劉玥

（青島西海岸第一高級(jí)中學(xué)，山東青島，266000）

0 引言

汽車(chē)為我們的生活帶來(lái)了便利，同樣也造成了交通擁堵、安全隱患等多重問(wèn)題。隨著信息化進(jìn)程加快，大數(shù)據(jù)飛速發(fā)展，將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用在汽車(chē)中成為現(xiàn)階段研究的必要趨勢(shì)和前沿發(fā)展方向。無(wú)人駕駛汽車(chē)的出現(xiàn)可以為解決這些問(wèn)題提供大的幫助。無(wú)人駕駛汽車(chē)的探測(cè)裝置—障礙物信息識(shí)別和處理系統(tǒng)可以自動(dòng)探測(cè)靠近車(chē)身的行人、車(chē)輛或周?chē)渌恼系K物，采取自動(dòng)應(yīng)急措施應(yīng)對(duì)碰到撞車(chē)危險(xiǎn)的情況來(lái)避免損失。正因如此，無(wú)人駕駛汽車(chē)的問(wèn)世能將駕駛員的因素排除掉，降低交通事故的發(fā)生，大大提高交通安全性。

1 無(wú)人駕駛汽車(chē)的發(fā)展歷程

無(wú)人駕駛汽車(chē)的發(fā)展大致可以分為、創(chuàng)意構(gòu)想階段、初步試驗(yàn)階段和融入計(jì)算機(jī)技術(shù)階段三個(gè)部分。

■1.1 創(chuàng)意構(gòu)想階段（20世紀(jì)30年代—50年代）

無(wú)人駕駛汽車(chē)從無(wú)到有必然有一個(gè)過(guò)程。1925年，美國(guó)首次亮相了一輛用無(wú)線(xiàn)電波操控的貌似無(wú)人駕駛的汽車(chē)，但駕馭方式不安全也不完美。1939年一位美國(guó)的工程設(shè)計(jì)師聯(lián)手通用汽車(chē)發(fā)表了對(duì)未來(lái)城市交通的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。在他們的設(shè)計(jì)中提到了未來(lái)美國(guó)所有車(chē)輛都為無(wú)線(xiàn)電控制的電動(dòng)車(chē)，卻可以自動(dòng)規(guī)劃路線(xiàn)和速度，就相當(dāng)于自動(dòng)駕駛。1953年，美國(guó)科幻小說(shuō)家Isaac Asimov在短篇小說(shuō)《Sally》描寫(xiě)了在2057年，有“大腦”的自動(dòng)駕駛汽車(chē)和主人發(fā)生的故事。這被大部分人認(rèn)為是人類(lèi)無(wú)人駕駛概念的開(kāi)始。

■1.2 初步試驗(yàn)階段（20世紀(jì)50年代—70年代）

上世紀(jì)50年代早期，美國(guó)無(wú)線(xiàn)電公司在實(shí)驗(yàn)室中研發(fā)一種全新概念的技術(shù)，就是利用鋪設(shè)在地面上的電線(xiàn)進(jìn)行車(chē)輛行駛方位指引和車(chē)速的控制，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛。1956年，通用公司正式展出了Firebird II概念車(chē)，這是世界上第一輛配備了自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)和汽車(chē)安全的像火箭頭一樣的概念車(chē)。1958年，這個(gè)公司進(jìn)行了無(wú)人駕駛實(shí)車(chē)的成功驗(yàn)證。

■1.3 融入計(jì)算機(jī)技術(shù)階段（20世紀(jì)70年代—21世紀(jì)）

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始研究無(wú)人駕駛汽車(chē)，增加了無(wú)人駕駛汽車(chē)的功能，提高了汽車(chē)的安全性。如1966美國(guó)斯坦福大學(xué)AIC研發(fā)出了名叫Shakey的自動(dòng)導(dǎo)航儀器；1987年德國(guó)奔馳與慕尼黑聯(lián)邦國(guó)防軍大學(xué)一起推出的可以獨(dú)自在實(shí)際街道上自動(dòng)駕駛的汽車(chē)VaMoRs等等。我國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始對(duì)無(wú)人駕駛汽車(chē)進(jìn)行研究。1992年，國(guó)防科技大學(xué)成功研發(fā)出了中國(guó)的最先真正意義上的無(wú)人駕駛汽車(chē)[1]。2005年，中國(guó)第一輛城市無(wú)人駕駛汽車(chē)在上海交大成功研發(fā)。2011年7月，紅旗HQ3在長(zhǎng)沙至武漢完成了首次286公里的高速無(wú)人駕駛測(cè)試。201 7年8月29日，百度和江淮汽車(chē)首次公布了關(guān)于自動(dòng)駕駛量產(chǎn)的合作計(jì)劃，自百度發(fā)布Apollo開(kāi)放平臺(tái)以來(lái)，這也成為首批自動(dòng)駕駛車(chē)輛落地的里程碑[2]。

2 無(wú)人駕駛汽車(chē)障礙物識(shí)別技術(shù)分析

無(wú)人駕駛汽車(chē)是智能汽車(chē)的一種。這種智能汽車(chē)也稱(chēng)為輪式移動(dòng)機(jī)器人，主要憑借的是車(chē)內(nèi)的以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為主的智能駕駛儀器來(lái)達(dá)到無(wú)人駕駛的目標(biāo)。無(wú)人駕駛汽車(chē)中擁有精確的定位與導(dǎo)航系統(tǒng)、用于觀(guān)察前方的前置視覺(jué)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和環(huán)視系統(tǒng)等。障礙物識(shí)別及處理是無(wú)人駕駛汽車(chē)系統(tǒng)中非常重要的核心技術(shù)[3]。障礙物識(shí)別系統(tǒng)包括了捕獲圖像信息、信息預(yù)處理、道路檢測(cè)、障礙物識(shí)別、傳感器輸出值計(jì)算、以及自動(dòng)調(diào)整控制等模塊，如圖1所示。

■2.1 捕獲圖像信息

主要通過(guò)視覺(jué)傳感器為汽車(chē)提供有關(guān)其周?chē)馔馐录募磿r(shí)信息。視覺(jué)傳感器是攝像頭圖像處理傳感技術(shù)?？梢杂糜陬A(yù)防碰撞和偏離。當(dāng)將發(fā)生碰撞或汽車(chē)偏離時(shí)這種傳感器便會(huì)發(fā)出預(yù)警。以色列的Mobileye是比較知名的視覺(jué)傳感器之一。

■2.2 圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理是指將輸入圖像通過(guò)去噪、二值化等方法降低圖像維度，分割成不同的模塊進(jìn)行識(shí)別，初步查看障礙物特征,增強(qiáng)障礙物的特征提取、匹配和識(shí)別的可靠性。二值化可以把灰度圖像轉(zhuǎn)換成灰度等級(jí)只有兩級(jí)的二值圖像，從而簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)對(duì)不同障礙物特征的提取難度。去噪是指減少提取圖像時(shí)外部噪聲或設(shè)備的噪聲影響。

圖1

■2.3 道路檢測(cè)

無(wú)人駕駛汽車(chē)為了確定自己的行駛車(chē)道是否正確，會(huì)利用Hough變換和最小二乘算法對(duì)檢測(cè)車(chē)道邊界線(xiàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防止走偏和影響障礙物識(shí)別。 Hough變換是圖像處理中從圖像中識(shí)別幾何形狀的基本方法之一。Hough變換的基本原理在于利用點(diǎn)與線(xiàn)的對(duì)偶性，將原始圖像空間的給定的曲線(xiàn)通過(guò)曲線(xiàn)表達(dá)形式變?yōu)閰?shù)空間的一個(gè)點(diǎn)。這樣就把原始圖像中給定曲線(xiàn)的檢測(cè)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為尋找參數(shù)空間中的峰值問(wèn)題，也即把檢測(cè)整體特性轉(zhuǎn)化為檢測(cè)局部特性。而最小二乘法是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)，它通過(guò)最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。最小二乘法可用于曲線(xiàn)擬合。

■2.4 障礙物的識(shí)別

無(wú)人駕駛汽車(chē)對(duì)于圖像的障礙物檢測(cè)一般有三種方法：基于先驗(yàn)知識(shí)、立體視覺(jué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)的檢測(cè)方法。第一種方法的原理是利用已有的先驗(yàn)知識(shí)例如障礙物的顏色、紋理、邊緣等，處理圖像，之后進(jìn)行匹配，快速識(shí)別障礙物。利用馬路邊緣特征提取信息或用顏色信息，追蹤道路。第二種方法又包括雙目和三目立體視覺(jué)障礙物檢測(cè)方法。用攝像機(jī)分別從兩個(gè)、三個(gè)視點(diǎn)觀(guān)察同一事物，再將通過(guò)不同視角圖像計(jì)算，從而識(shí)別位置和問(wèn)題。基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的檢測(cè)方法最大的特點(diǎn)在于可以更精準(zhǔn)地測(cè)量動(dòng)態(tài)障礙物。

■2.5 計(jì)算車(chē)輛與障礙物間的距離

可以利用超聲波、激光、毫米波傳感器等計(jì)算車(chē)輛和障礙物之間的距離。這些傳感器根據(jù)主波、回波信號(hào)之間的間隔，發(fā)出位置到被測(cè)物之間的往返時(shí)間就能算出待測(cè)物的距離。比如，通過(guò)超聲波發(fā)射器不斷發(fā)出一系列連續(xù)的脈沖，給測(cè)量邏輯電路提供一個(gè)短脈沖。超聲波接收器在接收到遇障礙物反射回來(lái)的反射波后，也向測(cè)量邏輯電路提供一個(gè)短脈沖，再利用上述兩個(gè)短脈沖測(cè)得時(shí)間間隔t，從而求出汽車(chē)與障礙物之間的距離s=vt/2，其中v為超聲波速度。

3 無(wú)人駕駛汽車(chē)的問(wèn)題及發(fā)展前景分析

無(wú)人駕駛汽車(chē)是現(xiàn)階段正在研究的前沿科技產(chǎn)品，尚不完善，仍有許多需要提高的方面。2016年，一位特斯拉Model S的車(chē)主啟動(dòng)了自動(dòng)駕駛輔助系統(tǒng)，在一場(chǎng)車(chē)禍中死身亡。2018年3月，一名來(lái)自美國(guó)亞利桑那州的婦女被一輛優(yōu)步自動(dòng)駕駛汽車(chē)撞傷后身亡。這兩起事故根本原因都是由于無(wú)人駕駛汽車(chē)障礙物信息識(shí)別和處理系統(tǒng)不成熟以至于汽車(chē)沒(méi)有準(zhǔn)確識(shí)別出前方的障礙物。無(wú)人駕駛的研究有很重要的意義[4]，將成為緩解交通擁堵，促進(jìn)智能出行的重要手段，還能將其中的技術(shù)成果遷移運(yùn)用至機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等。

無(wú)人駕駛汽車(chē)作為新時(shí)代高科技的產(chǎn)物擁有很廣的前景。我國(guó)的無(wú)人駕駛汽車(chē)的起步較晚但是技術(shù)更新發(fā)展較快。據(jù)研究表明，到2020年，無(wú)人駕駛汽車(chē)將通過(guò)自身的雷達(dá)系統(tǒng)檢測(cè)來(lái)避免其他車(chē)輛過(guò)近，司機(jī)無(wú)需擔(dān)心汽車(chē)追尾。到2030年，半自動(dòng)駕駛技術(shù)將大規(guī)模應(yīng)用，汽車(chē)將自動(dòng)設(shè)定路線(xiàn)和車(chē)速，在更復(fù)雜的道路條件下輔助行駛。由此可見(jiàn)無(wú)人駕駛汽車(chē)的發(fā)展前景廣大。無(wú)人駕駛汽車(chē)將朝著如下幾個(gè)方向持續(xù)發(fā)展[5]：（1）進(jìn)一步增加探測(cè)的距離和提高探測(cè)的精準(zhǔn)度，從而達(dá)到無(wú)人駕駛汽車(chē)的高速行駛；（2）將與自動(dòng)駕駛儀組成一個(gè)反饋系統(tǒng)，幫助駕駛者做出正確判斷，如進(jìn)行主動(dòng)避讓?zhuān)瑴p少人為失誤；（3）可以便捷地在傳統(tǒng)汽車(chē)上安裝智能系統(tǒng)，不用將汽車(chē)全換新就能使用，于是能降低成本和售價(jià)。

4 結(jié)語(yǔ)

在無(wú)人駕駛汽車(chē)漸漸普及后，它將會(huì)給我們的生活帶來(lái)更多的便利和安全。本文對(duì)無(wú)人駕駛汽車(chē)的發(fā)展、障礙物識(shí)別和處理系統(tǒng)、出現(xiàn)的問(wèn)題和分析、我國(guó)的發(fā)展前景做了初步的介紹和展望。相信通過(guò)人們的努力、不斷創(chuàng)新，在未來(lái)無(wú)人駕駛汽車(chē)將會(huì)得到不斷完善和普及。在中國(guó)人民的不斷奮斗拼搏下，我國(guó)的無(wú)人駕駛汽車(chē)技術(shù)也將不斷趕超世界尖端水平，助力我國(guó)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。