无人驾驶汽车技术与应用 课件 第1章 无人驾驶汽车概述

第1章无人驾驶汽车概述演讲人导读：无人驾驶汽车是一种能够在没有人工干预的情况下自主驾驶的汽车。这项技术融合了人工智能、传感器技术、数据处理和机器学习等前沿科技，旨在提高交通安全、减少交通拥堵并提升出行效率。本章介绍了无人驾驶的概念、分级、发展现状和关键技术。学习目标：1.了解无人驾驶汽车发展现状。2.掌握无人驾驶汽车定义与分级。3.掌握无人驾驶汽车关键技术。1.1无人驾驶汽车定义与分级1.1.1无人驾驶汽车的定义自动驾驶汽车是指那些能够在没有人工干预的情况下自动控制自身行驶的车辆。这种技术融合了多种先进技术和系统，旨在提高交通安全性、减少驾驶负担，并在长期内改变交通方式。自动驾驶汽车的核心技术包括传感器系统、数据融合和处理、决策和控制系统、定位与地图等。自动驾驶汽车依赖于多种传感器来感知环境。常见的传感器包括摄像头、雷达、激光雷达（LIDAR）和超声波传感器。摄像头用于捕捉道路标志、交通信号和行人等信息；雷达和LIDAR可以检测车辆周围的物体距离和速度；超声波传感器常用于近距离探测，如泊车辅助。传感器收集的数据需要通过高级算法进行处理和融合。数据融合技术将来自不同传感器的信息综合起来，提供一个全面的环境视图。处理系统通常包括计算机视觉、机器学习和人工智能算法，用于识别物体、预测行为和制定驾驶决策。1.1无人驾驶汽车定义与分级1.1.1无人驾驶汽车的定义logo无人驾驶代表的是更高级别的自动驾驶技术，能够在特定的工况乃至全部工况下完成全部的驾驶目标。1.1无人驾驶汽车定义与分级1.1.1无人驾驶汽车的定义与智能汽车相比，无人驾驶汽车需要具有更先进的环境感知系统、中央决策系统以及底层控制系统。无人驾驶汽车的核心在于其感知系统，这些系统通过各种传感器来收集和理解周围环境的信息，利用多种车载传感器完整感知车辆周围的动态环境信息，这些信息包括车辆前方、侧面和后方的视觉信息等，1.1无人驾驶汽车定义与分级1.1.2国际无人驾驶汽车等级划分（1）美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）的划分标准

2013年，美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）率先发布了自动驾驶的分级标准，自动化分为以下四个级别：1）特定功能自动驾驶。车辆具备一个或多个自动控制功能，如电子稳定性控制（ESC）或自动紧急制动（AEB），可协助驾驶员控制车辆或更快停车。2）复合功能自动驾驶。该级别系统整合至少两个控制功能（如自适应巡航和车道保持），无需驾驶员手动控制，但驾驶员需始终监控系统，并在紧急情况下接管车辆。1.1无人驾驶汽车定义与分级1.1.2国际无人驾驶汽车等级划分3）有限条件无人驾驶车辆可在特定驾驶环境下实现自动驾驶。驾驶员无需操作或持续监控系统，但在环境变化时，系统会判断是否需要交由驾驶员控制。目前，谷歌的无人驾驶汽车大致处于这一阶段。4）全工况无人驾驶。车辆在任何环境下均可实现全自动控制，完全由系统检测并应对交通环境，乘客只需输入目的地，无需任何手动干预。该级别可称为“全自动驾驶”或“无人驾驶”。1.1无人驾驶汽车定义与分级1.1.2国际无人驾驶汽车等级划分级别自动化等级驾驶员责任示例0级无自动化驾驶员完全负责没有任何辅助系统的基础车辆1级驾驶辅助驾驶员控制车辆并得到辅助自适应巡航或车道保持辅助2级部分自动化驾驶员监控系统，车辆提供部分辅助车道保持与自适应巡航的结合3级有条件自动化系统在特定条件下驾驶，驾驶员可接管高速公路上的自动驾驶，必要时交给驾驶员4级高度自动化系统在定义的区域内驾驶，不需要驾驶员干预特定区域或条件下的自动驾驶（如无人出租车）5级完全自动化系统完全自主驾驶驾驶员不需要参与在所有条件下完全自主驾驶的车辆(如未来的自动驾驶车辆1.1无人驾驶汽车定义与分级1.1.2国际无人驾驶汽车等级划分（2）国际自动化工程师协会（SAE）的划分标准2014年，SAE(SAEInternational，SocietyofAutomotiveEngineers国际自动机工程师学会，原译为美国汽车工程师学会)也制定了一套自动驾驶汽车分级标准SAEJ3016《标准道路机动车驾驶自动化系统分类与定义》，其对自动化的描述分为5个等级。1.1无人驾驶汽车定义与分级1.1.2国际无人驾驶汽车等级划分L0：驾驶员完全掌控车辆。L1：自动系统偶尔能帮助驾驶员完成部分驾驶任务。L2：自动系统可以完成部分驾驶任务，但驾驶员仍需监控驾驶环境，并在必要时接管。在此级别，系统的感知或判断错误需由驾驶员及时纠正。大多数车企已提供L2级别的自动系统，并根据不同使用场景（如低速拥堵、快速行驶和自动泊车）进行分割。L3：自动系统不仅能执行部分驾驶任务，还能在某些情况下监控环境，但驾驶员需随时准备接管。当系统请求时，驾驶员必须重新控制车辆，因此驾驶员仍无法完全放松或睡觉。L3是车企在L2基础上深入研究的领域。L4：在特定环境和条件下，自动系统可以完全负责驾驶和环境监控。在这些情况下，所有驾驶任务都由系统执行，驾驶员无需干预。L5：自动系统能够在任何条件下完成所有驾驶任务，无需人类参与。1.1无人驾驶汽车定义与分级1.1.2国际无人驾驶汽车等级划分表SAE自动驾驶分级分级名称车辆横向和纵向运行动控制目标和事件探测与响应动态驾驶任务接管0级应急辅助驾驶员驾驶员及系统驾驶员1级部分驾驶辅助驾驶员和系统驾驶员及系统驾驶员2级组合驾驶辅助系统驾驶员及系统驾驶员3级有条件自动驾驶系统系统动态驾驶任务接管用户4级高度自动驾驶系统系统系统5级完全自动驾驶系统系统系统1.1无人驾驶汽车定义与分级1.1.2中国无人驾驶汽车等级划分中国对无人驾驶汽车的分级首次出现在《中国制造2025》重点领域技术路线图中，将汽车按智能化和网联化两个发展方向进行分级。与SAE自动驾驶分级基本保持对应，SAE-China将自动驾驶汽车分为DA、PA、CA、HA、FA5个等级

1级驾驶辅助系统包括自适应巡航控制、车道偏离预警、车道保持、盲区监测、自动制动和辅助泊车等功能，帮助驾驶员在某些情况下更轻松安全地操作车辆。2级部分自动驾驶系统能够实现车道内自动驾驶、换道辅助以及全自动泊车等功能，系统在一定程度上能够控制车辆，但驾驶员仍需随时接管。1无人驾驶汽车定义与分级中国无人驾驶汽车等级划分3级有条件自动驾驶系统可在特定条件下，如高速公路或城郊公路，实现自动驾驶。此级别的系统还能支持协同式队列行驶和交叉口通行辅助，但驾驶员仍需在系统请求时随时准备接管车辆。4级高度自动驾驶系统在特定条件下可完全控制车辆，功能包括堵车辅助、高速公路自动驾驶和泊车引导系统等。目前，4级技术尚未在量产车型中广泛应用，但未来几年内部分技术可能实现量产。5级完全自动驾驶意味着车辆能够在任何条件下完全自主行驶，无需驾驶员干预。这将彻底解放驾驶员，使他们可以在车上从事其他活动，如上网、办公、娱乐或休息。1.2无人驾驶汽车发展现状1.2.1无人驾驶汽车发展现状自动驾驶是一个复杂的软硬件结合系统，主要包括三个核心技术模块：感知定位、决策规划和控制执行。感知定位模块：通过摄像头、雷达等高精度传感器获取车辆周围的环境信息，确保系统对车辆位置及周边物体的精准感知，为自动驾驶提供基础数据支持。决策规划模块：根据感知系统提供的车辆定位和周边环境数据，使用适当的算法和模型进行路径规划和决策，决定车辆的行驶路线和策略。控制执行模块：采用自适应控制和协同控制方式，将决策模块的输出转化为具体的操作命令，驱动车辆执行相应的动作，确保车辆按照预定路线安全行驶。2无人驾驶汽车发展现状2.1无人驾驶汽车发展现状logo图

自动驾驶系统架构框图1.2无人驾驶汽车发展现状1.环境感知环境感知与识别系统一般由三个子系统组成：传感器系统、传感器数据处理和多传感器数据融合。（1）传感器系统传感器系统通常采用摄像机、激光雷达、超声传感器、毫米波雷达、全球导航卫星系统（GNSS）、里程计和磁罗盘等车载传感器感知环境。视觉传感器包括单目和多目彩色摄像机，而距离探测设备如声呐、毫米波雷达和激光雷达可以获取目标的相对速度和三维点云数据。1.2无人驾驶汽车发展现状1.环境感知（2）数据处理传感器采集到的信息进行分析和处理，提取有用信息并理解环境变化。（3）多传感器数据融合将来自不同传感器的数据整合，提升环境感知的精度和可靠性。激光雷达和毫米波雷达通过三维点云数据提供精确的物体检测，里程计和惯性传感器则用于估计车辆的运动状态，帮助提高感知系统的整体性能。1.2无人驾驶汽车发展现状2.决策规划（1）路由寻径路由寻径模块相当于无人车内部的导航系统，负责宏观层面上规划从起点到终点的最佳行驶路径。与传统导航不同，路由寻径高度依赖高精地图来为无人车提供精确的路线指引。高精地图为无人车提供了更详细的道路信息，使其在复杂路况下能够更精准地规划行驶路径。路由寻径模块产生的路径信息，直接被下游的行为决策模块所使用。1.2无人驾驶汽车发展现状2.决策规划（2）行为决策行为决策基于路由寻径结果，同时结合环境感知数据和地图信息，宏观上决定无人车的行驶策略。（3）动作规划动作规划则处理车辆的具体操作，是整个机器人领域中的相对简单问题。由于车辆的轨迹在二维平面上运行，动作规划需要优化车辆的行驶轨迹，使其在方向盘和油门的操控下，沿着平滑、连续的路径行驶。1.2无人驾驶汽车发展现状3.控制执行控制执行模块位于自动驾驶架构的最底层，是与车辆底层控制接口（如CANBUS）直接对接的关键模块。其核心任务是接收上层动作规划模块生成的轨迹点，并通过一系列基于车身属性和外部物理环境的动力学计算，转换为具体的车辆操作命令。控制执行模块的主要子模块包括：（1）纵向控制模块负责车辆的加速和减速控制，涵盖油门和刹车的精确调节。（2）横向控制模块负责车辆的转向控制，确保车辆沿规划轨迹精确行驶。（3）动力学模型计算模块结合车辆的动力学特性，计算出合理的控制信号。（4）稳定性控制模块保证车辆在复杂路况或极端操控情况下的行驶稳定性。1.2无人驾驶汽车发展现状3.控制执行（5）底层控制接口模块与车辆硬件（如ECU）进行通信，通常通过CAN总线。（6）执行器控制模块负责对具体执行器（如油门、刹车、转向系统等）的操作。1.2无人驾驶汽车发展现状1.2.2无人驾驶汽车发展前景目前，全球智能无人驾驶汽车的前景非常乐观，尤其在就业领域潜力巨大。根据《中国无人驾驶汽车行业发展前景预测与投资战略规划分析报告》显示，智能无人驾驶汽车的发展规模已超出市场预期。随着智能互联网技术的进步和5G网络的普及，越来越多的互联网公司纷纷加入无人驾驶汽车行业，推动该产业的快速发展。

1.2无人驾驶汽车发展现状1.2.2无人驾驶汽车发展前景在中国，无人驾驶汽车的需求也在不断上升，部分原因是中国的交通事故率较高，而汽车保有量的快速增长进一步增加了交通事故的风险。5G网络的全面商用化加速了无人驾驶技术的发展。5G不仅为手机通信带来了革命性的改变，还将其高速、低延迟的特点应用于无人驾驶汽车，使智能化深入融入人们的日常生活。目前，中国多地已推出智能网联汽车测试管理政策，包括北京、上海、深圳、天津、杭州、长沙和河南省等地区。1.3无人驾驶汽车关键技术自动驾驶汽车技术架构较为复杂，涉及了多领域的交叉互容，例如汽车、交通、通信等，基于自动驾驶相关的软硬件、辅助开发工具、行业标准等各方面关键问题1.3无人驾驶汽车关键技术（1）环境感知技术自动驾驶汽车必须具备实时且高质量的环境感知能力，这为其安全行驶提供基础支持。环境感知依赖于多种核心技术，其中包括基于计算机视觉的图像处理技术，用于识别和分析车辆周围的视觉信息。（2）智能决策技术智能决策系统是自动驾驶汽车在行驶过程中充当“指挥者”的角色。它需要处理包括突发危险情况的应对、优先级判别、场景特征分析、运动规划等多个方面的复杂问题。1.3无人驾驶汽车关键技术（3）控制执行技术基于汽车作为轮式机器人的独特结构和动力学特性，自动驾驶系统需要根据智能决策模块生成的目标行为与轨迹，精准地控制车辆的横向与纵向运动。（4）V2X通信技术实现自动驾驶的高效协同和安全运行，需依赖车辆专用通信系统，以确保车间信息共享和协同控制的通信保障。1.3无人驾驶汽车关键技术（5）云平台与大数据技术实现智能网联汽车的高效运行和管理，需要依托云平台架构与数据交互标准。这些技术构成了智能网联汽车的核心支撑体系，具体包括：云平台架构与数据交互标准：智能网联汽车通过云平台架构实现数据的共享与管理，数据交互标准确保不同车辆、设备和系统之间的数据通信和协同操作。1.3无人驾驶汽车关键技术（6）信息安全技术为了保障智能网联汽车的信息安全，必须建立完善的安全体系，涵盖以下关键技术和机制：汽