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  • 2021-05-15 11:12:34

    概述

    首先自动驾驶技术从业务流程上分为3个核心的流程,分别是环境感知定位、决策规划、执行控制。这3个核心流程的具体价值如下:

    • 环境感知定位:主要是通过传感器技术和摄像头、GPS等技术获取汽车行驶过程中的环境指标,并且将数据采集

    • 决策规划:通过收集的数据,对车辆的下一步行为作出判断和指导

    • 执行决策:目前大部分车辆都采用线控设计,如何将决策通过信号指令控制汽车的油门、制动等相关系统

    以上3个流程,每一个步骤都包含了许多核心技术和功能点,在接下来的系列文章中我将一一讲解,本篇文章作为综述,核心体现的是下面这种自动驾驶技术架构图,这张架构图包含了每个流程的核心功能。

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    环境感知定位

     

    环境感知和定位其实是由3个模块组成,分别是环境感知、定位、V2X组成。

    1.环境感知

     

    环境感知模块主要是通过摄像头和各种雷达实现对道路和行驶路线的识别。而且通常理想情况下,环境的感知需要多种传感器的配合来实现。

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    1.1摄像头

     

    摄像头是最接近于人眼的一种环境感知设备。常见的车载摄像头包含单目摄像头、双目摄像头、环视摄像头。单目摄像头一般一般至于车的顶端,负责监控前方的路障,但是对距离感知不太敏感。

    而双目摄像头,可以利用视距差,通过三角测距技术获取障碍物到车辆的距离。比如下图P1和P2为两个摄像头,P为障碍物。可以通过三角测距获取P到车辆的距离。

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    而环视摄像头至少需要4个,可以360度的监控全车周边的情况。

     

    采用摄像头识别的问题在于需要依赖大量的图像数据积累,并且训练生成视觉模型才能识别,整个的技术成长周期比较长。除了摄像头,还可以通过雷达实现环境感知。雷达分为激光雷达、毫米波雷达和超声波雷达。

    1.2 激光雷达

     

    其中激光雷达又称LiDAR,他的核心原理是通过发送一道光,这个光遇到障碍物会反弹回收,通过两者的时间差来判断距离。

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    另外,通过激光雷达的数据采集,可以绘制出点云图,从而实现对障碍物的形状、大小、距离的描绘,典型的点云图如下:

    激光雷达的一个主要问题就是容易受到天气的影响,比如降雨天气下,水珠就容易对激光雷达的效果产生影响。

     

    1.3毫米波雷达

     

    毫米波雷达也能起到车辆和物体的测距效果,通过发射信号和接收信号之间频率的转变实现速度的推送。毫米波雷达相较于激光雷达相比,穿透灰尘和烟的能力较强,在非常极端的天气条件下也可以正常工作。

     

    1.4超声波雷达

     

    超声波雷达是辅助驾驶领域应用比较多的一种雷达,常常安装到车后方的保险杠,用于倒车辅助功能。

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    原理是发出和接收相同频率的声波,然后通过时间差测量距离。超声波雷达不太适合远距离测距。

    目前自动驾驶领域通常是摄像头和激光雷达、毫米波雷达配合使用。单一模式的环境识别都会存在一定的劣势。

    2.定位

     

    环境感知技术主要是帮助车辆获取道路状况信息,定位服务可以帮助车辆获取到车辆所在的具体坐标,为车辆的决策规划提供依据。常见的定位系统有卫星定位、差分定位和惯性导航定位等。

    2.1 卫星定位

    卫星定位是日常大家非常熟悉的定位方式,常见的卫星定位服务有美国的GPS、欧洲的伽利略、中国的北斗导航等。这里多说一句,因为自动驾驶系统一旦商用,所有车辆运行轨迹将被定位系统监控,所以出于国家安全考虑,各国大概率将采用本国的卫星定位系统。

    卫星定位的基本原理就是通过三角定位的方案,至少3颗卫星同时跟地面车辆连接,就可以计算出准确的车辆坐标。

    屏幕快照 2021-05-13 下午7.49.03.png

     

    2.2 差分定位

     

    差分定位原理是确定一个参考站,参考站跟卫星发生通信,得到当前位置的误差,也叫做差分校正量。然后流动站就是汽车,通过差分校正量为汽车的真实定位做校正。差分定位是一种提升GPS定位准确率的技术方案。

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    2.3 惯性定位

     

    惯性定位不依赖任何光电技术。仅依赖于汽车当前的加速度,通过积分可以获得车的下一时间段的位移,当车速较快的时候,惯性定位会是卫星定位的很好地补充。

    3.V2X

    V2X(Vehicle to Everything)技术指的是车用无线通信技术,通过通信去连接其他应用,从而衍生出V2R(Vehicle to Road)、V2I(Vehicle to Infrastruction)、V2P(Vehicle to Prestrian)。

    3.1 V2R

    V2R技术指的是车辆间的通信,比如有一辆车要转向了,那么通过与后方车辆的通信,让后方车辆可以提前做避让。

    3.2 V2I\V2P

    这两个可以放到一起介绍,V2I指的是跟一些红绿灯等设施的通信。V2P可能是与一些行人的手表、手机相关的通信。

    决策规划

     

    环境感知和定位主要起到的是确定外界环境状态的作用,为路径的决策和规划提供依据。在决策规划模块,主要解决的问题是车辆该怎么走的问题。这里面又分为两个方面,分别是路径的规划和行为的决策。

    1.路径规划

    路径规划其实是高精度地图领域的技术。传统的人驾驶模式,如果地图导航出现了失误其实可以通过人肉修正。而自动驾驶时代,地图的准确性以及导航的准确性,将直接关乎安全性,所以自动驾驶时代的高精度地图技术非常重要。

    那么如何在高精度地图领域做路径规划,其实就是求两点间最短路径问题。因为在自动驾驶技术成熟后,很可能乘客上车设置一个目的地就开始睡觉了,剩下路怎么走相关问题就依赖于汽车的路径规划。

    常用的求最短距离的算法有Dijkstra、Floyd、A*、RRT算法等。在后续的文章将会逐步介绍这些算法。

    2.行为决策

    因为车辆自动驾驶问题不是单一变量问题,车辆在形式的过程中既包含车本身的行为,也包含道路上其它行人、汽车的行为。所以行为决策主要包含两个方面,一个是车辆自己的形式决策,另一个是对于其它行驶车辆的行为的预测。

    2.1 对交通参与方的预测

    对于交通参与方的预测可以通过多种算法来实现,构建一套运动模型的方式。但是有的人会问?道路上其它车辆加速转弯等行为是存在很大不确定性的,这种情况怎么构建预测模型呢。

    比较常用的解法是通过高斯噪声来代表交通参与者运动的不确定性,因为大部分参与方的行为一定是服从正态分布的,所以整个模型构建可以看作是一个高斯过程。对于交通参与方的行为和意图的预测,可以看作是一个动态的时序过程,可以用深度学习LSTM这样的循环神经网络解决相应的问题。

    2.2 车辆自身的行为决策

    说回车辆自身,需要决策的指令集包含:行驶、跟车、转弯、换道、停车等。车辆如何做决策,或者做什么样的决策,需要放到一个场景下去判别。

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    整体流程应该分为4个步骤,首先感知环境的变化,比如前方有车并道了,然后做场景判断,前方有车并道场景该调取什么样的模型做预测,最终的行为输出可能是减速或者自己并到另一个道路。这中间的判断过程还要考虑其它车辆行为,以及是否符合道路规章制度。

    每次行为的整体决策链路非常长,而且每一步决策相互影响,所以这种自动驾驶车辆行为决策的功能可以看成是一系列概率的加成,可以看成是马尔科夫决策过程。

    执行控制

     

    经过环境感知和决策规划之后,就到了执行控制的环节。如何将决策传递给车辆的功能部件,把油门、制动、转向、换挡指令落实,是制动控制的关键,也是标准的动力学原理。

    自动驾驶汽车目前比较可行的方案是通过CAN电力总线去控制每个部件的行为,将指令通过电子信号传达到每个部件,这也是目前电动汽车的主要传感方式。CAN总线的关键环节是如何通过电信号将指令发送以及接收,另外就是时间响应问题。这一套技术随着电动汽车的发展,相对比较成熟,就不过多介绍。

    总结一下

     

    本文是我学习自动驾驶技术的开篇,还有很多不成熟,后续会不断修订。这篇文章是综述,把自动驾驶技术切分成环境感知和定位、决策规划、执行控制3个模块,后续会针对每个模块的具体算法以及原理进行详细的学习和分享。

    感谢清华出版社的<自动驾驶系列丛书>,感谢在学习过程中和我一起讨论并给予帮助的朋友们。

     

     

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    🙈目录

    🏳️‍🌈博主介绍

    💂 个人社区:CSDN全国各地程序猿

    🤟作者介绍:中国DBA联盟(ACDU)成员,CSDN全国各地程序猿(媛)聚集地管理员。目前从事工业自动化软件开发工作。擅长C#、Java、机器视觉、底层算法等语言。2019年成立柒月软件工作室,2021年注册苏州凯捷智能科技有限公司

    💬如果文章对你有帮助,欢迎关注、点赞、收藏(一键三连)和C#、Halcon、python+opencv、VUE、各大公司面试等一些订阅专栏哦

    💅 有任何问题欢迎私信,看到会及时回复

    👤 微信号:stbsl6,微信公众号:苏州程序大白

    🙉前言

    面有了飞速发展,还出现了智能化的趋势。“自动泊车”就是一个大家非常熟悉的功能,透过它我们能看到汽车智能化发展的缩影。

    在这里插入图片描述

    💘简介:什么是“自动泊车”?

    自动泊车系统简称APA。

    搭载有自动泊车功能的汽车可以不需要人工干预,通过车载传感器、处理器和控制系统的帮助就可以实现自动识别车位,并自动完成泊车入位的过程。一般来说,在20万以上的中高端汽车上往往才有搭载,或者作为一项选装功能独立存在。(现在已经下探到15万左右,当然了,一般是自主品牌才敢给出这个极具性价比的配置)
    在这里插入图片描述
    自动泊车系统可以大大简化泊车过程,特别是在极端狭窄的地方,或者是对于新手而言,自动泊车系统可以带来更加智能和便捷的体验。

    💝自动泊车系统

    💖定义

    自动泊车系统主要是利用遍布车辆自身和周边环境里的传感器,测量车辆自身与周边物体之间的相对距离、速度和角度,然后通过车载计算平台或云计算平台计算出操作流程,并控制车辆的转向和加减速,以实现自动泊入、泊出及部分行驶功能。

    整个泊车过程大致可包含以下五大环节:

    • 环境感知

    • 停车位检测与识别

    • 泊车路径规划

    • 泊车路径跟随控制

    • 模拟显示

    按照泊车方式,分为三种模式,如下方图所示:

    • 平行式泊车

    • 垂直式泊车

    • 斜列式泊车

    在这里插入图片描述

    按照自动化程度等级,自动泊车可以分为:

    半自动泊车

    全自动泊车

    半自动泊车系统为驾驶员操控车速,计算平台根据车速及周边环境来确定并执行转向,对应于SAE自动驾驶级别中的L1;

    全自动泊车为计算平台根据周边环境来确定并执行转向和加减速等全部操作,驾驶员可在车内或车外监控,对应于SAE L2级。

    按照所采用传感器的种类,半自动/全自动泊车可以分为:

    • 超声波自动泊车

    • 基于超声波与摄像头的融合式自动泊车

    两种传感器的对比如下方图所示:

    在这里插入图片描述

    💗原理方案

    整个泊车过程是哪几个环节?

    环境感知停车位检测与识别泊车路径规划泊车路径跟随控制以及模拟显示五大环节!

    下面我们就以最常见的超声波自动泊车系统为例,从五大环节来介绍:

    ▲环境感知

    如下方图所示,为一种典型的超声波自动泊车系统的环境感知方案,由12个超声波雷达组成。
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    ■8个超声波雷达:泊车过程中检测车身周边的障碍物,避免剐蹭。

    ■4个超声波雷达:泊车开始前进行车位的探测及在泊车过程中提供侧向障碍物信息。

    ▲停车位检测与识别

    自动泊车超声波车位探测系统主要是由布置在车身侧面的超声测距模块构成的, 通过超声传感器对车辆侧面的障碍物进行探测, 即可完成车位探测及定位。

    超声波车位探测的过程如下方图所示。在探测车位时, 车辆以某一恒定车速V平行驶向泊车位:

    1、当车辆驶过 1 号车停放的位置时,装在车身侧面的超声波传感器开始测量车辆与 1 号车的横向距离 D。

    2、当车辆通过 1 号车的上边缘时,超声波传感器测量的数值会有一个跳变,记录此时时刻。

    3、车辆继续匀速前进,当行驶在 1 号车与 2号车之间时,处理器可以求得车位的平均宽度W。

    4、当通过 2 号车下边缘时,超声波传感器测量的数值又发生跳变,处理器记录当前时刻,算得最终的车位长度L。

    5、处理器对测量的车位长度 L 和宽度 W 进行分析,判断车位是否符合泊车基本要求并判断车位类型。

    在这里插入图片描述

    ▲泊车路径规划

    考虑到自动泊车实现原理,泊车路径规划一般尽可能满足以下要求:

    a、完成泊车路径所需要的动作必须尽可能少。

    因为每个动作的精度误差会传递到下一个动作,动作越多,精度越差。

    b、在每个动作的实施过程中,车辆的转向轮(绝大部分为前轮)的角度需要保持一致。

    因为系统是通过嵌入式系统实现的,而嵌入式系统的性能有限,转向轮角度保持一致能够将运动轨迹的计算归结为几何问题,
    反之需要涉及复杂的积分问题,这对嵌入式系统的性能是一个挑战。

    一般平行泊车和垂直泊车采用如下方两图所示路径。

    平行泊车分为单次和多次:

    单次为如下方图所示路径一次泊车完成;

    多次则为当车位长度比较小时,可采用多次“揉库”的方法泊车。

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    ▲泊车路径跟随控制

    该过程为通过车载传感器不断探测环境,实时估算车辆位置,实际运行路径与理想路径对比,必要时做局部校正。

    ▲模拟显示

    由传感器反馈构建泊车模拟环境,具有提示与交互作用。提示用户处理器意图以及做必要的操作。

    另外,路径规划后进行泊车时为了知晓处理器定位和计算路径运行情况,需要将这些处理器信息反馈给用户。

    如果处理器获取环境信息或者处理过程中出现重大错误,用户可以及时知晓与停止。

    🙊自主泊车系统

    💖定义

    随着自动驾驶技术的发展,自动泊车逐渐往自主泊车方向演进。

    自主泊车又称为代客泊车或一键泊车:

    • 指驾驶员可以在指定地点处召唤停车位上的车辆,或让当前驾驶的车辆停入指定或随机的停车位。

    • 整个过程正常状态下无需人员操作和监管,对应于SAE L3级别。

    自主泊车系统包含两个功能,即泊车与唤车:

    >>>>泊车功能

    是指用户通过车载中控大屏或手机APP选定在园区、住宅区等半封闭区域内的停车位或者选定停车场(有高精地图覆盖)。

    然后车辆通过获取园区、住宅区等半封闭道路上的车道线、道路交通标志、周围其他车辆等交通环境、参与者信息。

    控制车辆的油门、转向、制动来实现安全自动驾驶,并通过自动寻找可用停车位或识别用户选定停车位。

    实现自动泊入、自动停车、挂P档、熄火、锁车门,同时防止潜在的碰撞危险的功能。

    >>>>唤车功能

    是指用户通过手机APP选定园区、住宅区等半封闭区域内的某一唤车点,

    然后车辆从停车位自动泊出、低速自动驾驶到达唤车点,

    从而实现唤车,同时防止潜在的碰撞危险的功能。

    💗原理方案

    按主要技术路线,自主泊车系统可分为:

    • 偏车端方案

    • 偏场端方案

    • 车端场端并重方案

    偏车端和偏场端的自主泊车方案对比如下方图所示:
    在这里插入图片描述
    偏车端自主泊车系统方案:

    典型的偏车端自主泊车系统的组成见以下图所示和下方表所示:
    在这里插入图片描述
    主要传感器信息:

    在这里插入图片描述
    偏车端方案的系统逻辑流程图见下方图所示:

    由图可知,偏车端方案主要借助车载传感器对周围环境以及自身状态的感知来决策并执行车辆动作,并在必要时提醒用户进行车内或远程接管操控。

    在这里插入图片描述

    偏场端自主泊车系统方案:

    如下方图为一种偏场端方案的系统示意图:

    ◤在停车场内布置激光雷达或双目摄像头来实现对车辆状态及周边环境的监控,通过预埋式停车场传感器探测当前占用状态。

    所有传感器数据均在数据中心进行汇总分析,根据储存的元信息(如停车位尺寸、费用、诸如残疾人停车位等的特殊情况等)完成匹配。

    数据中心根据这所有的信息实时生成停车地图。

    驾驶员通过智能手机APP接收所有的信息,从而始终能了解最近可用停车位的概况,以及所有相关详情,如距离和价格。

    而车辆只需要具备与停车场设施的通信能力和可控的底盘执行系统,即可在场端的辅助下完成自主泊车。◢

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    🐵自动泊车系统

    自动泊车系统组成及功能如下方表所示:
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    🐒自主泊车系统

    自主泊车系统方案如下方图所示,主要采用智能化车端+智能化场端的方式。

    车端智能化主要依赖于融合式全自动泊车的传感器配置,外加前视摄像头、V2X设备等实现特定区域内的点到点自动驾驶、自动车位扫描、自动泊入泊出等功能。

    车辆自身具备车辆、行人等动态障碍物检测和识别功能,可实现自动紧急制动、避障等决策规划。

    场端智能化主要依托摄像头检测技术,实现停车场车位占用情况检测,并上传至停车场服务器,并实现为自主泊车车辆提前分配车位信息。

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    ▲障碍物坐标检测及多目标识别

    超声波传感器单纯的距离检测能力在泊车预警辅助场景已可满足使用要求,但是在智能化泊车应用场景、及多传感器融合应用中还远远不够。

    为此开发了障碍物坐标检测技术及多目标识别技术,如下方两图所示:
    在这里插入图片描述
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    ▲高精度车位检测及车位融合

    基于超声波传感器可实现空间车位的探测、360环视摄像头可实现线车位的检测。

    同时结合超声波传感器及环视摄像头的障碍物信息检测,对车位进行多层次的融合,实现泊车位的高精度检测,大大提升了泊车场景的覆盖范围。如下方图所示:
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    ▲轨迹动态规划技术

    泊车过程中有诸多不可控因素,如转向系统执行速度与精度问题、参考障碍物位置变动问题等,导致在泊车过程中出现泊车轨迹偏离路径规划轨迹现象。

    为此开发了泊车轨迹动态规划技术,可实现泊车过程中的轨迹实时修正甚至轨迹重规划,如下方图所示:
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    ▲室内定位技术

    如下方图所示,通过采用视觉SLAM+标签辅助定位方式,解决地下停车场无GPS的问题,同时通过多源信息融合,提升定位精度。
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    ▲基于视觉的停车场车位状态检测技术

    如下方图所示,通过停车场安装的监控摄像头,基于深度学习算法,实现车位占用状态的实时检测,并将此信息上传至停车场车位管理后台服务器,为自主泊车车辆提供可泊车位信息。
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    ▲全局与局部路径规划技术

    如下方图所示,基于A*算法实现任意两点间的全局路径规划,支持路径规划重置、选路以及速度规划功能,同时结合实时环境感知状态,进行局部路径规划,实现紧急制动、 跟车巡航以及换道避让、 换道超车等自主决策。

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    💥以上总结

    泊车场景作为用户痛点感受最深,技术实现相对容易,客户最愿买单且最有机会率先落地的场景,是乘用车L4自动驾驶企业兵家必争之地。

    之前看过一篇文章,里面列举了汽车十大最没用的配置,自动泊车位列其中。而随着自动泊车从半自动到全自动发展,我们看到了自动泊车作为低速自动驾驶更多的闪光点。自动泊车也逐渐从“鸡肋”变成了“真香”。
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    展开全文
  • 随着汽车电子化和高级辅助驾驶技术的快速发展,自动驾驶作为辅助驾驶技术的高级阶段,俨然成为未来解决交通出行的重要方式,已成为...最后综述了自动驾驶系统当前所存在的问题,并展望了自动驾驶技术的未来发展方向。
  • 100 年漫长的历史 自动驾驶技术器其实并非新事物,二是已经走过了 100年漫长的历史,早在 1920 年代就已经提出,直到1980 Ernst Dickmanns领导的工作 PROMETHEUS project 为后续的发展铺平了道路,令其看起来可行。...

    ©作者 | Alex

    美国一项交通事故数据的分析得出:94% 的交通事故责任在驾驶员,其中 31% 由于疏忽,10% 由于注意力不集中。

    巨大社会效益意味着巨大的社会需求,过去 30 年学术界和工业界持续不断的增加对无人驾驶领域的投入,近年来传感器、计算技术的突破引起了引燃了这个行业。

    从各项赛事到车企的运营,我们似乎看到自动驾驶正逐渐走入现实。

    100 年漫长的历史

    自动驾驶技术器其实并非新事物,二是已经走过了 100年漫长的历史,早在 1920 年代就已经提出,直到1980 Ernst Dickmanns领导的工作 PROMETHEUS project 为后续的发展铺平了道路,令其看起来可行。

    1994 VaMP 无人驾驶车在 95% 时间无人干预情况下,完成了 1600km 旅程,CMU NAVLAB在1995 年 98% 时间无人干预情况下更是行使了500km穿越美国。

    接下来是各种挑战赛:2004 年 DARPA Grand Challenge,要求车辆完成 150-mile 越野赛,遗憾的是参赛的15辆车都没有完成任务。2005 年相似的任务,23 支队伍 5 支抵达终点。2007 年DARPA Urban挑战赛 6 只队伍完成比赛,证明在城市环境下自动驾驶的可行性。之后不断有各种大事件和挑战赛举办,同时研究不断深入和加速。

    Google 自动驾驶车辆和 Tesla 已经在商业上取得巨大成功。国内自动驾驶也如火如荼。

    关于自动驾驶的自动化程度

    SAE J3016 给出一个标准,将车辆自动驾驶的程度分为 0-5 个级别,

    ● 0-人类驾驶。

    ● 1-只有辅助自动驾驶,包括自适应巡航控制 + 反锁死制动系统 + 电子稳定控制。

    ● 2-高级辅助功能,如风险最小化,紧急制动。

    ● 3-系统可以监控环境,可实现某种条件下的完全自动驾驶,但需要驾驶员在超过规定范围时接管驾驶权。

    ● 4-在某些情况下可以自动驾驶,在需要干预的时候即使驾驶员不能够接管车辆也可以保证车辆安全。

    ● 5-在所有模式下自动驾驶。

    不只是驾驶

    无人驾驶走向现实离不开成熟的环境,车载硬件计算能力和无线通信能力使得车辆间可以交换信息,车辆与道路基础设施之间可以通信,并由此带动新的研究领域比如交通安全、效率、信息协调、智慧城市等。

    本文将话题限制在决策、运动规划、车辆控制三个方面。

    01 决策

    无人驾驶车辆本质上是基于观测数据流和先验只是的决策系统,观测数据来自: 车载雷达、激光雷达、相机、GPS/INS 、里程计。

    这些观测结合从路网获取的先验知识:交通规则、车辆动态及传感器模型–判断车辆状态、环境状态,做出规划、决策,控制车辆运动。

    图 1.1: 无人驾驶决策层次

    决策包含 4 个层次

    ● 根据路网决定从当前位置去往目的地,需要经行的路线。

    ● 根据交通规则指定局部驾驶任务。

    ● 选择连续路径并通过环境局部导航。

    ● 修正运动规划的执行误差。

    1.1 A. 路线规划

    实现自动驾驶首先要通过路网确定当前位置并选出去往目的地的路线。将路网表示为有向图,边表示为通过路段的代价。通过选择最小代价总和,选出行车路线。

    这样的表示可能存在几万条边,可以通过 Dijkstra 或 A* 寻找最短路径不太实用。有效的路径规划算法–如何在大陆规模的路网中,经过预处理,以毫秒的时间消耗返回最优路径是一个研究热点。

    1.2 B. 行为决策

    确定了驾驶路线后,Behavioral 层的作用是在任意时刻感知其他交通参与者的行为、基础设施信号、并遵守交通规则选择驾驶行为。

    驾驶手册明确规范了驾驶上下文中的操作。因为上下文环境和可操作行为可以建模为有限集合。自然可将每种行为建模成有限状态机。

    一些车队 (如 DARPA Urban challenge 很多参赛队) 将针对各种场景的有限状态机和启发式规则作为行为决策的依据。真实驾驶环境中其他交通参与者的行为、意图存在很多不确定性。

    应对这些不确定性是行为决策层要考虑的问题,大量的研究关注交通参与者的意图预测及轨迹估计,如高斯混合模型、高斯过程回归,从传感器数据直接估计意图的基于模型的方法。

    这种不确定性通常建模为马尔科夫决策过程 (MDPs)。

    1.3 C. 运动规划

    行为决策得出驾驶操作如:循线巡航、变道、右转等。行为需要进一步转化为路径或轨迹输入给低层反馈控制器,这些路径或轨迹必须满足:1)对车辆是可行的,2)对乘客是舒适的,3)车载传感器监测无碰撞。运动规划负责选择这样的路径或轨迹。

    准确的运动规划解难以计算、通常采用数值近似。最常用的是将问题建模为函数空间的非线性优化,图搜索—将车辆状态空间表示为图。

    graph—search 计算最短路径,基于树的方法增量的创建可达状态树,选择最优枝。

    1.4 D. 车辆控制

    控制车辆稳定的执行运动规划种选择的轨迹,轨迹误差反应了控制的精确性,是反馈控制的依据。

    02 规划模型与控制模型

    高保真模型-准确反应了车辆响应,更多细节会是规划与控制问题变得复杂。本节只关注一般模型,旨在阐述与模型规划和控制的一般概念。

    下文会多次提到车辆的位姿:1 车辆某点位置、车头朝向姿态。通过位姿将车辆运动表示为二维的欧氏空间刚体运动。

    2.1 A. 单轨运动学模型

    (Single track model) 也是实际应用中最最基本的模型,想象一下自行车。车辆有前后两轮,刚性连接在一起,车轮与地面需要保持接触,每个轮可以围绕各自轴自由旋转。前轮有围绕纵轴旋转的自由度,该纵轴垂直于运动平面 (前轮转向)。

    图 1.2: 单轨运动学模型

    这种模型除了两轮同步向前无法进行单向整体平移。这种可操作性的局限被称作nonholonomic constraint–是关于哪些方向不能走的约束,属于速度约束–微分约束。

    如图 (1.2) 车辆在静止状态下,惯性坐标系基向量(ˆex, eˆy, eˆz),前后轮位置pf,pr, 车辆方向用角度θ等于eˆx与 pf ,−pr夹角表示。

    前后轮必须满足共线及与地面接触的约束:

    1.后轮与地面接触约束定义:

    2. 前轮与地面接触约束定义:

    车轮与地面接触约束用惯性坐标系基向量的参数表达形式:

    或着用前轮的运动表示:

    通过前轮的运动表示微分约束

    前、后轮速度之间满足模型规划与控制的主要内容包括选择舵角 (或方向盘角度或转向角度等),舵角的可行范围:

    简化方案:用转向角速度 ω 代替舵角 δ

    单轨模型适用于做低速路径规划。与接触约束相比惯性影响比较小可忽略。此模型的主要缺点是允许瞬时舵角的改变在运动规划中会引起一些问题。

    舵角的连续性要求可通过数据增广 (1.5) 添加。

    这样做的缺点就是模型维度变大,从而使运动规划与控制变得复杂。局部坐标系可以选择车轮或质心等。

    2.2 B. 惯性效果

    车辆加速度足够大时,车轮与地面接触的约束可能被违反。此时将车辆看作整个刚体满足动量定律。加速度与地面给轮胎的反作用力成比例。

    于是前、后轮、质心的速度之间的动力学关系如下:

    法向力可用于计算对后轮胎的牵引力

    对前轮的牵引力

    牵引力抵消摩擦力,摩擦力和接触面法线方向的压力成正比,公式 (1.11)- (1.16) 得出车轮上施加的净力的表达式

    由旋转对称 (1.16) 和 (1.17) 的最大值可以得出车辆在能够施加的最大法线力,这个峰值也被称为摩擦锥。

    上述模型在自动驾驶中适用频繁。更底层的电子可靠控制、底盘、悬挂支撑需要更精细复杂的模型。

    03 运动规划

    在行为层计算出车辆的目标位姿,如:行使前方几米远处当前车道的中 心点;或下一个十字路口停车线的中心点;或某个理想的停车场。

    运动规划层主要功能是计算到达目标点的安全、舒适、可执行的轨迹。同时接收车辆附近的静止或运动的障碍物信息,以确保路径或轨迹符合动力学和运动学约束,并且安全平稳无碰撞。

    很多时候,运动规划过程实质上是最小化一个给定的目标函数。除交通时间外,目标函数惩罚冒险的行为或 使乘客不舒服的行为。

    另外运动规划的输出会反馈到控制层,校准车辆运动 以符合运动规划。车辆运动规划的结果可以是一段路径也可以是轨迹。

    在路径规划返回一个函数

    3.1 A 路径规划

    算法复杂度

    过去几十年可行解和优化解都已经被充分研究了,其中算法的复杂度深受关注,由于算法是NP-hard,于是人们转向寻求近似解,或在某些子集中求解。

    概括的看

    在没有障碍物的特定环境下,存在曲率约束的 path,计算可以很高效。大多数情况下没有实用的精确算法,只能求助于数值解。算法的性能取决于问题的定义和人们对收敛速度的要求。

    数值解大致分为 3 大类:

    变分法

    变分法将 path 作为有限维向量的函数,通过非线性连续优化可快速收敛到局部最优解。需要好的初值才能收敛到全局最优解。

    Graph-search 图搜索

    通过将位姿空间表示成离散的图,在所有路径中寻找代价最小的。不容易陷入局部极小解,但只适用有限路径搜索。

    Incremental search 增量搜索方法

    采样可行位姿空间,逐步建立可达图 (通常是树结构),维护可达位姿的离散集合,一旦图足够大,就会有一个节点位于目标区域,理想路径可通过跟踪从当前位姿节点到目标节点的边。

    可以将这些方法结合在一起使用:可先通过一次粗糙的Graph-search 猜测一个初值,再使用变分法求解。

    3.2 B. 轨迹规划

    动态环境或有动态约束的运动规划问题适合用轨迹规划的框架来解决。

    复杂度

    动态环境的轨迹规划是静态环境的 path 规划的泛化,所以也是一个 PSPACE-hard 的问题,相比于 path 规划,trajectory plan 轨迹规划更加难以解决。

    非平凡轨迹规划的精确解无法求取,人们同样寻求数值解,在增加了时间维度后,轨迹规划问题可以转化为 path 规划问题。

    同时轨迹和路径的位姿间存在映射:

    按照可以处理微分约束的 path 规划的求解方法,再将结果转化为轨迹形式就可以了。

    3.3 C. 变分方法

    如上文所述路径规划问题可以看作是单位时间间隔的轨迹规划问题,所以在此通称为轨迹规划。

    轨迹优化是一个非线性连续优化问题,首先将无穷维函数空间投影到有限维的向量空间,把问题 (1.22) 该写为:

    其中 holonomic(位姿约束) 和微分约束 (速度约束等) 表示为相等或小于的约束条件。某些应用中使用惩罚函数将约束优化问题松弛后编程无约束优化问题。

    代价函数变为

    在不等式约束中代价函数变为

    代价函数满足

    这些代价函数背后的直觉之要 ε 足够小,代价函数的极小值就会接近原始的代价函数极小值。这类算法的共性是容易陷入局部极小,需要好的初始值。

    不过总会有解就是了。其中可以通过坐标变换把车轮与地面接触的约束转变为线性约束。给定车辆模型和路段可以有效的计算出耗时最少的轨迹。

    这类方法有两个子类:

    直接法

    直接法将近似解限定在 Π(X , T) 有限维子空间中,假设

    间接法

    就是直接求解常微分方程。可以采用变换自由初始条件直到能够积分到理想的终止状态。这种方法被称为瞄准方法 (shooting method),很形象。

    另外变分方法还有很多,上面只是简短描述一二。

    3.4 D. 图搜索

    1). 车道线图

    (Lane Graph)一个足够好的车道线图包括可以循线行使的路径且路径之间互相连接。车道线图可以是高层街道网络地图加部分人工标注。

    图 1.6: 手绘有驾驶路径

    大多数情况下只要求车辆顺着车道线行使,但是在路网设计的时候没有考虑到的障碍或路网图没有覆盖的区域,车辆需要具备导航功能。

    比如在道路中间出现抛锚的车辆,就需要避开障碍物,保证车辆安全通过。

    解决方案 (根据如何表示障碍物) 大致分为两大类:

    1)几何 (组合方法),障碍物表示为多边形或多面体。

    2) 回避如何表示障碍物,转为判断给定的路径是否 与障碍物碰撞,称为采样的方法。

    2). 几何方法

    如前所述,可达位姿表示为图上的节点,节点之间的边对应连接两个位姿的路径。

    对于有最大曲率约束的路径规划问题是NP-hard 的,已经有多项式复杂度的算法能够得出近似解。

    3). 基于采样的方法

    变分法难以避免陷入局部最优,然而计算代价比较大。路径规划问题的复杂性,远非曲率约束能够概括,基于图的方法不够用来处理复杂的状况。

    人们转而考虑基于采样的方法,仅仅探索位姿是否可达,以及路径上是否存在障碍。

    图 1.7: 有网格/无网格 的基元图

    (a)90 度左转圆弧、90 度右转圆弧、直线

    (b)89 度左转圆弧、89 度右转圆弧、直线

    由于分支在原点形成环,所以最终是树而不是网格状的,覆盖面积比较小。

    图 1.8: 递归生成 roadmap

    从 X 中产生离散样本集覆盖 X,连接他们中的可行路径得到。

    图 1.9: 基于采样的 Roadmap Construction

    这类方法基本遵循上述流程,区别在于采样点数 (X , n) 和邻域 (x, V ) 的选择。新的算法总是不断涌现。

    4).Graph Search Strategies

    前面三小节 (1.3.4),(1.3.4),(1.3.4) 是关于如何建立图,本节是关于如何搜索路径。

    最著名的路径搜索算法 Dijkstra,算法通过将一个点到所有其他点的最短路径建成树结构。

    如果只有一条路径可用,人们会采用启发式搜索,最著名的 A*,还有加权 A*。及根据传感器部分更新path 的 D*、Focussed D*、D* Lite 算法等等,新的算法层出不穷。

    3.5 E. 增量搜索策略

    对固定图的搜索,可能无法返回可行路径或只能得到次优解。增量搜索则可为 X 建立越来越精细的图,同时在每一级判断是否存在可行路径。本质上是提供一系列路径,这些路径质量越来越高逐步接近最优路径。

    缺点是不同分辨率的图上互相独立进行路径规划,缺乏对信息的重用;还有以多快的速度增加分辨率、如何增加节点都需要考虑。为解决这些问题通常将增加离散度和路径规划集成在一个过程中完成。

    增量路径规划从起始位姿开始向外生成一棵树 (explore the X 空间),探索行为是指从树中随机选择一个点,展开这个点是指从这个点开始执行驾驶函数 (1.3.4),当这棵树足够大的时候,会找到从初始位姿到目标位姿的路径。

    代表算法如 expansive spaces tree(EST),Rapid-exploring Random Trees(RRT),及改进 RRT 的 RRT*。

    图 1.10: incremental tree-based algorithm

    3.6 F.Practical Deployments

    上面列举的 motion plan 都有实际应用的案例,且各车队采用的方案有很大不同。

    ● CMU’s BOSS vehicle: 变分法 +lattice graph+ anytime D*

    ● runner-up vehicle:search strategy+ Hybrid A* + motion primitives

    ● VictorTango :graph discretization of possible maneuvers + A* search

    ● MIT:RRT

    04 车辆控制

    路径规划 (1.3.1) 和轨迹规划 (1.22) 之后, 需要车辆稳定地沿着给定的路径、轨迹行使。

    常用的反馈控制原则

    其中反馈函数是关于参考路径上的最近点的函数。如果路径自相交或不可微那么闭环向量 f(x, u(x)) 就不能保证连续,进而导致不可预料的问题。轨迹控制比较直接,但是会受控制器操作的限制。

    多数情况下,分析轨迹稳定性可以归结为判断时变系统的原点的稳定性。Lyapunov 理论的基本形式只适用于时不变系统。

    时变系统的稳定性指标包括:

    ● 一致渐近稳定性:上面条件 1) 中,δ 独立于 t1。

    ● 指数稳定性:衰减速率有指数形式的上确界。

    可以看到到控制器表示为时间趋近无穷时的轨迹误差。而实际应用中,轨迹是有限的,因此需要考虑到系统的过渡状态的响应。

    4.1 A. 动力学模型的路径稳定性

    pure pursuit 轨迹追踪

    轨迹追踪及其变种算法,易于部署且性能可靠。

    图 1.11: pure pursuit: 在后轮和参考路径 (褐色线) 拟合一个圆 (蓝 色),从后轮向前 L 距离 (圆上弦长),圆在这点与车辆前进方向相切

    从车辆当前位置前进方向一个观测半经 L 与路径有一个交点,穿过此交点和车辆当前位置拟合一个半圆,在交点处与车辆前进方向相切。

    圆的曲率满足

    基于后轮位置的反馈

    图 1.12: 后轮反馈控制

    跟随误差:

    t 时刻路径 s(t) 点切向量

    基于前轮位置的反馈

    图 1.13: 前轮反馈控制

    前轮反馈控制通过将前轮方向指向路径,使得前轮速度在路径法线的分量与车轮到路径的距离成正比。收敛速度是指数的。

    横向误差满足:

    可通过 δ 舵角控制。

    在采用前轮控制的时候,后轮路径相应的变为

    前轮反馈控制方法可以稳定的控制车辆在连续可微有变化曲率的路径上行使。也就是适用于我们见到的各种路段。缺点是在逆行不稳定,所以不适用于停车。

    总结

    上述基于运动学模型的车辆控制具有计算负荷低,易于应用的特点、中等行车速度时性能好。

    图 1.14: 前轮反馈控制

    图 1.15: 前轮反馈控制参数

    轨迹追踪方法适用于没有曲率的平直路段。在高曲率路段,可能会偏离参考路径。而基于前轮和后轮控制的方法则可以使车辆顺利通过。另外这三种方法都要求路径不可以自相交叉并且需要可微。

    4.2 B. 动力学模型的轨迹跟踪

    1). 基于 Lyapunov 的设计

    在惯性坐标系中,由于轨迹带来的局部坐标误差:

    车辆位姿变化的梯度

    其中

    2). 输出反馈线性化

    高速运行的车辆,为保证连续运动需要约束舵角。增加的约束使得控制变得困难,将输出线性化是个不错的选择。

    定义控制变量

    输入的控制

    4.3 C. 预测控制方法

    对无人驾驶车辆应用运动规划控制需要在每秒内多次求解上述二次规划问题。这是一个巨大的计算负担,常常用内点法在多项式时间内求解二次规划问题。

    近似线性模型:

    然后控制规则变为:

    在此基础上有很多变种预测模型:

    1). 无约束 MPC 及动力学模型 不使用输入约束和状态约束及 CARIMA(受 控自回归积分滑动平均)。采用半闭环线性二次规划方法,计算负载小。

    2). 路径跟踪控制器 路径追踪和近似驾驶模型,对质心积分的线性动态模 型。

    3). 轨迹跟踪控制器 在冰雪环境下,采用轮胎模型,速度 21m/s 可以稳定 控制车辆。

    4.4 线性参数变化控制

    如 (1.32) 位姿的梯度可以表示为

    05 结论

    过去三十年无人驾驶技术飞速发展,计算和感知硬件也突飞猛进,算法研究和路网得建设也日新月异。整个无人驾驶系统每个环节得进步都会激起连锁反应,本文只是对各个方面做了简要的介绍,更多得细节和不断深入的研究等着大家的参与。

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