智能駕駛汽車運動控制系統的設計

王本森　施衛

關鍵詞：智能駕駛；運動控制；障礙規避；最優路徑規劃

中圖分類號：TP301 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）08-0086-03

0 引言

隨著全球的進步，生活水平的提升同步著科學技術高速進步，智能駕駛在汽車的使用中備受駕駛者的青睞。其發展對于人們的出行方式具有極其便利的作用，同時未來的交通也趨向于智能化。諸多車企花費大量精力研制發展汽車智能化技術，也是推動社會進步的重要因素之一。智能汽車又稱無人駕駛汽車，是通過多傳感器融合、雷達測距、控制系統進行決策車輛的行駛動作，由行車系統實現無人駕駛。

智能駕駛汽車通過激光雷達測距、毫米波雷達測速測距，視覺傳達算法計算、GPS/BDS定位系統共同作用，使得車輛可以自主地根據道路狀況通過控制系統決策進行行駛。雖然目前的智能駕駛車輛對智能駕駛的控制已經有了很大起色，可以根據道路信號燈標識和路況車距進行自動駕駛[1]。但是這種現有的控制系統一般不能進行自主學習，無法對行駛過的道路進行有效的記錄，也無法保證在智能駕駛的控制中保持獲取最優與最新的道路情況信息，不能實現對汽車運動線路的精確以及最優的控制。本文闡述了一種智能駕駛汽車運動控制系統，對新的路況信息進行及時記錄。

該文研究的智能駕駛汽車運動控制系統，包括攝像頭探測單元、雷達探測單元、組成的信息錄入模塊，并且信息錄入模塊由自主錄入模塊與系統錄入模塊與其連接，信息錄入分別連接有交通信號燈單元、道路布局管控分類匯總單元；道路布局管控分類匯總單元由道路分類、道路布局、道路是否封禁組成。道路布局管控分類匯總單元和交通信號燈單元共同組成了信息存儲模塊。存儲模塊連接中心決策模塊中的分析模塊和規劃模塊，對錄入的存儲信息通過道路行人車輛單元、路標和通行單元規劃出最優路徑，來連接汽車駕駛模塊進行啟動橫向或縱向控制，連接互相作用來保證汽車的控制系統的完善。

1 系統總體設計

該文鑒于原有智能汽車智能駕駛控制系統上，設計一種用于智能駕駛汽車運動控制系統，該系統由信息錄入模塊、信息存儲模塊、中心決策模塊和行車處理模塊組成，如圖1所示。

1.1 系統模塊設計方案

1.1.1 信息錄入模塊

信息錄入模塊分為系統錄入模塊和人工錄入模塊。其中系統錄入模塊由激光雷達單元、毫米波雷達單元、攝像頭單元組成，用于對行駛路況信息進行探測收集。激光雷達對外發射激光對周圍掃射，當激光觸碰到周圍的物體以后，此時激光會折射回來由CMOS傳感器再次接收，然后測量出本車輛與周圍車輛的距離。毫米波雷達的功能常用于測量本車輛行駛的速度和與周圍物體的距離，并且具有良好的距離和速度分辨率；當車輛靠近前方的障礙物時，毫米波雷達系統可以檢測到反射回來的信號，并將這些信息發送給車輛的存儲決策系統。攝像頭是智能駕駛汽車的重要并且常用傳感器，功能是監控汽車內外環境以輔助駕駛員行駛[2]。該模塊對探測到的實時路況進行信息錄入，一些新的沒有錄入的道路情況、交通信號燈情況或者道路封禁情況通過系統錄入模塊進行智能化錄入。自主錄入模塊用于人工自主地對道路情況信息進行錄入，如圖2所示。

1.1.2 信息存儲模塊

信息存儲模塊用來接收信息錄入模塊的數據并將原收集信息、道路布局管控分類匯總單元、交通信號燈單元進行信息存儲。由信息錄入模塊對收集到的實時路況信息進行存儲并連接中心處理模塊來處理；道路布局管控分類匯總存儲單元記錄各條道路、交通信號燈、封禁道路信息以及各條道路的具體性質，對普通城市道路、快速路、高速公路進行分類記錄存儲，最好用的一點是對系統中沒有記錄過的路況進行重新存儲，以便下一步做中心決策處理。交通信號燈存儲單元將實時變化的狀態連接中心進行處理[3]，對行駛過的道路進行有效的記錄，從而保證在智能駕駛的控制中，始終可以保持獲取最優與最新的道路情況信息，并且將道路實時變更信息存儲在系統中。如圖3所示。

1.1.3 中心決策模塊

中心決策模塊是智能車輛運動控制系統的重要模塊，通過接收信息存儲單元存儲的數據，來進行分析計算，計算最優路徑和該車當前動作。中心決策模塊由系統分析模塊和規劃模塊組成控制整車系統，其動作是這樣的：信息存儲模塊里面存儲的數據會傳送給系統分析模塊，系統分析模塊會對傳來的數據進行計算和分析，分析的對象主要有交通信號燈路標單元、周圍的行人和車輛單元以及道路通行路徑單元，并將數據傳輸給系統和行車處理模塊。其中周圍的行人與車輛單元用于對行車周圍的人與其他車輛距離速度進行分析，道路通行單元對地圖中規劃的道路是否可行駛進行識別，道路路標單元用于對道路車道標志、路邊限速標志等進行識別，并且將以上所有分析數據傳輸給系統，由規劃模塊進行接收。規劃模塊接收到以上數據后會對車輛的動作進行實時規劃。主要動作有剎車、加速、更換車道、掉頭等來決定車輛的運動狀態，此時會把動作信息傳送給系統，由行車處理模塊實行。具體來講，中心決策模塊會對該車輛所有可能的動作過程進行分析計算，之后對所有可能的動作進行信息比較，選擇其中最安全的規劃來進行動作。并且根據規劃將多個基本動作進行組合，比如加速變換車道來完成超車、減速轉彎等。最后對行車節能、行車安全、路程效率、車內人員的舒適程度進行綜合量化對比來選擇一個最優路徑[4]。如圖4所示。

1.1.4 行車處理模塊

行車處理模塊主要作用于對車輛的實時運動的動作，連接的中心決策模塊時刻進行動作或預備動作。系統接收到中心決策模塊中規劃模塊傳來的最優路徑和緊急動作，同時也根據駕駛艙內駕駛員的按鍵指令來進行下一步運動控制。行車處理模塊主由橫向控制與縱向控制來實現包括緊急避讓單元、道路超車單元、自適應巡航控制單元、自動泊車單元和報警單元。緊急避讓單元主要作用于由規劃系統傳遞緊急信號的接收，對實時路況的緊急事件進行剎車減速或者緊急避讓。超車單元主要用來根據系統信號進行加速變道超車。自適應巡航單元基于定速巡航通過雷達、攝像頭等信息獲取設備經過中心處理模塊進行路況處理，如果行駛過程由于前車剎車或其他情況引起的與前車距離過小，自適應巡航單元會控制發動機或電機的轉速結合車輪防抱死ABS系統聯合根據實際情況進行車輛的制動，來保證行車安全。自動泊車的功能很普及也很實用，車輛可以根據駕駛員的按鍵需求進行實地搜索最近車位進行自動泊車，同時在此過程中車輛實時檢測周圍的信息來控制車速和轉向[5]。最后，如果發生緊急安全事故，報警單元會第一時間報警求救。如圖5所示。

1.2 智能汽車運動控制系統的實施方式

該文設計的智能駕駛汽車運動控制系統主要由以下模塊組成：

1） 通過攝像頭、激光雷達、毫米波雷達等感知模塊將實時的路況信息和系統中未錄入的道路路況信息進行信息錄入，也可以人工手動記錄路況以及標記道路信息傳送給信息存儲模塊。

2） 將錄入的信息進行記錄存儲，并且不斷地傳送給中心處理單元。對各個道路情況進行存儲記憶，對普通城市道路、快速路、高速公路進行分類確定。重要的一點是對行駛過的道路進行有效的記錄，從而保證在智能駕駛的控制中，始終可以獲取最優與最新的道路信息。

3） 對數據進行分析，包括行人避障、車輛避障、交通信號燈光避障。對路線進行實時分析，然后將數據傳輸到規劃模塊，規劃模塊接收到以上數據后對車輛的動作進行實時規劃[6]。

4） 將數據傳送到行車處理模塊，時刻進行動作或預備動作。行車處理模塊主由橫向控制與縱向控制來實現，包括緊急避讓單元、道路超車單元、自適應巡航控制單元、自動泊車單元。若行車時發生安全事件，報警系統第一時間進行報警。

1.3 智能汽車運動控制系統的工作原理

本文所設計的智能汽車運動控制系統的工作原理為：整個車輛的動作原理由信息錄入、存儲、處理、決策動作來完成。當車輛進行啟動時，組合雷達和攝像頭等信號錄入模塊用于對實時的路況信息進行錄入將其存儲。對汽車行駛過的道路進行有效的記錄，保證在智能駕駛的控制中，始終可以保持獲取實時路況信息的實時性和準確度。當實時行車路況信息傳輸到中心決策模塊時，系統分析模塊對數據進行計算和分析，分析的對象主要有交通信號燈路標、周圍的行人和車輛以及道路通行路徑、行車周圍的人與其他車輛距離速度，并且識別地圖中規劃的道路是否可行駛、道路車道標志、路邊限速標志等。規劃模塊接收到以上數據后會選擇一個最安全的道路，然后規劃車輛的動作。主要有剎車、加速、更換車道、掉頭等動作來決定車輛的運動狀態，此時會把動作信息傳送給系統由行車處理模塊實行。行車處理系統會根據規劃模塊的數據決定車輛的走向，行車處理模塊主要由橫向控制與縱向控制來實現智能駕駛汽車運動控制。

該系統設置有道路布局系統、交通信號燈系統與道路管控系統，從而保證可以獲取更為實時精準的道路布局、交通信號燈以及道路管控情況，并通過道路分類系統對普通城市道路、快速路以及高速路進行區分，對設置有交通信號燈的普通城市道路進行相應記錄，并將各條道路情況、交通信號燈情況與道路封禁情況向道路信息匯總系統進行集中的匯總處理，然后由路線規劃系統規劃最優的行進線路，控制汽車駕駛系統根據規劃線路行駛。同時本系統為一個共享系統，各個用戶的信息將會匯總，進一步提高道路信息的全面性與準確性，保證智能駕駛汽車運動控制的精確度。

系統設置攝像頭探測系統與雷達探測系統，向行車避障系統提供所探測的避障信息，由信息分析模塊對要素信息進行分析然后處理車輛的動作；對新的行駛路況進行提取，從而使得將之前系統沒有錄入的新探測的道路情況信息進行智能錄入，便于系統存儲實時最新的道路信息，并有效規劃線路同時對新的路況信息智能記錄。根據道路結構的不同，運動控制的實現程度不同，在高速、高架和有道路標識線的結構化道路上，智能汽車可以方便地識別到車道線、車距障礙物等信息，從而較簡單地識別出行駛車輛周圍其他車輛的運動信息。智能汽車的主要作用場景為有道路標識線的結構化道路，比如高速公路、國道、高架、城市道路場景。運動控制的核心動作是在車輛保持安全行駛的情況下進行緊急制動、超車變道等[7]。始終把道路交通安全放首位，在此條件下車輛進行運行決策和行車處理；其次要結合駕駛員的舒適程度、行車效率多種綜合因素下進行智能駕駛。

2 總結

與現有技術相比，本設計方案的有益效果是：通過攝像頭探測系統與雷達探測系統，獲得行車路況的障礙信息，由系統來處理決定汽車的動態走向。并且可以將之前系統沒有錄入的新探測的道路情況信息通過系統錄入模塊進行智能輸入系統，或人工將相關新的未知的道路情況信息進行錄入；以來解決原系統中在行駛的過程中不能對道路情況學習記憶的問題。本系統可以智能對道路情況進行記憶分類記錄處理并有效規劃線路，同時對新的實時路況智能記錄至系統解決了傳統的無記憶問題，提高了智能駕駛汽車運動控制的精確度和安全性。