從無人駕駛系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，看智能汽車何時安全落地？

          1.無人駕駛汽車的政策法規(guī)尚未完善

          目前，無人駕駛汽車普及應用的最大挑戰(zhàn)是大眾對其接受度較低，對其安全性、可靠性的信任度較低。但因國家對無人駕駛汽車的政策法規(guī)尚未完善，無人駕駛汽車還不能在公開道路上行駛。

          鑒于以上兩點，國創(chuàng)中心主導，整合行業(yè)資源共同打造了一款 L4 的無人駕駛汽車，目前已經(jīng)在首鋼園區(qū)內(nèi)穩(wěn)定運行。系統(tǒng)總體方案如圖 1 所示。

          2.無人駕駛系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

          無人駕駛系統(tǒng)是通過多種車載傳感器獲取車輛自身、周圍障礙物及道路等與駕駛?cè)蝿障嚓P的環(huán)境信息，并將這些信息提供給決策規(guī)劃，決策規(guī)劃再根據(jù)感知和定位獲取的環(huán)境信息、車輛狀態(tài)和用戶需求，規(guī)劃出合適的路徑，然后通過這些信息來控制自車的行駛狀態(tài)。

          不同的自動駕駛級別和運營環(huán)境，自動駕駛的實現(xiàn)方案也不同。本項目針對首鋼園區(qū)建筑物高大、樹木繁茂較多、路況復雜的特點，提出了基于 3 個激光雷達、1 個毫米波雷達、2 個攝像頭、12 個超聲波雷達和 1 套組合導航單元的傳感器解決方案。傳感器安裝位置如圖 2 所示。

          2.1　傳感器

          3 個激光雷達中的 32 線激光雷達布置于車輛頂部，2 枚 16 線激光雷達布置于車輛頂部兩側(cè)。用于檢測車輛周圍的環(huán)境信息和障礙物信息，獲取障礙物的尺寸和方位信息。具有測距精度高，方位準確，測量范圍廣、抗干擾能力強等優(yōu)點。

          毫米波雷達采用 77GHz 中長距雷達，布置在車輛前保險杠內(nèi)側(cè)。用于檢測車輛前方的運動目標，獲取目標的速度和方位信息。具有較好的測速測距能力，且受外界影響較小，可以全天候工作。

          主攝像頭布置于車輛頂部，前視覺攝像頭粘貼于擋風玻璃內(nèi)側(cè)中部，用于檢測車輛前方障礙物信息、道路信息、標識牌信息和交通燈信息，獲取障礙物的類型和道路環(huán)境信息。具有對障礙物分類準確的優(yōu)點。

          12 枚超聲波雷達布置在車輛四周（前后 4+4，左右 2+2），用于檢測車輛周圍近距離障礙物信息，確保無人駕駛車輛可以自主出入庫。

          2 個 GPS 天線布置在車輛頂部，1 個慣性導航單元布置于車輛后備箱內(nèi)。用于獲取車輛的位姿和定位信息。

          2.2　無人駕駛系統(tǒng)軟件架構(gòu)

           本項目以純電動汽車為平臺，搭載上述 5 種傳感器，實現(xiàn)道路環(huán)境信息準確感知，并通過多傳感器信息融合技術(shù)將這些信息進行集成，降低誤判概率，提高信息輸出的穩(wěn)定性和準確性。

          設計開發(fā)了多傳感器融合算法、定位組合算法、決策規(guī)劃算法和車輛控制算法，實現(xiàn)了開放園區(qū)和封閉園區(qū)道路上的自主跟車、自主超車與并線、車道保持、交通路口自動通行、障礙物規(guī)避等功能，編寫了無人駕駛測試用例，制定了無人駕駛測試規(guī)范，完成了無人駕駛系統(tǒng)的測試。

          為了達成該目的，將無人駕駛系統(tǒng)軟件架構(gòu)分為傳感器接口層、感知層、定位層、決策層和車輛控制層。

          傳感器接口層包括各種外圍傳感器的輸入。感知層收集各種傳感器的數(shù)據(jù)，進行多層次、多空間的信息互補和優(yōu)化組合處理，最終實現(xiàn)對周圍環(huán)境的全方位感知。多傳感器融合方案如圖 3 所示。

          定位層：根據(jù)激光雷達和組合導航單元的數(shù)據(jù)信息構(gòu)建出全局地圖。激光雷達、攝像頭、毫米波雷達、超聲波雷達的感知結(jié)果融合處理后建立以行駛車輛為中心的感知局部地圖。并通過 GPS 信息、車輛位置和姿態(tài)信息的疊加。提供一種直觀了解行車環(huán)境各種信息處理結(jié)果的實時綜合地圖。

          決策層：在全局環(huán)境中，依靠路網(wǎng)、任務和定位信息生成一條最優(yōu)全局路徑；在局部環(huán)境中，依靠感知信息并在交通規(guī)則的約束下，實時推理出合理的駕駛行為，并生成安全可行駛的區(qū)域；

          根據(jù)車速、道路復雜度生成平滑的可能行駛路線；分析靜態(tài)、動態(tài)障礙物和交通規(guī)程形成局部路徑規(guī)劃，并形成駕駛策略決策發(fā)送至車輛控制層。同時對系統(tǒng)故障進行處理和恢復并接受高層控制等。

          車輛控制層：根據(jù)路徑規(guī)劃結(jié)果和車輛內(nèi)部的各種傳感器信息，生成對車輛檔位、油門、方向的控制命令，保持車輛平穩(wěn)高速行駛，實現(xiàn)自主駕駛。

軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖 4 所示。

         3.人 - 車 - 云三位一體的人機交互系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

          人機交互系統(tǒng)是無人駕駛汽車投入商用的一道門檻，它對于無人駕駛汽車產(chǎn)業(yè)和用戶來說都具有重要意義 [2]。目前用戶對無人駕駛汽車仍處于新奇和懷疑的態(tài)度，還遠遠無法達到信任和接受的程度。在這樣的背景下，無人駕駛汽車的人機界面就變得更為重要。

          它需要成為用戶與汽車之間溝通的橋梁，讓用戶了解汽車的實時狀況，為用戶創(chuàng)造安全的駕駛體驗；也需要幫助用戶建立起與無人駕駛汽車之間的信任感，使用戶更加和諧的從傳統(tǒng)汽車過渡到無人駕駛時代 [3]。

          本項目人機交互子系統(tǒng)的研究目標正是通過對無人駕駛汽車人機交互界面的合理設計，滿足用戶的駕乘需求，為用戶創(chuàng)造出安全便捷的駕乘體驗。

          3.1　功能概述

           無人駕駛車輛運行在園區(qū)內(nèi)固定的行駛路線上，沿線會設置一系列的站點，每個站點的站牌上貼有約車二維碼，位于任一站點附近的乘客可通過掃描站牌上的二維碼進入約車界面，選擇起始地和目的地，點擊確定后即下單成功。

           訂單直接發(fā)送到云端，云端根據(jù)訂單情況對正在運營的無人駕駛車輛進行調(diào)度，同時發(fā)送訂單的運營路線到手機端和車載端，無人駕駛車按照接收到的運營路線去起始地接乘客，并送達指定的目的地，用戶可根據(jù)駕乘體驗對服務進行評價，至此訂單完成。

          3.2　系統(tǒng)設計

           此系統(tǒng)采用 B/S，C/S 多層架構(gòu)，支持多種網(wǎng)絡接入方式用戶端采用瀏覽器， H5 和 APP 的方式，減少系統(tǒng)安裝維護的工作量；用戶使用簡單，無需培訓；系統(tǒng)擴展容易；支持遠程業(yè)務處理。業(yè)務邏輯在服務器端運行，充分利用了服務器的處理能力；

          通過結(jié)合 Web 負載均衡、組件負載均衡等，可以通過橫向擴充服務器，使得系統(tǒng)能夠處理更多的服務請求，滿足不斷增長的系統(tǒng)性能需求。人機交互子系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)圖如圖 5 所示，系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)如圖 6 所示。

          4.設計流程構(gòu)建

          立足于以用戶為中心的設計思想，將無人駕駛汽車的信息盡量透明化，幫助用戶輕松判斷汽車的可靠性，從而建立起對汽車的任感，促進大眾對無人駕駛汽車的接受度，促進無人駕駛汽車走入人們生活。設計流程如圖 7 所示。

          結(jié)語

          隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，完全無人駕駛已不是遙不可及。無人駕駛技術(shù)的落地除卻傳感器、計算平臺等技術(shù)本身的局限性外，也有賴于大眾對無人駕駛技術(shù)的認可和信任度。

          本文從推動無人駕駛落地的角度出發(fā)，采用以用戶為中心的設計理念，借助科技冬奧的使用場景，設計與實現(xiàn)了無人駕駛及其運營系統(tǒng)。該系統(tǒng)已經(jīng)在北京市首鋼園區(qū)內(nèi)穩(wěn)定運營了 5 個月之久，受到了大眾的廣泛好評。

          未來隨著智能網(wǎng)聯(lián)時代的全面到來，無人駕駛汽車將覆蓋更多人群，其實現(xiàn)方式也從單車智能發(fā)展為車路協(xié)同，人機交互方式將不斷創(chuàng)新，落地場景將更加豐富。