汽車(chē)與自動(dòng)駕駛系統(tǒng)

1、1,第十一章 汽車(chē)與自動(dòng)駕駛系統(tǒng),第一節(jié) 概述第二節(jié) 世界智能車(chē)輛的研究與發(fā)展 第三節(jié) 智能車(chē)輛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與微機(jī)測(cè)控系統(tǒng) 第四節(jié) 基于視覺(jué)導(dǎo)航的智能車(chē)輛模糊邏輯控制 第五節(jié) 智能車(chē)輛的自主駕駛與輔助導(dǎo)航第六節(jié) 小結(jié),2,11.1 概 述,11.1.1 汽車(chē)自動(dòng)駕駛概念 是指借助車(chē)載設(shè)備及路側(cè)、路表的電子設(shè)備來(lái)檢測(cè)周?chē)旭偔h(huán)境的變化情況，進(jìn)行部分或完全的自動(dòng)駕駛控制的系統(tǒng)，

2、目的是提高行車(chē)安全和道路通行能力。 該系統(tǒng)的本質(zhì)就是將車(chē)輛——道路系統(tǒng)中的現(xiàn)代化的通信技術(shù)、控制技術(shù)和交通信息理論加以集成，提供一個(gè)良好的駕駛環(huán)境，在特定條件下，車(chē)輛將在自動(dòng)控制下安全行駛。 從當(dāng)前的發(fā)展看，可以分為兩個(gè)層次：是車(chē)輛輔助安全駕駛系統(tǒng)，或者是先進(jìn)的車(chē)輛控制技術(shù)；是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，或者稱(chēng)為智能汽車(chē)，智能汽車(chē)在智能公路上使用才能發(fā)揮出全部功能，如果在普通公路上使用，它僅僅是一輛裝備了輔助安全駕駛系統(tǒng)的

3、汽車(chē)。,3,11.1 概 述,11.1.2 車(chē)輛自動(dòng)駕駛系統(tǒng)主要目的防止部分交通事故的發(fā)生；提高道路利用率；提高駕駛員方便性；減輕駕駛員負(fù)擔(dān)；實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的安全高效行駛,4,11.2 世界智能車(chē)輛的研究與發(fā)展,11.2.1 智能車(chē)輛的產(chǎn)生與發(fā)展 它的研究始于20世紀(jì)50年代初美國(guó) Barrett Electronics公司開(kāi)發(fā)出的世界上第一臺(tái)自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)輛系統(tǒng)（Automated Guided Vehicle System

4、，AGVS）1974年，瑞典的Volvo Kalmar轎車(chē)裝配工廠與Schiinder－Digitron公司合作，研制出一種可裝載轎車(chē)車(chē)體的AGVS，并由多臺(tái)該種AGVS組成了汽車(chē)裝配線(xiàn)，從而取消了傳統(tǒng)應(yīng)用的拖車(chē)及叉車(chē)等運(yùn)輸工具。20世紀(jì)80年代，伴隨著與機(jī)器人技術(shù)密切相關(guān)的計(jì)算機(jī)。電子、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，國(guó)外掀起了智能機(jī)器人研究熱潮，其中各種具有廣闊應(yīng)用前景和軍事價(jià)值的移動(dòng)式機(jī)器人受到西方各國(guó)的普遍關(guān)注,5,11.2 世界智能

5、車(chē)輛的研究與發(fā)展,11.2.2 智能車(chē)輛的研究方向 目前智能車(chē)輛的研究方向主要有以下幾個(gè)方面：駕駛員行為分析（Driver Behavior Analysis） 環(huán)境感知（Environmental Perception） 極端情況下的自主駕駛（Autonomous Driving on Extreme Courses） 規(guī)范環(huán)境下的自主導(dǎo)航（Autonomous Navigation on Normal Envi

6、ronment） 車(chē)輛運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（Vehicle Motion Control Systems） 主動(dòng)安全系統(tǒng)（Active Safety Systems） 交通監(jiān)控、車(chē)輛導(dǎo)航及協(xié)作（Traffic Monitoring, Vehicle Navigation and Coordination）,6,11.2 世界智能車(chē)輛的研究與發(fā)展,11.2.2 智能車(chē)輛的研究方向車(chē)輛交互通信（Inter-vehicle Communi

7、cations） 軍事應(yīng)用（Military Applications） 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（System Architectures） 先進(jìn)的安全車(chē)輛（Advanced Safety Vehicles）,7,11.2 世界智能車(chē)輛的研究與發(fā)展,11.2.3 智能車(chē)輛的研究范圍 計(jì)算機(jī)視覺(jué) 傳感器數(shù)據(jù)結(jié)合 智能控制在智能車(chē)輛上的應(yīng)用,8,11.2 世界智能車(chē)輛的研究與發(fā)展,11.2.4 智能車(chē)輛體系結(jié)構(gòu) 智能車(chē)輛

8、集多種傳感數(shù)據(jù)融合、視覺(jué)信息處理、環(huán)境建模、導(dǎo)航、避障等功能于一體。為完成如此復(fù)雜、如此眾多的功能，歷史上曾有幾種體系結(jié)構(gòu)，如水平型結(jié)構(gòu)、垂直型結(jié)構(gòu)和綜合型結(jié)構(gòu)。,9,11.2 世界智能車(chē)輛的研究與發(fā)展,11.2.4 智能車(chē)輛體系結(jié)構(gòu),10,11.2 世界智能車(chē)輛的研究與發(fā)展,11.2.5 智能車(chē)輛技術(shù)的應(yīng)用 在日本，眾多的汽車(chē)廠商也在進(jìn)行類(lèi)似的開(kāi)發(fā)工作，日本政府也制定了完整的開(kāi)發(fā)和實(shí)施計(jì)劃，提出了智能道路的概念。

9、2000年11月在日本的筑波，來(lái)自日本各大汽車(chē)廠家和美國(guó)的試驗(yàn)車(chē)輛完成了實(shí)證試驗(yàn)，這些試驗(yàn)車(chē)輛不但可以在路段上自動(dòng)駕駛，而且在路口可以探測(cè)其它方向的車(chē)輛和過(guò)街的行人，并采取相應(yīng)的措施。2001年以后，日本開(kāi)始在各地進(jìn)行實(shí)證試驗(yàn)，2003年計(jì)劃在第二東名、名神公路先行引進(jìn)使用，2015年左右在全國(guó)主要干線(xiàn)道路實(shí)現(xiàn)智能道路。,11,11.3 智能車(chē)輛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與微機(jī)測(cè)控系統(tǒng),11.3.1 引言 智能車(chē)輛的研究始于20世紀(jì)50

10、年代美國(guó)開(kāi)發(fā)的地下埋線(xiàn)感應(yīng)式自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)輛，雖然其引導(dǎo)技術(shù)已十分成熟，但該種思路很難應(yīng)用于戶(hù)外環(huán)境。20世紀(jì)80年代以來(lái)，人們一直在研究其他引導(dǎo)技術(shù)，先后研究過(guò)光學(xué)導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航、超聲導(dǎo)航、紅外線(xiàn)導(dǎo)航等，其中視覺(jué)導(dǎo)航因其發(fā)展?jié)摿薮笪藝?guó)內(nèi)外眾多的研究者 。,12,11.3 智能車(chē)輛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與微機(jī)測(cè)控系統(tǒng),11.3.2 車(chē)輛體系結(jié)構(gòu)及性能指標(biāo) 智能車(chē)輛的組織和控制結(jié)構(gòu)可粗略分為以下三類(lèi)基本模塊。感知模塊：獲取并處理

11、現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境信息。規(guī)劃模塊：分解任務(wù)序列進(jìn)行規(guī)劃與決策。執(zhí)行模塊：驅(qū)動(dòng)車(chē)體執(zhí)行任務(wù)操作,13,11.3 智能車(chē)輛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與微機(jī)測(cè)控系統(tǒng),11.3.2 車(chē)輛體系結(jié)構(gòu)及性能指標(biāo) 2001年，吉林大學(xué)智能車(chē)輛課題組研制開(kāi)發(fā)了JLUIV-Ⅲ試驗(yàn)車(chē)[13]，它是課題組在低速智能車(chē)輛研究領(lǐng)域面向柔性生產(chǎn)組織和戶(hù)內(nèi)外物流自動(dòng)化運(yùn)輸開(kāi)發(fā)的實(shí)用型自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)輛（Automated Guided Vehicle）。JUTIV-Ⅲ型視覺(jué)導(dǎo)

12、航智能車(chē)輛的功能主要有： 基于條帶狀路標(biāo)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)自主導(dǎo)航自動(dòng)識(shí)別數(shù)字編碼的多?？抗の缓投喾种窂阶詣?dòng)識(shí)別加速、減速、直角轉(zhuǎn)彎、停車(chē)等車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)標(biāo)識(shí)符智能識(shí)別障礙物,14,11.3 智能車(chē)輛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與微機(jī)測(cè)控系統(tǒng),11.3.2 車(chē)輛體系結(jié)構(gòu)及性能指標(biāo),15,11.4 基于視覺(jué)導(dǎo)航的智能車(chē)輛模糊邏輯控制,11.4.1 計(jì)算機(jī)視覺(jué)導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn) 相關(guān)傳感器系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，而且使控制器的設(shè)計(jì)更加靈活方便 視覺(jué)導(dǎo)航能更容易地

13、提供車(chē)輛行車(chē)環(huán)境的障礙物信息，從而使車(chē)輛避障更加容易,16,11.4 基于視覺(jué)導(dǎo)航的智能車(chē)輛模糊邏輯控制,11.4.2 條帶狀路標(biāo)檢測(cè)算法 圖像預(yù)處理 ：像質(zhì)改善，如圖像銳化、平滑、復(fù)原、校正等；圖像分析，如邊緣與線(xiàn)的檢測(cè)、區(qū)域分割、形狀特征測(cè)量等；圖像重建，如投影圖像重建、利用對(duì)象生成立體圖像、全息圖生成等 圖像平滑： 圖像平滑屬低通濾波圖像處理，其目的是保留圖像空間頻率的低頻部分，減少

14、圖像的高頻部分。低通濾波可以降低圖像中的視覺(jué)噪聲，同時(shí)去除圖像中的高頻成分后，圖像中那些不明顯的低頻部分就更容易顯現(xiàn)了。,17,11.4 基于視覺(jué)導(dǎo)航的智能車(chē)輛模糊邏輯控制,11.4.3 模糊邏輯控制 模糊邏輯控制的突出特點(diǎn)在于：系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不要求知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，只需要提供現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)及操作數(shù)據(jù)；控制系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，是英語(yǔ)解決常規(guī)控制難以解決的非線(xiàn)性、時(shí)變及滯后系統(tǒng) 模糊邏輯控制系統(tǒng)

15、的基本組成部分： 模糊邏輯控制系統(tǒng)由模糊規(guī)則庫(kù)、模糊推理機(jī)、模糊產(chǎn)生器、模糊消除器四部分組成 。,18,11.4 基于視覺(jué)導(dǎo)航的智能車(chē)輛模糊邏輯控制,11.4.3 模糊邏輯控制 模糊消除可以采用不同的方法 ：重心法 最大錄屬度法 系數(shù)加權(quán)平均法 錄屬度限幅元素平均法,19,11.5 智能車(chē)輛的自主駕駛與輔助導(dǎo)航,11.5.1 CMU的Navlab5系統(tǒng) CMU的地面智能車(chē)研究并未因

16、火星探測(cè)計(jì)劃等其他項(xiàng)目的影響而擱置。繼1986年改裝Navlab1,1990年改裝Navlab2之后，他們又于1995年建立了全新的智能車(chē)實(shí)驗(yàn)床Navlab5。這是一輛1990年問(wèn)世的Pontiac運(yùn)動(dòng)跑車(chē)（Pontiac Trans Sport），由美國(guó)著名 Delco Electronics公司捐資贊助。CMU與Assist Ware技術(shù)公司合作在Navlab5上開(kāi)發(fā)了PANS（Portable Advanced Navigatio

17、n Support）——便攜式高級(jí)導(dǎo)航支撐平臺(tái)，以及快速自適應(yīng)車(chē)體定位處理器——RALPH視覺(jué)系統(tǒng)。,20,11.5 智能車(chē)輛的自主駕駛與輔助導(dǎo)航,11.5.2 VaMoRs-P系統(tǒng) 智能車(chē)輛自主導(dǎo)航的另一個(gè)具有代表性的研制工作由位于慕尼黑的德國(guó)聯(lián)邦國(guó)防大學(xué)進(jìn)行。其合作伙伴為德國(guó)奔馳汽車(chē)公司。他們從20世紀(jì)80年代初期開(kāi)始此項(xiàng)研究，以先后研制開(kāi)發(fā)出VaMoRs和VaMoRs-P（或VaMP）兩種實(shí)驗(yàn)車(chē)。VaMoRs由一

18、輛奔馳508D型5t面包車(chē)改裝而成。1987年VaMoRs自主車(chē)曾在一段尚未通車(chē)的高速公路上創(chuàng)下自主駕駛96km/h的20世紀(jì)80年代最高速度。VaMoRs-P或VaMP為自主移動(dòng)性和計(jì)算機(jī)視覺(jué)實(shí)驗(yàn)車(chē)——客用小汽車(chē)。它由一輛豪華型奔馳500（Mercedes 500 SEL）改裝而成 。,21,11.5 智能車(chē)輛的自主駕駛與輔助導(dǎo)航,11.5.3 Peugeot 系統(tǒng) 法國(guó)帕斯卡大學(xué)自動(dòng)化與電子材料實(shí)驗(yàn)室與法國(guó)D.R.

19、A.S雪鐵龍（Citroen）技術(shù)中心合作，聯(lián)合研制出一個(gè)功能簡(jiǎn)單卻頗具特色的輔助導(dǎo)航Peugeot試驗(yàn)車(chē)。該研究由P.S.A標(biāo)志（Peugeot）雪鐵龍汽車(chē)公司提供資助。該試驗(yàn)車(chē)的一個(gè)突出特點(diǎn)是硬件配置輕型化，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算處理部分都已集成在一塊數(shù)字信號(hào)處理卡上，因此對(duì)試驗(yàn)車(chē)幾乎無(wú)需作任何改裝。Peugeot試驗(yàn)車(chē)已經(jīng)在高速公路上進(jìn)行了幾百公里不同路況的行車(chē)試驗(yàn)，其系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性 。,22,11.5 智能車(chē)輛的自主駕駛與輔助導(dǎo)

20、航,11.5.4 視覺(jué)處理系統(tǒng)的特點(diǎn)分析 由于上述三個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用背景均為高速公路或標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)公路，故其視覺(jué)處理系統(tǒng)具有某些值得注意的共同特點(diǎn)：以CCD攝像機(jī)（camera）作為唯一的視覺(jué)傳感器 普遍采用視覺(jué)窗口技術(shù)，僅處理感興趣區(qū)域的局部信息 均具備不同程度的快速自適應(yīng)功能,23,11.5 智能車(chē)輛的自主駕駛與輔助導(dǎo)航,11.5.5 研究動(dòng)向分析與問(wèn)題探討 研究背景的民用化 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的輕型化 研究成果的實(shí)用