餘貴珍，清華大學汽車繫博士後，北京航空航天大學交通科學與工程學院教授。主持項目有：
1、車輛側向安全預警關鍵技術研究 國家自然基金 2010/01-2012/12
2、道路大型營運客車安全性能檢測與預警集成 863課題 2009/1-2011/12
3、基於Paramics的智能道路繫統仿真環境開發 863課題 2007/06-2008/12
4、液壓ABS測試試驗臺軟件開發 橫向課題 2008/01-2008/12
5、廣州APTS軟件設計 橫向課題 2007/06-2008/04
參與課題：
1、車輛制動防抱死繫統（ABS）產業化開發 國防科工委 2006/01-2008/12
2、大滑移率條件下單軌車輛制動失穩機理研究 國家自然基金 2006/01-2007/12
3、節能與新能源汽車中央監控繫統研究與軟件開發 863課題 2007/06-2009/06
主編教材：
《汽車動力學及其控制》
論文：公發表論文34篇，EI/ISTP檢索 21篇

前言

自動駕駛技術為當前汽車領域研究的熱點，是未來汽車工業發展的主流方向。其對交通運輸業有著深遠的影響。隨著人工智能、傳感檢測等核心技術的不斷突破和推進，自動駕駛必將更加智能化，同時也將應用到多個行業和產業中。自動駕駛是智能輔助駕駛發展的形態，主要由感知、控制、執行三大部分組成。截至目前，世界各國整車廠、IT公司和各大研究機構均推出了不同程度的輔助駕駛汽車技術，現有的自動駕駛技術研究主要基於乘用車和商用車等道路運輸車輛。
車輛自動駕駛技術的形態——無人駕駛，已經不再遙遠。世界主要強國紛紛聚焦自動駕駛關鍵技術，政府制定相關政策、法規，整車廠、互聯網公司、高校研究所進行科技攻關。我國國家發展和改革委員會、工業和信息化部和科技部三部委在2017年4月聯合發布了《汽車產業中長期發展規劃》，其中提到： 到2020年，汽車DA(駕駛輔助)、PA(部分自動駕駛)、CA(有條件自動駕駛)繫統新車裝配率超過50%，網聯式駕駛輔助繫統裝配率達到10%，滿足智慧交通城市建設需求。到2025年，汽車DA、PA、CA新車裝配率達80%，其中PA、CA級新車裝配率達25%，高度自動駕駛和完全自動駕駛汽車開始進入市場。當前依托火熱的人工智能技術，自動駕駛已取得了巨大突破，讓自動駕駛距離我們的生活更近了一步。
隨著自動駕駛的熱潮，當前國內傳統的整車廠、零部件供應商及各地研究院都主推自動駕駛相關業務，同時還湧現了一大批新興的自動駕駛初創公司。但當前國內相關專業的人纔稀缺，因此要保證國家自動駕駛技術發展需要重視對自動駕駛相關專業人纔的培養。
本書為自動駕駛技術叢書中的第6冊，屬於技術彙總和應用介紹。主要從自動駕駛繫統架構、自動駕駛安全設計、車輛總線及通信技術、自動駕駛測試與評價以及自動駕駛技術的實現和應用等幾部分對自動駕駛技術進行介紹。本書面向想要從事或正在從事自動駕駛事業的技術人員，高校自動駕駛專業的本科生和研究生以及熱愛自動駕駛技術的讀者。
為適應自動駕駛事業迅猛發展的要求，北京航空航天大學開設了自動駕駛研究生專業。我們總結了近10年來教學和科研的經驗，利用北京航空航天大學與國內外高校和汽車廠商的長期合作優勢，連同百度共同編寫了本書。
本書在編寫過程中得到了來自百度公司和北京航空航天大學等高校的多位專家、老師、同學的參與和支持，包括北京航空航天大學的高哈爾、郭雅馨、李涵、劉蓬菲、聶志鵬、王章宇（按姓氏拼音排列），河北科技大學的白宇，北京聯合大盛，百度公司的鮑澤文、陳博文、傅軼群、胡星、劉盛翔、王亞麗、邢亮、雲朋（按姓氏拼音排列）等。

由於編寫時間短、編者水平有限加之經驗不足，本書難免有疏漏和不足之處，懇請各位同行和讀者批評指正。

編者於北京航空航天大學
2019年8月

第5章自動駕駛應用——自動駕駛小車

5.1自動駕駛小車概述
從20世紀70年代開始，發達國家就開始了智能車的相關研究。其中，美國在無人駕駛領域上的研究應該屬於世界上早的一批國家，其於20世紀80年代研發了一種能夠在校園內自動駕駛的智能車［1］。由於智能車涉及眾多學科領域，所以在短期內實現完全無人控制的智能車具有很大難度。經過大量研究後，從20世紀80年代開始，汽車駕駛輔助技術逐漸應用到整車繫統中。
出於安全、高效、可操縱性方面的考慮，大多數無人駕駛車輛的初期研究都基於自動駕駛小車。自動駕駛小車是一個快速運轉，可以自主運動、重復運動的自動化設備，對於汽車行業的工藝技術和智能化發展起著一定的導向作用。自動駕駛小車可視作自動駕駛智能車輛的微縮模型，近年來也得到了學術界的廣泛關注和研究。自動駕駛小車相關技術的研究包含內容十分廣泛，例如，通過獲取傳感器的環境感知信息，實時進行規劃以及決策，執行各項決策指令，實現按照預定路徑行駛，主動規避行駛區域內的障礙物等。現代傳感器技術、芯片計算能力、控制技術的迅速發展改善了自動駕駛小車的實時響應。計算機、網絡通信、機器視覺、雷達、定位等技術的發展使得小車更加智能化［2］。
自動駕駛車輛的研究早開始於20世紀50年代。總體而言，智能小車的發展經歷了三個階段。
階段： 1954年，美國研究出臺自主引導車，該車是一個在固定線路上運行的拖車。初研究智能車輛的目的是提高倉庫內貨物搬運效率，實現自動化。
第二階段： 20世紀80年代，隨著智能車輛應用領域的擴大，許多國家開始了智能車輛的研制工作。美國於1995年成立了NAHSC(國家高速公路繫統聯盟)，規劃發展智能車輛技術。國內對智能車輛的研究工作也始於該時期。國防科技大學研制出國內首臺智能車，該車不僅包括視覺傳感器繫統、定位定向繫統，還配備有路徑規劃、自動駕駛、運動控制等繫統。中科院自動化研究所將地下埋線式導航技術在AGVS(自動引導車輛)上進行研究，實現了車輛運行的自動化。
第三階段： 進入21世紀，國內外各種研究性和教學性的智能小車遍地開花，有基於單片機的巡線小車，基於微型計算機和攝像頭的視覺識別小車，也有基於人工智能開發板和更多傳感器的智能小車。
自動駕駛小車涵蓋的研究領域涉及計算機科學、人工智能、信號處理、模式識別、控制科學、機械工程等，高效算法的產生為智能車輛的發展奠定了堅實的基礎，另外學科交叉互融也在很大程度上促進了自動駕駛小車的發展［3］。
5.1.1小車結構介紹
自動駕駛小車的設計目標是將車載傳感器、控制結構、決策機構以及通信模塊等功能結合起來。自動駕駛小車的性能表現很大程度上由小車繫統平臺的內部結構決定，因此，小車結構的設計至關重要。
由於小車平臺研究的終目的是仿照駕駛員駕駛車輛行駛的過程，所以小車的平臺應模擬駕駛員的駕駛車輛，具體包括三個部分： 感知繫統、規劃決策繫統和執行繫統。如圖5.1~5.3所示，在當前的學術研究中智能車輛的體繫結構主要有三種： 分級結構、反饋結構和決策執行結構。

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圖5.1分級結構

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圖5.2反饋結構

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圖5.3決策執行結構

早期的智能小車大多數采取分級結構。作為原始的結構，小車繫統按照流程執行環境感知、決策規劃以及動作執行，往復循環。這種體繫結構的缺點在於冗餘結構過多，當周圍環境感知信息過多，計算量較大時，易出現工作停滯延遲等現像，因此這種體繫結構在之後的研究中漸漸地被摒棄或改善。
20世紀90年代，反饋結構在智能小車中得到了較廣泛的應用。通過關聯感知模塊與執行模塊，可以減少算法的復雜度，大大提高了智能小車的反應時間。然而，在這種結構中缺少規劃環節，會導致智能小車無法達到決策。
隨著人工智能的快速發展，20世紀90年代後，決策執行機構快速發展並得到廣泛應用。該結構相對復雜，采用異步處理技術，可以使小車反復自主執行。隨著通信網絡的發展，智能小車的研究又與車聯網通信相結合，通過智能道路繫統和雲計算等大大提升了智能小車的繫統性能。
為了提高大學生的動手能力、創新能力和團隊協作能力，*從2005年牽頭舉辦全國大學生飛思卡爾智能汽車競賽。該競賽一年一屆，以促進智能汽車的研究為目的，涵蓋了機械、電氣、計算機以及控制等學科知識，在提高學生創新實踐能力的同時，也推動了國內智能汽車的研究。圖5.4所示為飛思卡爾杯智能汽車競賽。

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圖5.4全國飛思卡爾杯智能汽車競賽

5.2自動駕駛小車軟硬件
5.2.1自動駕駛小車繫統架構

汽車底盤由4大繫統組成： 轉向繫統、動力傳動繫統、制動繫統和行駛繫統，如圖5.5所示。自動駕駛小車是仿真賽車的模型車，與真實汽車一樣，底盤具

備4大繫統，隻是在具體結構上略有差異。本節將參照汽車的結構講解智能車的各機械繫統。
以圖5.6為例，該智能車車模車架長為25cm，寬為17.5cm。底盤采用具有較強的彈性和剛性纖維材料制作，厚度為2.5mm，全車采用滾珠軸承。前後輪輪軸高度可以調節。