還會(huì)因?yàn)檐囕v故障等原因?qū)е逻@種行車模式，因此引出智能性的要求，對(duì)于車輛不光需要完成周邊參數(shù)的控制，還要求對(duì)車體情況作出反應(yīng)，規(guī)劃出合理的停車方式并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的測(cè)控和微調(diào)。

對(duì)于高速路的突發(fā)問(wèn)題，應(yīng)該“智能規(guī)劃，迅速反應(yīng)”，達(dá)到具有迅速應(yīng)對(duì)多種意外情況的靈活度。

無(wú)人駕駛系統(tǒng)的問(wèn)題。無(wú)人駕駛系統(tǒng)主要的問(wèn)題在于傳感器的死角、優(yōu)先級(jí)的設(shè)計(jì)。

對(duì)于傳感器可能出現(xiàn)死角的問(wèn)題，因?yàn)楦咚俾范蔚穆窙r和行車狀況環(huán)境比較單一，不需要考慮復(fù)雜的行程方式，在高速路標(biāo)準(zhǔn)下此類問(wèn)題出現(xiàn)得很少。在高速路上傳感器無(wú)法傳達(dá)準(zhǔn)確信息可能是惡劣的氣候環(huán)境以及鳥(niǎo)類、昆蟲(chóng)或漂浮物遮擋傳感器。對(duì)此可以采用自動(dòng)執(zhí)行最低速行駛的方案降低行車過(guò)程中的危險(xiǎn)系數(shù)。

事件優(yōu)先級(jí)的設(shè)定上，采取很多種事件優(yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)，并通過(guò)遺傳算法對(duì)事件競(jìng)爭(zhēng)獲取最合理路徑，除此之外在無(wú)人駕駛系統(tǒng)的控制軟件中，可以集成錯(cuò)誤恢復(fù)等級(jí)，避免因?yàn)楣潭▋?yōu)先級(jí)刻板地處理問(wèn)題可能產(chǎn)生的麻煩。

對(duì)于無(wú)人駕駛系統(tǒng)的問(wèn)題，應(yīng)采取“頂層設(shè)計(jì)，多重保險(xiǎn)”的方式，務(wù)必做到安全駕駛、平穩(wěn)出行。

總的來(lái)說(shuō)，高速公路標(biāo)準(zhǔn)下的無(wú)人駕駛在無(wú)人駕駛的領(lǐng)域中屬于比較輕松的一種駕駛模式，在高速公路環(huán)境下的道路標(biāo)識(shí)清晰，行車環(huán)境較其他環(huán)境并不復(fù)雜，主要是在速度控制和安全性設(shè)計(jì)上需要著重考慮。

本文通過(guò)對(duì)高速標(biāo)準(zhǔn)的分析，計(jì)算了影響行車制動(dòng)時(shí)間的關(guān)鍵因素，概述了無(wú)人駕駛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能以及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)常用的雷達(dá)傳感器模塊選擇傳感器搭配方式。提出高速路無(wú)人駕駛的主要問(wèn)題，分析了基于突發(fā)狀況下的行車模式處理方式以及無(wú)人駕駛自身可能存在的問(wèn)題及解決方式，提供“頂層設(shè)計(jì)，多重保險(xiǎn)，智能規(guī)劃，迅速反應(yīng)”的設(shè)計(jì)思路。相信在各研究單位的努力下，能將相關(guān)技術(shù)更多的應(yīng)用的實(shí)際場(chǎng)合中，提高行車安全，達(dá)到智能出行。

（作者單位：中國(guó)人民解放軍空軍預(yù)警學(xué)院( 武漢 ) ）