智能汽車關鍵技術及應用分析

解夢秋

摘 要：隨著汽車工業的發展，智能化技術在車輛上應用越來越廣泛，使得汽車越來越智能化，安全性、舒適性大大提高。智能汽車的發展已經由L0級完全人工駕駛逐漸向L5級無人駕駛方向發展。本文結合智能汽車行業及企業的發展就智能汽車中的關鍵技術及應用進行了詳細分析，探討了智能汽車發展的方向。

關鍵詞：智能汽車 關鍵技術 應用

Analysis of Key Technologies and Applications of Intelligent Vehicles

Xie Mengqiu

Abstract：With the development of automobile industry and the application of intelligent technology in vehicle， the automobile becomes more and more intelligent， and its safety and comfort are greatly improved. With the continuous development of intelligent key technologies on the vehicle， the development of intelligent vehicle has been gradually developed from L 0-class fully artificial driving to the direction L 5-class of unmanned driving.? Based on the development of intelligent vehicle industry and enterprises， the key technologies and applications of intelligent vehicle are analyzed in detail， and the development direction of intelligent vehicle is discussed， and the direction of the development of intelligent vehicles is discussed.

Key words：intelligent vehicle， key technologies， applications

1 引言

無論是傳統的燃油汽車還是新能源汽車，智能化技術在車輛上的應用越來越廣泛，極大地提高了駕駛人員駕駛的安全性、舒適性，使得汽車越來越智能化。隨著人工視覺、生物識別、自然語言理解、深度學習等人工智能關鍵技術取得突破，開始在汽車工業深度應用，“智能化”已成為汽車工業技術升級的重要方向。

同時隨著我國網絡技術的發展，網絡通信技術越來越多地融入到車輛，車輛可以與外界進行通信，比如與道路上其他車輛，與道路設施、與行人、與計算機云系統進行信息交換、共享，具備更復雜環境的感知、智能決策、協同控制等功能，可實現安全、高效、舒適、節能行駛，并最終實現無人駕駛的新一代智能汽車。

本文將就智能車輛的關鍵技術：環境感知技術、線控執行技術、高精度定位技術、通信技術、人工智能技術等進行詳細分析。

2 汽車智能化關鍵技術

2.1 環境感知技術

智能汽車環境感知技術是利用傳感器對車輛周圍環境進行感知、對行駛路徑進行識別、對駕駛員的駕駛狀態和駕駛環境進行檢測。目前已應用的感知方法有利用超聲波傳感器、毫米波雷達、激光雷達及攝像頭進行感知或多種傳感器融合等。

相機與人眼一樣可以分辨障礙物外觀信息，分辨力高，但易受外界環境影響，比如光線、雨霧天成像較差，易出現誤判；激光雷達探測距離遠、探測精度高且具備測距、繪圖兩大功能，還原三維特征，具備車輛自動駕駛功能所需要的多種要求。但由于價格昂貴，極端天氣檢測效果差等特點，選擇激光雷達方案的車企還在少數；毫米波雷達不適于檢測靜止的目標，但毫米波雷達最大的優勢是可以全天候工作，極端天氣和惡劣的駕駛環境（如夜晚，霧天等）不影響其正常工作，但是其分辨率低，不能識別物體的種類；超聲波雷達價格便宜，但檢測距離近，且受溫度影響較大，主要用于盲區監測，倒車檢測。

智能汽車所在的駕駛環境不同于其他人工智能機器所處的工作環境，具有高速、復雜的特點，基于以上對各種傳感器的分析，不同傳感器的工作原理和采集的數據各不相同，對不同的駕駛環境的適應性也各不相同，各種主流的車載傳感器有各自的優勢與劣勢，這使得單一傳感器很難滿足無人駕駛車輛的感知需求?；诙鄠鞲衅魅诤系臋z測方式能結合各種傳感器的優勢，打破單一傳感器固有的局限，為智能汽車后續的決策規劃和車輛控制提供更可靠的信息，提高智能汽車的安全性。比如：若將相機和毫米波雷達兩者進行傳感器融合，將會得到高分辨率、全天候的外界環境信息?；诙鄠鞲衅魅诤系闹悄芷嚩嗄繕藱z測技術也成為當下的熱門研究方向。

小鵬P5車上采用雙激光雷達，覆蓋前方橫向150°視野，最遠探測距離達150m，具備天然感知環境三維信息的能力，測距精度厘米級，空間分辨率更高感知不受環境光影響，動態、靜態物體識別能力全面提升，有效應對進出隧道、近距離加塞、道路施工等場景。32個感知傳感器數量同級最多，融合視覺、雷達、高精度定位單元與高級駕駛輔助地圖進行環境感知。感知能力更強，更適合中國復雜路況。

除此之外，與現有的攝像頭視頻識別，毫米波雷達、激光雷達類似，v2x技術使得系統可以獲得其他車輛、行人運動狀態的另一種信息交互手段，并且不容易受到天氣、障礙物以及距離等因素的影響。v2x有助于為自動駕駛產業化發展構建一個車路人云協同的綜合服務體系。

2.2 汽車定位技術

汽車定位技術是汽車智能化的關鍵技術。目前智能汽車主要通過全球導航衛星系統定位技術、慣性導航技術、毫米波雷達、激光雷達、攝像頭來開展運動定位。全球導航衛星系統定位技術是一種基于衛星基礎設施的，具有全球覆蓋范圍的無線電定位技術。 當前，投入運作的GNSS主要包括美國的全球定位系統GPS、俄羅斯的格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）、歐洲的伽利略系統（GALILEO）和我國的北斗系統（BDS）。美國開放GPS民用導航誤差精度為十米量級。而汽車無人駕駛情況很復雜，尤其是市區路段，行人、非機動車密度太高，要保證安全駕駛，定位精度要求在米甚至厘米級別。這個精度等級幾乎達到軍用級，GPS顯然不可能開放如此高精度定位。并且當GPS信號被遮擋、受外界大氣層氣流等的影響時會導致車輛定位不準確、定位位置更新頻率慢等諸多出現的問題。 而我國的北斗系統可對無人駕駛開放高精度定位，充分保證高速、市區工況下無人駕駛的安全。其次最常用的就是慣性導航定位設備，在工作時不需要通過外界定位，不受外部環境因素干擾，在一定的時間內，可以以較高精度提供智能汽車的實時位置、姿態信息等相關數據信息。但是，隨著工作時間的延長，慣性導航定位方式的誤差會越來越大。而高精度慣性導航系統成本高?？梢奊PS定位和慣性導航單一定位都不能完全滿足車輛的定位需求。

毫米波雷達用于車輛定位，探測距離較遠，但探測角度范圍較小，必須要安裝多個雷達才可以實現對車輛周圍全面的探測，成本也隨之提高；激光雷達定位在雨雪、大霧、積水等惡劣條件下，檢測精度將大幅下降，同時部件易磨損，相應維護成本也投入較大；攝像頭定位對于光線比較敏感，在強光或黑夜條件下無法有效識別文字、顏色和圖案信息，成本低但精度一般。

可以看出，不同定位方式各有優劣，智能網聯汽車在實際應用中，一般采用多傳感器融合的定位，既做到優勢互補，也提高了穩定性，增強了定位精度。 L4無人車運營商常用的定位方案中多使用多線束的激光雷達和高精度的GPS/IMU。雖然這些高精密的傳感器能夠提供豐富的信息，但成本十分高昂，并且也無法滿足車規的要求。 那么將慣性導航系統和激光雷達、攝像頭等車載局部環境感知系統融合后，可以獲取車輛與環境的高精度位置關系。在車輛行駛過程的側傾、俯仰、橫擺等運動情況下，慣性導航系統為車載傳感器提供車輛的空間位置和姿態，用于修正傳感器對環境的檢測，建立更加準確的環境感知。禾多科技研發了面向量產的多傳感器融合定位技術，采用了全車規級的低成本傳感器，如GNSS、相機、低成本車規級IMU、輪速計等，以滿足量產的需求。

另一種實現高精度定位的方法是采用高精度地圖。高精度地圖相較于普通地圖來說，分辨率更高，可達厘米級。但由于高精度地圖在制作過程中需要特別專業的感知、測繪設備，因此還難以被大規模推廣。但如果要實現智能無人駕駛，車輛的定位就需要依賴高精度地圖和高精度儀器對周圍環境進行感知、路徑進行規劃、定位與控制，從而實現車輛高可靠性的無人駕駛。因此，高精度地圖是實現自動駕駛車輛必不可少的一部分。

現在部分汽車已經能夠達到L3、L4級別的自動駕駛，高精度地圖市場化的需求因此更加迫切。

2.3 線控底盤技術

在智能汽車中，執行單元的執行效率及精度直接影響到智能汽車的智能化程度。隨著控制技術的發展，線控技術在智能汽車底盤上得到越來越多的應用。

由于線控系統利用傳感器獲取駕駛人員意圖或控制單元發送的指令信號，并將其轉換成電信號送給控控制單元處理然后發送指令給電磁執行機構執行動作，全部以電信號實現駕駛人員意圖的傳遞或自動控制，取消了傳統的氣動、液壓及機械連接，所以具有安全、響應快、維護費用低、安裝測試簡單快捷的優點。目前智能網聯汽車線控技術主要集中在以下幾個方面：線控轉向技術、線控制動技術、線控驅動技術、線控換擋技術和線控懸架技術等。

針對線控轉向系統的研究，國外起步相對較早。英菲尼迪的“Q50”成為第1款應用線控轉向技術的量產車型。在“Q50”中，既有傳統的機械連接轉向系統，又有線控轉向系統，通過離合器進行切換，當線控轉向出現故障時，還可以繼續通過傳統轉向方式進行轉向。

對于線控驅動技術從傳統的油門控制改為電動汽車驅動電機的控制。加速踏板位置傳感器獲取踏板位置信息，送給控制單元，控制單元分析處理完信息后發送指令給節氣門電機控制單元控制節氣門，或驅動電機控制器控制驅動電機輸出的力矩大小，實現對于車輛驅動力的控制。

線控制動技術現在主要有兩種，一種是電子液壓制動系統（EHB），一種是電子機械制動系統（EMB）。

電子液壓制動系統EHB是從傳統的液壓制動系統發展來的，并未實現完全的線控。而是以電子元件替代了原有的部分機械元件，將電子系統和液壓系統相結合，是一個先進的機電液一體化系統，其控制單元及執行機構布置集中。而電子機械制動系統EMB，完全摒棄了傳統制動系統的制動液及液壓管路等部件，由電機驅動產生制動力，駕駛員的制動意圖通過傳感器轉換成電信號送給控制單元，控制單元控制每個車輪上安裝的電機進行制動。EMB結構簡單緊湊，制動系統的布置、裝配和維修都非常方便，同時由于減少了一些制動零部件，大大減輕了系統的重量，更為顯著的優點是隨著制動液的取消，使汽車底盤使用、工作及維修環境得到很大程度地改善。由于EMB的性能優越，所以汽車廠家都在以EMB為主要研究方向。

線控控換擋依靠電驅動進行換擋，取代了借助于操縱檔桿后驅動拉索變速器換擋的模式，更加高效準確地換擋。實現了具備自動變速器的汽車可以進行全自動泊車。電子換擋系統相對于過去的機械換擋結構來說質量更輕，占據空間面積更少，結構設計布置靈活；如圖所示。同時線控換擋能夠有效保障換擋過程中的穩定性和安全性。

上汽通用汽車公司的凱迪拉克、別克等部分車型及奔馳、寶馬、奧迪等豪華車企業也都采用了電子換擋系統（ETRS）。

線控懸架系統（Suspension By Wire），也稱為主動懸架系統。 可根據路況的不同實時進行懸架參數調節，大大提高其緩沖減震效果。1980年，BOSE公司成功研發了一款電磁主動懸架系統。1984年，電控空氣懸架開始出現，林肯汽車成為第一個采用可調整線控空氣懸架系統的汽車。目前，寶馬汽車安裝的“魔毯”懸架系統，凱迪拉克汽車安裝的MRC主動電磁懸架系統，以及自適應空氣懸架系統，均屬于線控懸架系統的不同形式。

我國對線控汽車的研究起步相對較晚，與國外差距較大，各高校對線控系統的研究主要以理論為主。長城智慧線控底盤2019年開始研發，2022年全球首發，線控制動系統采用EMB方式，電子機械線控制動系統，實現全球首個量產。實現了高性能，制動時間縮短0.35S，制動距離縮短4.8m，提高續航里程提升20%。制動精度更高。其次線控轉向系統，徹底摒棄轉向器與轉向管柱之間的傳動軸，支持方向盤的收折，隔絕路面震動，用模擬單元模擬路感，是國內首個支持L4+以上自動駕駛的轉向系統。軟硬件全自主設計，擁有100%自主產權。線控轉向方面，轉向力提升了37.5%，實現可變傳動比。具有單個系統的冗余備份。在制動、轉向方面從電源、傳感器、控制器進行了三重備份，同時還可以跨系統進行調節，當轉向失效，可以利用單側制動方式轉向。當制動失效時，驅動電機變成發電機產生阻力進行制動?？梢詫崿F個性化定制；可以實現自學習的習慣；支持OTA 在線升級。

2.4 先進通信技術

車聯網及通信技術在智能網聯汽車中的應用非常廣泛，根據通信距離不同有近距離通、中短距離、遠距離通信技術。目前車輛上應用的近距離通信技術主要有RFID、NFC等。

RFID射頻識別技術在我們日常生活中應用較多，根據電子標簽有無電源，識別距離及范圍也不相同。比如：身份證識別、交通卡等利用了無源電子標簽識別技術。有源RFID識別距離比較遠，比如可以用于ETC。

NFC技術是一種近距離連接協議，提供各種設備間輕松、安全、迅速而自動的通信； RFID技術更多的被應用在生產、物流、跟蹤和資產管理上，而NFC則在門禁、公交、手機支付等領域內發揮著巨大的作用。

2019年12月，華為錢包與比亞迪DiLink聯合發布基于NFC的智能“手機車鑰匙”，將搭載比亞迪宋Pro車型，實現解鎖和上鎖等一系列動作，為用戶提供更便捷智能的數字車生活。2020年3月，小米手機也與比亞迪DiLink聯合發布了手機NFC車鑰匙功能，還可以讀取車輛的狀態數據。

LTE-V技術是大唐電信基于TD-LTE技術而推出的具有中國自主知識產權的車載中短距離通信技術，支持在車輛與車輛（V2V）、車輛與基礎設施（V2I）、車輛與行人（V2P）之間快速組網，構建數據共享交互橋梁。

華為LTE-V車載終端成為國內首個在開放道路上成功應用的LTE-V車聯網終端，通過集成千尋位置的亞米級定位服務及融合慣導算法，為汽車提供了車道級的定位能力。

5G移動通信技術即第五代移動通信技術，是最新一代蜂窩移動通信技術。網絡延遲低于1ms，數據傳輸速率可達10Gbit/s，比4G LTE網絡快100倍?？梢詾橹悄芷囂峁└呔鹊亩ㄎ?，更快速的計算，保證智能汽車做出更為合理的路徑規劃和擁有更快的緊急情況處理能力，保障乘客的人身安全。由此可見，隨著5G技術的不斷發展，能進一步加快其應用到智能汽車的腳步，也能進一步推動智能汽車市場的發展。

2.5 人工智能技術

人工智能技術在車輛上的應用使得車更智能，汽車能夠與人進行交互，根據人的需求做出判斷與滿足?，F階段人工智能化在智能座艙的應用是一大趨勢，如圖6所示，車載語音交互系統、視覺交互系統、智能座椅、導航以及空調系統控制等。即利用車聯網與智能化技術結合車外環境、車內視覺、語音識別、手勢識別、多維度傳感器、AR等多種感知手段，基于強大的計算能力，全面自主控制汽車硬件，將車輛打造成智能“管家”，實現在視覺、嗅覺、觸覺、包括語音等各個方面和車體的溝通，全方位提升乘員極致體驗，同時各類手勢的識別也逐步完善，通過一個簡單的手勢傳遞出作者的駕車意圖，實現人車交互，從而達到智能化汽車駕駛效果。此外，人臉識別技術也逐步植入汽車系統中，通過人臉生物特征識別，可以更好地實現人車交互，完成汽車智能化駕駛。

3 總結

智能化技術的應用，使車輛的動力系統向著三電化方向發展，車輛的駕艙向著智能座艙方向發展，車輛的底盤向著線控化方向發展。智能化技術已經滲透到車輛的各個系統，智能化技術的作用已經由ADAS輔助作用逐漸轉向主控，代替人類來駕駛車輛，車輛正朝著無人駕駛方向發展。由于我國政府對于智能汽車發展的大力支持，在我國很多城市都已經建成了智能汽車測試場地，發放了智能汽車測試牌照，智能汽車的路面測試已經走在世界前列。隨著智能汽車的關鍵技術的不斷成熟及應用，智能汽車將向著無人駕駛方向不斷發展、邁進。

基金資助：智能網聯新能源汽車研究中心（項目編號：2022-PTW-01）。

參考文獻：

[1]姬曉婷.智能汽車成傳感器企業布局重點，中國電子報/2021年/12月/31日/第007版.

[2]王海，徐巖松，蔡英鳳，陳龍.基于多傳感器融合的智能汽車多目標檢測技術綜述汽車安全與節能學報，第12卷 第4期，2021年.

[3]陳豫蓉.5G與北斗高精度定位融合發展趨勢分析[J].電信工程技術與標準化，2020，33（04）：1-6.

[4]黃東風.人工智能在汽車駕駛技術領域的應用與發展[J].時代汽車，2022年.01期.