對(duì)智能車輛的研究主要致力于提高汽車的安全性、舒適性,以及提供優(yōu)良的人車交互界面。近年來,智能車輛己經(jīng)成為世界車輛工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和汽車工業(yè)增長(zhǎng)的新動(dòng)力,很多發(fā)達(dá)國(guó)家都將其納入到各自重點(diǎn)發(fā)展的智能交通系統(tǒng)當(dāng)中。
概述
區(qū)別
智能汽車與一般所說的自動(dòng)駕駛有所不同,它指的是利用多種傳感器和智能公路技術(shù)實(shí)現(xiàn)的汽車自動(dòng)駕駛。智能汽車首先有一套導(dǎo)航信息資料庫,存有全國(guó)高速公路、普通公路、城市道路以及各種服務(wù)設(shè)施(餐飲、旅館、加油站、景點(diǎn)、停車場(chǎng))的信息資料;其次是GPS定位系統(tǒng),利用這個(gè)系統(tǒng)精確定位車輛所在的位置,與道路資料庫中的數(shù)據(jù)相比較,確定以后的行駛方向;道路狀況信息系統(tǒng),由交通管理中心提供實(shí)時(shí)的前方道路狀況信息,如堵車、事故等,必要時(shí)及時(shí)改變行駛路線;車輛防碰系統(tǒng),包括探測(cè)雷達(dá)、信息處理系統(tǒng)、駕駛控制系統(tǒng) ,控制與其他車輛的距離,在探測(cè)到障礙物時(shí)及時(shí)減速或剎車,并把信息傳給指揮中心和其他車輛;緊急報(bào)警系統(tǒng),如果出了事故,自動(dòng)報(bào)告指揮中心進(jìn)行救援;無線 通信 系統(tǒng),用于汽車與指揮中心的聯(lián)絡(luò);自動(dòng)駕駛系統(tǒng),用于控制汽車的點(diǎn)火、改變速度和轉(zhuǎn)向等。
多輸入
通常對(duì)車輛的操作實(shí)質(zhì)上可視為對(duì)一個(gè)多輸入、多輸出、輸入輸出關(guān)系復(fù)雜多變、不確定多干擾源的復(fù)雜非線性系統(tǒng)的控制過程。駕駛員既要接受環(huán)境如道路、擁擠、方向、行人等的信息,還要感受汽車如車速、側(cè)向偏移、橫擺角速度等的信息,然后經(jīng)過判斷、分析和決策,并與自己的駕駛經(jīng)驗(yàn)相比較,確定出應(yīng)該做的操縱動(dòng)作,最后由身體、手、腳等來完成操縱車輛的動(dòng)作。因此在整個(gè)駕駛過程中,駕駛員的人為因素占了很大的比重。一旦出現(xiàn)駕駛員長(zhǎng)時(shí)間駕車、疲勞駕車、判斷失誤的情況,很容易造成交通事故。
通過對(duì)車輛智能化技術(shù)的研究和開發(fā),可以提高車輛的控制與駕駛水平,保障車輛行駛的安全暢通、高效。對(duì)智能化的車輛控制系統(tǒng)的不斷研究完善,相當(dāng)于延伸擴(kuò)展了駕駛員的控制、視覺和感官功能,能極大地促進(jìn)道路交通的安全性。智能車輛的主要特點(diǎn)是以技術(shù)彌補(bǔ)人為因素的缺陷,使得即便在很復(fù)雜的道路情況下,也能自動(dòng)地操縱和駕駛車輛繞開障礙物,沿著預(yù)定的道路軌跡行駛。
基本結(jié)構(gòu)
從具體和現(xiàn)實(shí)的方面來看,目前,智能汽車較為成熟的和可預(yù)期的功能和系統(tǒng)主要是包括智能駕駛系統(tǒng)、生活服務(wù)系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)、位置服務(wù)系統(tǒng)以及用車服務(wù)系統(tǒng)等,各個(gè)參與企業(yè)也主要是圍繞上述這些功能系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)展的。
這其中,各個(gè)系統(tǒng)實(shí)際上又包括一些細(xì)分的系統(tǒng)和功能,比如智能駕駛系統(tǒng)就是一個(gè)大的概念,也是一個(gè)最復(fù)雜的系統(tǒng),它包括了:智能傳感系統(tǒng)、智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、輔助駕駛系統(tǒng)、智能公交系統(tǒng)等;生活服務(wù)系統(tǒng)包括了影音娛樂,信息查詢以及各類生物服務(wù)等功能;而象位置服務(wù)系統(tǒng),除了要能提供準(zhǔn)確的車輛定位功能外,還要讓汽車能與另外的汽車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)位置互通,從而實(shí)現(xiàn)約定目標(biāo)的行駛目的。
智能汽車有了這些系統(tǒng)的共同作用,相當(dāng)于給汽車裝上了“眼睛”、“大腦”和“腳”的電視攝像機(jī)、電子計(jì)算機(jī)和自動(dòng)操縱系統(tǒng)之類的裝置。這些裝置都裝有非常復(fù)雜的電腦程序,所以這種汽車能和人一樣會(huì)“思考”、“判斷”、“行走”,可以自動(dòng)啟動(dòng)、加速、剎車,可以自動(dòng)繞過地面障礙物。在復(fù)雜多變的情況下,它的“大腦”能隨機(jī)應(yīng)變,自動(dòng)選擇最佳方案,指揮汽車正常、順利地行駛。
智能汽車功能結(jié)構(gòu)示意圖
特點(diǎn)高科技
智能汽車是一種正在研制的新型高科技汽車,這種汽車不需要人去駕駛,人只舒服地坐在車上享受這高科技的成果就行了。因?yàn)檫@種汽車上裝有相當(dāng)于汽車的“眼睛”、“大腦”和“腳”的電視攝像機(jī)、電子計(jì)算機(jī)和自動(dòng)操縱系統(tǒng)之類的裝置,這些裝置都裝有非常復(fù)雜的電腦程序,所以這種汽車能和人一樣會(huì)“思考”、“判斷”、“行走”,可以自動(dòng)啟動(dòng)、加速、剎車,可以自動(dòng)繞過地面障礙物。在復(fù)雜多變的情況下,它的“大腦”能隨機(jī)應(yīng)變,自動(dòng)選擇最佳方案,指揮汽車正常、順利地行駛。
智能汽車的“眼睛”是裝在汽車右前方、上下相隔50厘米處的兩臺(tái)電視攝像機(jī),攝像機(jī)內(nèi)有一個(gè)發(fā)光裝置,可同時(shí)發(fā)出一條光束,交匯于一定距離,物體的圖像只有在這個(gè)距離才能被攝取而重疊?!把劬Α蹦茏R(shí)別車前5~20米之間的臺(tái)形平面、高度為10厘米以上的障礙物。如果前方有障礙物,“眼睛” 就會(huì)向“大腦”發(fā)出信號(hào),“大腦”根據(jù)信號(hào)和當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況,判斷是否通過、繞道、減速或緊急制動(dòng)和停車,并選擇最佳方案,然后以電信號(hào)的方式,指令汽車的“腳”進(jìn)行停車、后退或減速。智能汽車的“腳”就是控制汽車行駛的轉(zhuǎn)向器、制動(dòng)器。
重要標(biāo)志
無人駕駛的智能汽車將是新世紀(jì)汽車技術(shù)飛躍發(fā)展的重要標(biāo)志??上驳氖?,智能汽車已從設(shè)想走向?qū)嵺`。隨著科技的飛速發(fā)展,相信不久的將來,我們都可以領(lǐng)略到智能汽車的風(fēng)采。
所以,智能汽車實(shí)際上是智能汽車和智能公路組成的系統(tǒng),目前主要是智能公路的條件還不具備,而在技術(shù)上已經(jīng)可以解決。在智能汽車的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)之前,實(shí)際上已經(jīng)出現(xiàn)許多輔助駕駛系統(tǒng),已經(jīng)廣泛應(yīng)用在汽車上,如智能雨刷,可以自動(dòng)感應(yīng)雨水及雨量,自動(dòng)開啟和停止;自動(dòng)前照燈,在黃昏光線不足時(shí)可以自動(dòng)打開;智能空調(diào),通過檢測(cè)人皮膚的溫度來控制空調(diào)風(fēng)量和溫度;智能懸架,也稱主動(dòng)懸架,自動(dòng)根據(jù)路面情況來控制懸架行程,減少顛簸;防打瞌睡系統(tǒng),用監(jiān)測(cè)駕駛員的眨眼情況,來確定是否很疲勞,必要時(shí)停車報(bào)警……計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,為汽車的智能化提供了廣闊的前景。
國(guó)內(nèi)進(jìn)展
研究項(xiàng)目
我國(guó)從上世紀(jì)80年代開始著手無人駕駛汽車的研制開發(fā),雖與國(guó)外相比還有一些距離,但目前也取得了階段性成果。國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、吉林大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、天津軍交學(xué)院等都有過無人駕駛汽車的研究項(xiàng)目。特別是北京理工大學(xué),在無人車技術(shù)上已取得全國(guó)領(lǐng)先的水平,在國(guó)內(nèi)的多個(gè)無人車比賽中經(jīng)常受邀以表演隊(duì)的身份參加。
1992年,國(guó)防科技大學(xué)研制成功了我國(guó)第一輛真正意義上的無人駕駛汽車。由計(jì)算機(jī)及其配套的檢測(cè)傳感器和液壓控制系統(tǒng)組成的汽車計(jì)算機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng),被安裝在一輛國(guó)產(chǎn)的中型面包車上,使該車既保持了原有的人工駕駛性能,又能夠用計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行自動(dòng)駕駛行車。2000年6月,國(guó)防科技大學(xué)研制的第4代無人駕駛汽車試驗(yàn)成功,最高時(shí)速達(dá)76km,創(chuàng)下國(guó)內(nèi)最高紀(jì)錄。2003年7月,國(guó)防科技大學(xué)和中國(guó)一汽聯(lián)合研發(fā)的紅旗無人駕駛轎車高速公路試驗(yàn)成功,自主駕駛最高穩(wěn)定時(shí)速13Okm,其總體技術(shù)性能和指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。
THMR—V(TsingHua Mobile Robot V)清華V型智能車是清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系智能技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在中國(guó)科學(xué)院院士張鈸主持下研制的新一代智能移動(dòng)機(jī)器人,兼有面向高速公路和一般道路的功能。車體采用道奇7座廂式車改裝,裝備有彩色攝像機(jī)和激光測(cè)距儀組成的道路與障礙物檢測(cè)系統(tǒng);由差分GPS、磁羅盤和光碼盤組成的組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)等。兩套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分別進(jìn)行視覺住處處理,完成信息融合、路徑規(guī)劃、行為與決策控制等功能。四臺(tái)IPC工控機(jī)分別完成激光測(cè)距信息處理、定位信息處理、通訊管理、駕駛控制等功能。設(shè)計(jì)車速高速公路為80km/h,一般道路為20 km/h。目前已能夠在校園的非結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境下,進(jìn)行道路跟蹤和避障自主行駛。汽車的智能化可以減輕駕駛員的疲勞,適應(yīng)復(fù)雜的天氣條件,減少交通事故的發(fā)生。
此外,西安交通大學(xué)搭建了Spingrobot智能車實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并于2005年10月成功完成在敦煌“新絲綢之路”活動(dòng)中的演示。同濟(jì)大學(xué)2006年研發(fā)了一輛無人駕駛清潔能源電動(dòng)游覽車,最高時(shí)速為50km/h,可應(yīng)用于人們觀光旅游。吉林大學(xué)和中科院沈陽自動(dòng)化所在無人駕駛智能車方面也研究較早,取得不少成果。
國(guó)外發(fā)展情況
發(fā)達(dá)國(guó)家
從20世紀(jì)70年代,美歐等發(fā)達(dá)國(guó)家開始進(jìn)行無人駕駛汽車的研究,大致可以分為二個(gè)階段:軍事用途、高速公路環(huán)境和城市環(huán)境。在軍事用途方面,早在80年代初期,美國(guó)國(guó)防部就大規(guī)模資助自主陸地車輛ALV (Autonomous LandVehicle)的研究。
進(jìn)入21世紀(jì),為促進(jìn)無人駕駛車輛的研發(fā),從2004年起,美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究項(xiàng)目局(DARPA)開始舉辦機(jī)器車挑戰(zhàn)大賽(Grand Challenge)。該大賽對(duì)促進(jìn)智能車輛技術(shù)交流與創(chuàng)新起到很大激勵(lì)作用。
在2005年的第二屆比賽中,主辦方只在賽前2小時(shí)提供一張光盤,上面提供了比賽路線上2935個(gè)“路點(diǎn)”的方位與海拔等詳細(xì)資料。整個(gè)賽道有急轉(zhuǎn)彎、隧道、路口還有山路,比賽要求參賽車輛能夠自主完成全部路程。最終斯坦福大學(xué)的“斯坦利”,獲得了第1名。具有6個(gè)奔騰M處理器的電腦完成“斯坦利”的所有程序的處理。車輛移動(dòng)時(shí),4個(gè)激光傳感器、一個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)、一組立體攝像頭和一個(gè)單眼視覺系統(tǒng)感知周圍的環(huán)境。
競(jìng)賽
2006年德國(guó)舉辦了歐洲陸地機(jī)器人競(jìng)賽(European Land Robot Trial,簡(jiǎn)稱(ELROB)),德國(guó)的參賽車“途銳”取得了冠軍。該車通過影像處理尋找道路,周圍景物被處理成3D影像。該車由光學(xué)定向與測(cè)距系統(tǒng)對(duì)收集的信息進(jìn)行導(dǎo)航?jīng)Q策,分析哪里是行人哪里是樹木?!巴句J”自主行駛了90%的賽程,不過在通過關(guān)鍵十字路口時(shí)還是靠手動(dòng)駕駛。
飛思卡爾
智能車競(jìng)賽
“飛思卡爾”智能車競(jìng)賽是由教育部高等學(xué)校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)主辦,飛思卡爾半導(dǎo)體公司協(xié)辦的全國(guó)性的比賽。智能車競(jìng)賽所使用的車模是一款帶有差速器的后輪驅(qū)動(dòng)模型賽車,它由大賽組委會(huì)統(tǒng)一提供。比賽要求參賽隊(duì)伍研究并設(shè)計(jì)一款能夠自主辨識(shí)路線并能夠自主行駛的智能車,在專門設(shè)計(jì)的封閉跑道上行駛,跑完整個(gè)賽程用時(shí)越短的參賽隊(duì)伍成績(jī)?cè)胶?。智能車的設(shè)計(jì)要求參賽隊(duì)伍首先對(duì)汽車動(dòng)力學(xué)有一定的研究和了解,從而設(shè)計(jì)合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)。同時(shí)要求參賽隊(duì)伍自行設(shè)計(jì)控制器系統(tǒng)電路、圖像采集模塊電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電源模塊電路等多個(gè)部分的電路。在硬件平臺(tái)搭建完成后,參賽隊(duì)伍要對(duì)智能車系統(tǒng)的路線辨識(shí)以及控制算法進(jìn)行開發(fā)和調(diào)試,為了后期的調(diào)試方便,很多隊(duì)伍還開發(fā)了用于調(diào)試的上位機(jī)監(jiān)控程序。
背景
智能車大賽以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景,涵蓋了控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科交叉的科技創(chuàng)新比賽。隨著賽事的逐年開展,不僅使參賽學(xué)生自主創(chuàng)新能力的提高,對(duì)于高校相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)術(shù)水平的提升也有一定的幫助。目前,此項(xiàng)賽事己經(jīng)成為各高校展示科研成果和學(xué)生實(shí)踐能力的重要途徑,同時(shí)也為社會(huì)選拔優(yōu)秀的創(chuàng)新人才提供了重要平臺(tái)。
“飛思卡爾”杯智能車競(jìng)賽于2000年在韓國(guó)首次舉辦,我國(guó)于2006年8月舉辦第一屆“飛思卡爾”杯全國(guó)智能車競(jìng)賽,當(dāng)時(shí)吸引了來自全國(guó)50所高校的112支代表隊(duì)的參與。在2007年的第二屆智能車競(jìng)賽中,來自全國(guó)26個(gè)省(自治區(qū))、直轄市的130余所院校的242支隊(duì)伍分為5個(gè)賽區(qū)進(jìn)行角逐,比賽場(chǎng)面空前激烈。
發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)
一、和汽車駕駛相關(guān)的數(shù)字化創(chuàng)新將主要由汽車廠商和一級(jí)零部件供應(yīng)商主導(dǎo)。
二、汽車無人駕駛技術(shù)在未來5-8年內(nèi)將難以大規(guī)模推廣應(yīng)用。
三、汽車廠商仍將對(duì)車載應(yīng)用軟件(Apps)保持謹(jǐn)慎的態(tài)度。
四、IT和電子消費(fèi)品廠商將更加完善人機(jī)互動(dòng)技術(shù)(HMI),這將提升消費(fèi)者對(duì)汽車內(nèi)HMI的預(yù)期。
五、汽車行業(yè)的數(shù)量規(guī)模不到IT消費(fèi)品行業(yè)的5%,在娛樂互動(dòng)類技術(shù)創(chuàng)新上相對(duì)較弱,但汽車企業(yè)仍然具有較強(qiáng)的談判能力。
六、消費(fèi)者將不愿意為車內(nèi)的數(shù)據(jù)信息和Apps額外付費(fèi)。
七、未來僅僅豪華品牌能支持完全獨(dú)立的娛樂互動(dòng)系統(tǒng)(飛行駕駛艙模式),但通??蛻趔w驗(yàn)不是非常好;采用獨(dú)立第三方軟硬件商業(yè)模式是各非豪華品牌品牌主要策略。
八、汽車廠商將沿?cái)?shù)字化的價(jià)值鏈上下游進(jìn)一步延伸不斷創(chuàng)新商業(yè)模式和業(yè)務(wù)類型。
未來發(fā)展趨勢(shì)
智能汽車作為汽車產(chǎn)業(yè)與新一代信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物,其未來發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)出多元化和高度集成的特點(diǎn)。以下是對(duì)智能汽車未來發(fā)展趨勢(shì)的詳細(xì)歸納:
一、技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
1、高級(jí)別自動(dòng)駕駛技術(shù)
超級(jí)人工智能:將成為支撐高級(jí)別自動(dòng)駕駛落地應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù),助力車端自動(dòng)駕駛模型實(shí)現(xiàn)從模仿人類到超越人類的轉(zhuǎn)變。
網(wǎng)聯(lián)技術(shù)高速通信技術(shù):基于5G—A、6G、NR—V2X、衛(wèi)星通信的車外通信,將與基礎(chǔ)高速以太網(wǎng)、光纖通信、短距無線通信的車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)深度融合,實(shí)現(xiàn)廣覆蓋、大帶寬、低時(shí)延、高可靠的安全高速通信。
車用存算一體芯片:將計(jì)算和存儲(chǔ)單元完全融合,提升數(shù)據(jù)處理速度,降低車載系統(tǒng)的復(fù)雜性,滿足智能網(wǎng)聯(lián)汽車的數(shù)據(jù)頻繁訪問、高效處理等需求。
2、整車SOA軟件架構(gòu)
通過軟件功能“服務(wù)化”和原子服務(wù)的分層、分解、組合與適配,實(shí)現(xiàn)汽車軟件標(biāo)準(zhǔn)化、可復(fù)用和快速迭代,增強(qiáng)汽車功能的可擴(kuò)展性和靈活性。
3、自動(dòng)駕駛云端平臺(tái)
貫穿自動(dòng)駕駛數(shù)據(jù)采集、模型訓(xùn)練、安全運(yùn)行全環(huán)節(jié),提供大數(shù)據(jù)和大算力支持車端模型迭代與驗(yàn)證,同時(shí)提供協(xié)同感知、協(xié)同決策、動(dòng)態(tài)管控功能。
4、新型智能底盤
在機(jī)械解耦、功能集成、異構(gòu)冗余等方面持續(xù)突破創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的深度協(xié)同控制和快速精準(zhǔn)響應(yīng)。
二、市場(chǎng)應(yīng)用趨勢(shì)
1、滲透率持續(xù)提升
隨著消費(fèi)者對(duì)汽車智能化需求的不斷提升,以及技術(shù)的成熟和成本的降低,智能汽車的市場(chǎng)滲透率將持續(xù)走高。預(yù)計(jì)到2030年,車路云一體化智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值增量為2.58萬億元。
2、新能源與智能網(wǎng)聯(lián)深度融合
新能源汽車與智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的結(jié)合將更加緊密,推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)向綠色化、智能化方向加速邁進(jìn)。
3、商業(yè)化運(yùn)營(yíng)加速
隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的不斷成熟和相關(guān)法律法規(guī)的完善,智能汽車的商業(yè)化運(yùn)營(yíng)將加速推進(jìn),為消費(fèi)者提供更加便捷、安全的出行服務(wù)。
三、產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展趨勢(shì)
1、跨界融合
智能網(wǎng)聯(lián)汽車涉及的產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈更廣闊、更長(zhǎng)遠(yuǎn),需要汽車制造、軟硬件研發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等眾多領(lǐng)域的高度協(xié)同配合。
2、資源共享與優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)
產(chǎn)業(yè)鏈各方將形成資源共享、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的良好生態(tài),共同推動(dòng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車的快速發(fā)展。
四、政策與法規(guī)趨勢(shì)
1、政策支持不斷升級(jí)
國(guó)家將繼續(xù)出臺(tái)一系列支持政策,為智能汽車行業(yè)的發(fā)展注入新動(dòng)能。
2、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)不斷完善
隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車的普及和應(yīng)用,相關(guān)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)將不斷完善,為行業(yè)的健康發(fā)展提供有力保障。
綜上所述,智能汽車的未來發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)出技術(shù)不斷創(chuàng)新、市場(chǎng)應(yīng)用持續(xù)拓展、產(chǎn)業(yè)鏈深度融合以及政策與法規(guī)不斷完善的特點(diǎn)。這些趨勢(shì)將共同推動(dòng)智能汽車產(chǎn)業(yè)向更加智能化、綠色化、商業(yè)化的方向邁進(jìn)。
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