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1、智能汽车关键技术及发展概况1、前言:智能车辆 (I n t e l z i g e n t V e h i c l e s , IV)是一个集环境感知规划决策多等级辅助驾驶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它具有道路障碍自动识别自动报警自动制动自动保持安全距离车速和巡航控制等功能作为智能交通系统(ITS : Intelligent Tr nasportation System )的一个重要组成部分,智能车辆系统利用传感器技术信号处理技术通讯技术计算机技术等, 辨识车辆所处的环境和状态, 并根据各传感器所得到的信息做出分
2、析和判断, 或者给司机发出劝告和报警信息, 提醒司机注意躲避危险; 或者在紧急情况下, 帮助司机操作车辆 (即辅助驾驶系统) ,防止事故的发生, 使车辆进入一个安全的状态; 或者代替司机的操作, 实现车辆运行的自动化智能车辆系统的引入, 可以提高交通的安全性和道路的利率目前 , 在汽车卡车公交系统工业及军用等领域, 智能车辆系统都得到了应用, 而且应用的多样性和领域还在不断增加可以预言, 随着信息采集技术信息处理技术系统工程技术等相关技术的研究和发展深入, 智能车辆系统将是智能交通系统研究和发展的重要领域 2、智能汽车关键技术及研究智能汽车是一个汇集了众多高新科技的综合系统, 尤其是作为智能汽
3、车关键环节的环境信息获取与智能决策控制, 更是依赖于高新技术的有力支撑, 如传感器技术图像识别技术电子与计算机技术控制技术智能驾驶系统结构如图1: 2.1 感知技术人类在驾驶汽车时所接受的信息几乎全部来自于视觉, 交通信号交通标志交通图案道路标志等均可以看作是环境对驾驶员的视觉通讯语言同时, 人类在驾驶汽车时,通过对周围路面场景的观测来决定采取什么样的操作因此, 选择机器视觉作为感知路面场景 的传感器是一种很自然的选择机器视觉在智能车辆中的应用如图2 所示图1 智能驾驶系统结构框图图2 机器视觉传感器在智能汽车上的应用视觉系统在智能车辆中主要用来识别车辆周围的交通环境, 如确定车辆在车道中的位
4、置和方位 车道的几何结构 检测车辆周围的障碍物如车辆和行人识别交通标志和交通信号等当机器视觉用于 智能车辆时必须具备实时性鲁棒性和实用性三方面的技术特点 实 时性是指视觉处理系统的数据处理必须与车辆的高速行驶同步进行; 鲁棒性是指智能车辆对不同的道路环境如高速公路市区标准公路普通公路等, 不同的路面环境如路面及车道标线的宽度颜色纹理动态随机障碍与车流等,以及变化的气候条件如日照及景物阴影黄昏与夜晚阴天与雨雪等均具有良好的适应性; 实用性是指智能车辆在体积和成本等方面能够为普通汽车用户所接受智能车辆系统可靠运行的前提是通过各种传感器准确的捕捉环境和车辆自身的状态信息, 并加工处理, 随后发出预警
5、或者自动操控车辆研究如何将传感器传来的信息加以有效处理分析, 并准确的确定环境和车辆自身的状态是非常重要的然而到目前为止, 没有任何一种传感器能保证在任何情况下提供完全可靠的信息, 采用多传感器融合技术, 即将多个传感器采集的信息进行合成, 形成对环境特征的综合描述的方法, 能够充分利用多传感器数据间的冗余和互补特性, 获得我们需要的充分的信息目前, 在智能车辆领域, 除了视觉传感器外, 常用的还有激光雷达毫米波雷达声纳红外探测磁导引GPS等传感器2.2 决策技术在辅助驾驶或者自动驾驶技术中, 需要依据感知系统获取的信息来进行决策判断, 进而向驾驶员发出警告或者对车辆进行控制例如, 在车道偏离
6、警告系统和碰撞警告系统中, 需要预测主车辆和其它车辆未来一定时间内的状态先进决策技术包括模糊推理强化学习神经网络和贝叶斯网络等技术2.3控制技术对自动驾驶车辆或者辅助驾驶车辆来说, 利用环境感知信息进行规划决策后需要对车辆进行控制, 比如对路径的自动跟踪, 此时性能优良的控制器成为了智能车辆必不可少的部分, 成为智能车辆的关键智能控制代表着自动控制的最新发展阶段, 是应用计算机模拟人类智能, 实现人类脑力和体力劳动自动化的一个重要领域智能控制是一个新兴学科, 包括递阶控制系统专家控制系统模糊控制系统神经控制系统和学习控制系统等5个方面2.4 车辆定位与路径规划车辆定位导航系统应用车辆自动定位技
7、术数字地图通信技术, 为车辆提供路径引导无线遥控等功能在车辆定位导航系统中, 定位是实现导航功能的前提和基础, 车辆定位技术大致上可分为三类: 惯性导航无线电定位和卫星定位车辆定位导航系统如图3所示:路径规划是智能车辆信息感知和车辆控制的桥梁, 是智能车辆自主驾驶的基础,可分为全局路径规划和局部路径规划全局路径规划是在己知地图的情况下, 利用已知局部信息如障碍物位置和道路边界,确定可行和最优的路径, 它把优化和反馈机制很好的结合起来局部路径规划是在全局路径规划生成的可行驶区域指导下,依据传感器感知到的局部环境信息来决策车辆当前前方路段所要行驶的轨迹与移动机器人路径规划相比, 车辆的行驶环境具有
8、非结构化动态性不确定性等特点,因此研究者们在借用移动机器人路径规划成果的同时, 也在深入彻底研究智能车辆路径规划问题图3 车辆定位导航系统示意图2.5 其它智能车辆的关键技术还包括车辆状态随机估计和智能车辆体系结构的研究等方面为了对车辆进行有效的控制, 必须全面准确地获取车辆的自身状态参数, 如车辆横摆角速度估计汽车轮胎与路面之间的摩擦系数估计以及车辆侧面碰撞模型的非线性动力学参数的辨识等由于智能车辆系统复杂程度高综合性强, 一般需要一组研究人员共同研究开发, 同时为了使系统能够在有限的时间和计算资源内完成各功能, 计算经常需要一定的并行性, 由此产生这样的问题一一将计算资源有效地分布在一组处
9、理器上需要什么样的体系结构, 这就是智能车辆控制器体系机构所研究的问题3支撑智能汽车发展的新理论和新技术3.1 不确定性人工智能理论人工智能在模拟人类的确定性智能逻辑思维方面,已经取得很大成就,但是在人类不确定性智能的模拟方面始终没有太大的进展,而在模拟人类形象思维方面尚处在探讨阶段因此,不确定性人工智能70是人工智能中的研究热点,也是人工智能中的重大前沿课题不确定性人工智能是使机器能够具备人脑一样的不确定性信息和知识的表示能力处理能力和思维能力,是进入21世纪后新发展出来的多学科交叉渗透的新学科,它已成为当代科学技术研究的热点领域人类所处的这个客观世界充满了不确定性,人类自身在认知过程中也具
10、有不确定性因为人类的认知实际上是对客观世界的主观反应,客观世界的不确定性,决定了人类主观认知过程的不确定性比如,视觉感知会存在不确定性甚至出现错觉,记忆也会随着时间的推移而愈加模糊,而联想创造和顿悟等形象思维更是毫无确定性可言不确定性人工智能理论对智能汽车技术研究的一个重要指导内容就是分析不同驾驶人员对同一外界环境刺激所产生的不确定性认识以及采取的不确定性处理方式举个形象的例子,不确定性认识是指面对路面上的同一滩积水,有的驾驶人员会认为是一个小路障,而有的驾驶人员则会觉得无关紧要不确定性处理方式则是指同样是面对这滩积水,有的驾驶人员会选择绕过去,而有的却会选择减速直接通过不确定性人工智能理论可
11、以进一步细分为若干小方面,包括粗糙集和模糊集云模型和粒计算理论等3.1.1 粗糙集和模糊集理论粗糙集和模糊集理论主要研究各种不确定性理论的本质联系人类行为的不确定性研究在智能汽车上具有重要的应用比如,在日常驾驶中,对于一个寻找泊车位的问题,驾驶员仅靠自己的观察判断难以直接获得最满意的答案如何在一系列不确定的潜在泊车位中寻找一个合适的泊车位,这是不确定性概念的精确处理研究实例之一3.1.2 云模型理论云模型(Cloud Model)是一种定性和定量的转换模型云模型理论可以用于人类定性思维(概念内涵)与定量思维(概念外延)之间的双向变换研究比如,驾驶过弯的问题就是智能汽车研究中的一个定性与定量计算
12、的转换例子对于驾车中的过弯操作,驾驶员只能靠目测经验等做出定性判断;驾驶员做出大致入弯角度的定性判断后,智能系统如何定量计算并给出实际入弯角度,才是解决问题的关键3.1.3 粒计算理论粒计算主要研究信息粒的解析表示形式化理论(包括信息粒的结构以及信息粒之间关系的形式化描述)信息粒的粒度度量理论和方法(粒度的度量,包括信息粒的大小以及信息粒所表示的知识的粒度大小)信息粒的自动分解与合成方法不同知识粒度下的不确定性变化规律对人类多粒度跨粒度思维的研究可以在驾驶行为过程中有所应用如图4所示,在实际驾驶中,驾驶人员需要同时观察和判断不同尺度(即不同粒度空间)的环境信息,包括近距离的细粒度信息(车载仪表
13、)中距离的中粒度信息(周边的车辆)以及远距离的粗粒度信息(道路延伸方向)图4 不同粒度空间的环境信息3.2 认知计算认知计算在20世纪90年代成为发展热点,目前已成为计算智能领域中一个重要的研究方向2009年国家自然科学基金委发布了“基于视听觉信息的认知计算”的重大研究计划,该研究计划的制定和实施表明对认知计算的研究在我国逐步走向广泛和深入在该研究计划中提出的“多模态感知信息协同认知机理”可以说是与智能汽车技术的发展紧密相关比如,驾驶人员融合视听觉采集到的环境信息然后做出驾驶反应的这个过程就是一个刺激-反应模型因此,三维立体视觉处理模型情感计算等方面的研究工作可以看作是认知计算在智能汽车技术上
14、的初步应用3.2.1 三维立体视觉处理模型三维立体视觉处理模型从人类视觉认知原理出发,用机器学习方法学习人脸结构先验知识,提出了基于单张二维图片的两步人脸三维立体认知方法,初步实现以单张照片上少量特征点为基础的三维人脸建模由此模型发展而来的三维人脸识别系统可以用于记录和辨认驾驶人员信息,达到跟踪和防盗的目的3.2.2 情感计算情感计算基于认知科学和心理学,发现了嘴部特征是人脸表情识别中最重要的特征,为人脸表情的表达机制以及计算机人脸表情的自动识别等研究奠定了基础情感计算技术可以监控驾驶员的生理和心理状态,为防止酒后驾驶和疲劳驾驶提供了技术支持 3.3 面向智能汽车的数据处理技术智能汽车的行驶离
15、不开收集和发送各种数据,而支撑其正常运转的核心技术就是面向智能汽车的数据处理技术智能汽车数据的特点就是数据量大数据种类多而且有海量的冗余数据针对这些特点,面向交通的数据处理技术包括数据融合数据压缩数据标准化数据挖掘和数据仓库等技术智能汽车可能同时拥有多种传感器数据及多种通信方式,所以需要数据融合技术来实现对这些不同来源的数据的分析与综合又因为智能汽车需要收发的数据量是非常巨大的,故而需要数据压缩技术来提高数据处理的效率智能汽车需要和其他车辆以及车联网发生交互,数据标准化技术可以保证数据在各种不同的载体之间通用针对智能汽车的海量数据,数据挖掘可以通过数理统计机器学习等方法从海量数据中获取有效数据智能汽车是一个决策系统,需要一个有主题的集成的稳定的数据集合,而数据仓库技术就可以提供这样一个结构化的数据环境3.4 电动汽车的智能化能源管理系统能源系统是电动汽车的核心技术之一,它好比传统汽车的发动机,是电动汽车的“心脏”,直接关系到电动汽车的质量水平与安全性,能源管理系统是这一核心技术的重要组成部分电动汽车能源管理系统的功用是在满足汽车基本技术性能(如动力性驾驶平稳性等)和成本等要求的前提下,根据各部件的特性及汽车的运行工况,实现能量在能源转换装置(如发动机
