智能车辆设计与控制基础课件：智能车辆概述

智能车辆概述1.1引言汽车“智能化”是汽车产业与信息技术、智能技术等新兴技术的融合，已成为汽车产业发展的战略方向。智能汽车作为汽车技术的发展目标和新技术应用的重要载体，其是集环境感知、规划决策、智能控制等功能于一体的综合系统，它集中运用了计算机、现代传感、信息融合、通讯、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。目前对智能车辆的研究主要致力于提高汽车的安全性、舒适性，以及提供优秀的人车交互性能。近年来，智能车辆己经成为世界车辆工程领域研究的热点和汽车工业增长的新动力，很多发达国家都将其纳入各自重点发展的智能交通系统当中。在以智能化、网联化为重要特征的全球新一轮科技革命和产业变革影响下，以及人工智能与新一代信息技术的推动下，汽车技术向电动化、智能化、网联化和共享化方向快速发展。2018年日本汽车工业协会会长丰田章男宣布提出了“智能互联城市”概念，并提出丰田汽车的新四化（电动化，智能化，网联化和共享化）发展战略。随着汽车产业的不断演化，汽车“新四化”发展方向逐渐被行业广泛认可，即“电动汽车/新能源汽车、智能/自动驾驶汽车、车联网/互联网汽车、共享汽车”。《智能汽车创新发展战略》对智能汽车做出了初步定义：即通过搭载先进传感器等装置，运用人工智能等新技术，具有自动驾驶功能，并逐步成为智能移动空间和应用终端的新一代汽车。《中国汽车技术基础软件白皮书2.0》对智能汽车的定义进行了扩展：智能汽车由单车智能与车联网组成，是指通过搭载先进传感器、控制器、执行器等装置，融合信息通信、物联网、大数据、云计算、人工智能等新技术，实现车内网、车外网、车际网的智能信息交换、共享，具备信息共享、复杂环境感知、智能化决策以及自动化协同控制功能，与智能公路与辅助设施共同组成智能移动空间和应用终端的新一代智能出行系统。1.2.1智能车辆的定义2020年2月2021年9月L0级该级为应急辅助，不承担持续控制的任务，只具备持续监测和应急响应的能力。主要由人控制，由人与系统共同监视。L1级该级为部分驾驶辅助，在特定的运行范围内系统可持续执行横向或纵向控制任务。由人与系统共同控制、共同监视。例如自适应巡航、车道保持等功能。L2级该级为组合驾驶辅助，在特定的运行范围内系统持续执行横向和纵向控制任务。由系统进行控制，人负责监视。例如交通拥堵辅助、自动泊车等功能。L3级该级为有条件自动驾驶，在特定的运行范围内，系统持续执行整个动态驾驶任务。由系统进行控制和监视，人只负责特殊情况的失效应对。例如高速公路有条件自动驾驶等。L4级该级为高度自动驾驶，在特定的运行范围内，系统持续执行整个动态驾驶任务。由系统进行控制和监视，并对突发情况进行失效应对。例如高速公路高度自动驾驶等。L5级该级为完全自动驾驶，自动驾驶系统无条件执行所有动态驾驶任务，无需人进行任何干预操作。由系统进行全面控制，处理动态驾驶中所有任务，人被完全解放出来。根据分级，可用发现L3级自动驾驶均是技术分界线。对于L2级及以下的自动驾驶，由驾驶员主要负责完成环境监测，并在感知出现问题时立即做出修正和响应。而L3级及以上的自动驾驶，环境监测主要由系统完成，驾驶员可短暂地从驾驶任务中脱离出来。1.2.2车辆智能化分级L0级：车辆横向及纵向运动控制均由驾驶员完成，系统不能持续执行动态驾驶任务中的车辆横向或纵向运动控制，但具备持续执行动态驾驶任务中的部分目标和事件探测与响应能力。上图为L0级自动驾驶中的车道偏离预警系统、与自动紧急制动系统。L1级：系统在其设计运行条件下持续地执行动态驾驶任务中的车辆横向或纵向运动控制，且具备与所执行的车辆横向或纵向运动控制相适应的部分目标和事件探测与响应能力。在自动驾驶系统执行自动驾驶任务的过程中，驾驶员需要充当安全员的角色，驾驶员可以随时介入并立即解除自动驾驶系统控制权。上图为L1级自动驾驶中的车道保持与自适应巡航。1.2.2智能驾驶定义与智能化分级L2级：系统在其设计运行条件下持续地执行动态驾驶任务中的车辆横向和纵向运动控制，且具备与所执行的车辆横向和纵向运动控制相适应的部分目标和事件探测与响应能力。上图为L2级的自动驾驶功能有自动泊车、自动变道技术。L3级：系统在限定的场景内能够完成所有的动态驾驶任务，但是要求驾驶员时刻准备在系统失效或者超出设计域时接管驾驶任务。在这一阶段中自动驾驶系统已经可以独立完成部分驾驶场景中的自动驾驶功能，驾驶员只需要完成安全员的角色，监管自动驾驶系统的驾驶行为。上图为L3级的自动驾驶功能有高速公路的Autopilot自动驾驶。1.2.2智能驾驶定义与智能化分级L4级：系统在其设计运行条件下持续地执行全部动态驾驶任务并自动执行最小风险策略。在这一阶段中自动驾驶系统可以独立完成规定的驾驶场景中（如园区、学校等）的自动驾驶功能，驾驶员依旧需要充当安全员的角色，监管自动驾驶系统的驾驶行为。上图为L4级自动驾驶功能的无人出租车和L4卡车。L5级：系统在任何可行驾驶条件下持续地执行全部动态驾驶任务并自动执行最小风险策略，不需要驾驶员介入。在这一阶段自动驾驶系统可以独立完成所有驾驶场景中的自动驾驶功能，保障车内乘客的安全。上图为奥迪发布的L5级自动驾驶概念车Aicon。1.2.2智能驾驶定义与智能化分级

智能车辆的结构与传统车辆的结构类似，主要由动力系统、座舱、电气系统、线控底盘和车身等组成，但智能化也对车辆结构提出了新的发展方向，包括外设传感装置、模块化车身、线控底盘等。智能汽车的车身相较于传统车辆的车身系统，增设了多种用于环境感知的传感器：如激光雷达、摄像头、毫米波雷达与超声波雷达等，这些传感器帮助智能汽车采集周围环境的多维信息和相邻交通参与者状态，引导智能决策系统进行决策。汽车模块化设计是一种将汽车划分为若干个独立的功能模块，通过模块的组合与扩展，实现汽车个性化与多样化的设计方法。线控底盘是汽车智能化和电动化交汇点，也是智能驾驶汽车主要的控制执行机构。在数字化与智能化的不断发展中，线控底盘不断集自动驾驶功能、车联网功能与自主学习能力，形成一套自主完善、便于拓展的智能平台，为智能汽车的优化设计、升级和个性化服务提供更多可能。1.3.1智能车辆的结构

汽车电子电气架构（EEA，Electrical/ElectronicArchitecture）是集合汽车的电子电气系统原理设计、中央电器盒的设计、连接器的设计、电子电气分配系统等设计为一体的整车电子电气解决方案的概念。中央集中式电子电气架构中，车载传感器与执行器按照物理位置划分，接入域控制器（zonalcontrolunit，ZCU）。这种架构中，各采集、执行节点将原始数据通过ZCU传输到多个或一个中央计算平台处理，所有数据处理与决策都在CCP中完成。ZCU更多地承担数据采集、通信协议转化与数据传输等功能。多个ZCU之间通过以太网组成环形网络，提高了通信冗余及可靠性。中央集中式架构1.3.2智能车辆电子电气架构

智能座舱是基于人工智能、电子通信等技术的车内一体化数字平台，为驾驶员提供智能体验，促进行车安全。智能座舱主要包括智能座舱内饰和智能座舱电子两部分。智能座舱内饰包括座椅、灯光、空调等，而智能座舱电子则是人车交互的中枢，提供了实时导航、在线信息娱乐、紧急救援等功能和服务。这些技术与功能的结合，使得智能座舱能够实现与人、车、路的联动互通，从而提升驾驶的智能化水平和安全性。1.3.3智能座舱

智能驾驶系统是指搭载先进的车载传感器、控制器、执行器，具备复杂的环境感知、智能决策、协同控制等功能，可综合实现安全、高效、舒适、节能行驶，并最终实现替代人类操作的汽车系统[4]。智能驾驶系统分为感知层、决策层和执行控制三个层级。1.3.4智能驾驶系统

智能驾驶系统的感知层主要包括环境感知、定位与导航。

环境感知技术是指通过摄像头、毫米波雷达、激光雷达、超声波雷达、红外夜视、GPS（全球定位系统）和IMU（惯性测量单元）等传感器以及高精度地图和V2X车联网技术对车辆行驶环境进行动态感知和认知。定位与导航是智能驾驶的基础能力。定位与导航包括卫星导航技术、惯性导航系统、V2X技术和高精地图。左图为V2X车联网技术。是一种以车内网、车际网和车载移动互联网为基础，按照约定的通信协议和数据交互标准，在车、路、行人及互联网云端之间，进行无线通信和信息交换的大系统网络。高精地图可以提供超感知距离周边信息，拓展感知的边界。1.3.4智能驾驶系统

智能决策技术是智能驾驶系统的大脑，其包含环境预测、行为决策、动作规划、路径规划等功能。

行为决策模块在智能驾驶系统中扮演“副驾驶”的角色，需根据环境信息和车辆状态决定车辆的行驶策略。路径规划模块是指在一定的环境模型基础上，给定自动驾驶汽车起始点和目标点后，按照性能指标规划出一条无碰撞、能安全到达目标点的有效路径。下面展示的是智能汽车行人轨迹预测结果和智能车路径规划结果。感知路径中的行人运动轨迹通过各种信息进行路径规划1.3.4智能驾驶系统

智能汽车的执行机构采用线控技术取代传统的传动机构。线控技术的主要特征是执行机构与操纵机构没有直接的机械连接，驾驶员的驾驶意图将转换成对应电信号驱动执行机构的精确运动。线控技术主要包括线控油门、线控转向、线控制动。线控油门是将驾驶行为中的油门控制转换成正比的电压信号，发送到发动机控制器，进行自动优化控制。上图为线控油门系统的结构示意图。线控制动是汽车线控技术中关键技术内容，目前常见的有液压式线控制动和机械式线控制动。上图为线控制动系统的结构示意图。1.3.4智能驾驶系统智能车辆发展历程可以分为三个阶段：萌芽阶段、发展阶段和应用阶段。

萌芽阶段：上世纪20年代到60年代。自动驾驶汽车的概念开始出现，此时的无人汽车，指的是车上无人，通过远程控制、外部干预对汽车进行控制。发展阶段：20世纪80年代，美国开始了智能车技术研究热潮，研究出了第一辆真正意义上的智能驾驶汽车。德国、中国相继投入该领域的研发工作。应用阶段：自2010年，奥迪、宝马、福特、日产和沃尔沃等传统整车厂也纷纷加入智能汽车研发。此外，众多科技公司加入了研发中，国内的智能驾驶技术进入了应用阶段。1.4.1智能车辆行业发展现状美国高度重视自动驾驶技术的产业化，为保持自动驾驶的全球领先地位，2010年起逐步规划自动驾驶技术发展方向，完善相关立法。众多美国的科技企业进行了智能汽车的开发，目前已经有具体车型正在进行测试工作。欧洲在发展单车智能自动驾驶的同时，高度重视与智能交通系统的协同发展。2015年，欧洲道路交通研究咨询委员会发布智能网联汽车技术路线图，以加强顶层规划，促进各国协同推进。奔驰、宝马等众多车企也进行了该领域的研发。日本车路云协同基础设施优势明显，通过发展智能交通系统协同推动智能网联汽车产业发展，并将智能交通系统、智能网联汽车纳入国家重点发展战略。日本的自动驾驶政策更倾向于自动驾驶技术的实际应用，这极大地推动了自动驾驶技术的发展和推广。1.4.2智能车辆发展政策与规划近年来，为了推动汽车行业科技变革、加快汽车产业转型升级，我国出台了一系列智能汽车相关政策，法律法规逐步完善。2019年国务院发布的《交通强国建设纲要》明确提出加强智能网联汽车（智能汽车、自动驾驶、车路协同）研发，形成自主可控完整的产业链2020年2月，国家发展改革委等十一部委联合发布《智能汽车创新发展战略》。2021年7月，工业和信息化部、公安部、交通运输部联合发布《智能网联汽车道路测试与示范应用管理规范（试行）》，推动自动驾驶汽车示范应用。2022年4月交通运输部发布《“十四五”交通领域科技创新规划》，推动智能汽车技术、智慧道路技术和车路协同技术融合发展，2022年11月工信部印发《关于开展智能网联汽车准入和上路通行试点工作的通知》2023年7月，工业和信息化部、国家标准化管理委员会发布的《国家车联网产业标准体系建设指南（智能网联汽车）（2023版）》1.4.2智能车