导图社区 自动驾驶总复习
- 176
- 19
- 2
- 举报
自动驾驶总复习
对应教材：《自动驾驶技术概论》清华大学出版社，中国层面：新能源汽车将占据市场和消费主体：电能产源方式结构的优化，如风水核能发电等，实在的降低了源头的碳排放和成本，使得使用电力更低成本，更高效率，更亲环境。
编辑于2022-01-16 17:50:51- 车辆
- 无人驾驶
- 智能网联
- 汽车技术
- 相似推荐
- 大纲
自动驾驶技术
NO.1 自动驾驶技术概述
汽车发展史与发展趋势
发展史
蒸汽机（淘汰）
内燃机
马车型（最早）
箱型
甲壳虫型
船型
鱼型
楔型
MPV子弹头型（现今）
电动机/混合动力/燃料电池（未来）
发展趋势
中国层面：新能源汽车将占据市场和消费主体
原因
电能产源方式结构的优化，如风水核能发电等，实在的降低了源头的碳排放和成本，使得使用电力更低成本，更高效率，更亲环境
国家政策的支持和鼓励，国家和社会更加重视绿色可持续发展
城市道路的智能化，全国道路的不断拓建
中国道路总长为约170万
内燃燃油汽车的根本弊端
燃油资源不是无限的，将来会物以稀为贵，不是可持续长久的方式
虽然燃油能量密度是电池60倍，但其能量使用率极低并且具有优化极限上限
在停车怠速时，燃油汽车空烧油而电机能够短暂关机，此时能源弊端更显露
主流分类
纯电动汽车
混合动力汽车
燃料电池电力汽车
世界层面：机械化→电气化→自动化→信息化→智能化，汽车控制和动力来源的发展
工业1.0，机械时代，纯机械控制
工业2.0，电气时代，气动、液压、电动电路控制
工业3.0，信息时代，复杂传感、电脑数字控制
工业4.0，CPS时代，网络和机械网络控制
传统汽车旧新技术发展
主动安全技术：主观能动的预防控制事故的发生
车道偏保持辅助
驾驶疲劳提醒
ABS防抱死系统
EPS电子稳定系统
AEB自动紧急制动
被动安全技术：事故发生后尽可能减小伤亡和后果
安全气囊
原理
当汽车在高速行驶中受到猛烈撞击时，传感器感受汽车碰撞强度并将其传给控制器 控制器进行判断并在适当时机发出点火信号，这些物质在点火下会迅速发生分解反应，产生大量气体，在极短时间内充满气囊，并在一定时间内迅速泄气防止由于猛烈冲击导致的后座惯性使驾驶员受到二次伤害。
规定
正面撞＜20km/h 不点爆
正面撞＞30km/h 必点爆
安全带
汽车前后保险拴杆
自动驾驶评级（NHTSA）
0级：无自动化，单纯人驾驶机械
1级：驾驶辅助，仅对加减速/方向其中一项提供支援
2级：部分自动化，对加减速/方向其中多项提供支援
3级：有条件自动化，自动驾驶系统可完全驾驶，但是需要人的监守/应答
4级：高度自动化，自动驾驶系统可完全驾驶，不一定需要人的监守/应答
5级：全自动化，自动驾驶系统可完全驾驶，无需人的监守/应答
自动驾驶技术概述
自动驾驶技术与行业的发展现状
燃油汽车→混合动力汽车 已成为未来趋势
自动驾驶汽车&智能网联汽车
区别：关键在“联”字，智能网联汽车相较于自动驾驶汽车有个最突出的特点就是具有和其他汽车、人、路云端等的信息交换、共享和调配的智能功能，而自动驾驶汽车仅仅针对于自身本车具有智能自动调控的功能，并没有向外界输送交互信息等。
联系：两者自身都是高度之智能规划自动化的车辆，可以说，智能网联汽车包含了自动驾驶车辆。因为自动驾驶汽车能做到的自动行驶功能、自动变速功能、自动刹车功能、自动监视周围环境功能、自动变道功能、自动转向功能、自动信号提醒功能、网联式自动驾驶辅助功能等，智能网联汽车也能做到并且能相互调和调控从而达到整体道路的最优化。
自动驾驶汽车&无人驾驶汽车
区别：关键在“无人”二字，无人驾驶汽车最重要的特征就是完全不需要人类接管和监控。因此一般被认为是自动驾驶和智能驾驶的最高级别
联系：两者自身都是高度之智能规划自动化的车辆，可以说，自动驾驶车辆包含了无人驾驶车辆
NO.2 汽车构造基础
基础架构：汽车底盘
组成
动力传动系统
转向系统
制动系统
行驶系统
作用
支撑和安装汽车发动机及其各部件、组成
成形汽车的整体造型
接受发动机的动力，并缓冲调节路面阻力和颠簸，使汽车正常行驶
动力传动系统（内燃机）
组成
发动机
离合器
变速器
分类
操纵方式
手动变速器
自动变速器
改变传动比方式
有级式变速器：变速档有限且离散
无极式变速器：变速档有限且连续
综合式变速器
原理：利用不同齿数和半径的齿轮之间，组合传动，改变转速和转矩
万向传动装置
驱动桥及其组成（电动机仅有此）
组成
主减速器
差速器
半轴
驱动桥壳
作用
变速变距
控制传动比（牵引力与速度）稳定
传动比最小值：主减速器实现，保证平直良好路面的最高行驶速度
传动比最大值：主减速器和变速器串联实现，保证较差路面的最低安全稳定速度
e.g. 减速增矩
描述：使驱动轮转速降低，并增加其转矩，提高汽车牵引力
实际：手动挡汽车爬坡
实现倒车
离合器在发动机不改变转动方向前提下实现动力反向
必要时中断传动
离合器换挡时，制动时，滑行时，空挡时
差速作用
驱动桥的差速器使得左右两个驱动轮可以以不同的角速度旋转
万向传动
消除变速器和驱动桥之间的相对运动
分类
机械传动系统
布置方案
前置前驱
优点
结构紧凑，操纵机构简单
传动距离短，车内无传动轴，提高了乘坐舒适性和操纵稳定性
缺点
车身前部结构过于复杂和集中
前轮既是转向轮又是驱动轮
重心过于集中于前轮，导致爬坡吃力
例如：多为轿车
前置后驱
优点
重心分布较为合理
满载时动力高
便于维护和保养
缺点
传动轴长，传动效率较低
例如：货车，客车
后置后驱
优点
空间利用率高
爬坡和抓地性能高
驱动动力更足
缺点
操纵距离长，操纵机构复杂
不易散热，难冷却
例如：大中型客车
中置后驱
优点
重心位于车身中间，轴荷分配合理
缺点
占用座位空间
不易散热
例如：跑车，中大型客车
中置四驱
优点
动力最足
抓地能力最佳
缺点
传动系统复杂，不易维护
制造成本高
车身本身重量大
例如：越野车
液力机械传动系
定义；以液体为传动介质，利用其在主动元件和从动元件之间循环流动过程中动能的变化来传递动力
缺点：由于液体运动的滞后性，导致很多能量和动力不能第一时间传输到驱动轮，导致传动效率较低，进而耗油较高
静液式传动系
优点：液压变化是渐进的，因而传动系可以在不中断传动的情况下实现无级变速
缺点：机械效率低，造价高，使用寿命和可靠性不够理想，目前只用于少数车辆
电力传动系统
无级传动并且近乎无损耗，传动线为电线的形式，近乎不占用空间，本身几乎没有缺点。但是电池的缺点造成了整个电动汽车相对于机械内燃汽车尚存在竞争力弱的情况
悬架/行驶系统
组成（联想古时抬轿子）
车架：整车的基本架构
分类
边梁式车架（很常用）
周边式车架：降低重心
X型车架：提升扭转刚度
等宽式车架：分散力荷，提升寿命
中梁式车架
综合式车架
作用
支撑联结车辆各零部件
承受一定的力和力矩
车桥：通过弹性悬架和车架连接
车轮：安装在车桥上，与地面接触
分类
组成结构
有内胎 轮
无内胎 轮
气压
高气压胎 0.5-0.7Mpa
低气压胎 0.15-0.45Mpa
超低气压胎 ＜0.15Mpa
胎线排列
普通斜交
子午线（抓地力好，更常用）
作用
①与汽车悬架共同缓和行驶时地面给予的冲击，保证驾驶和乘坐舒适及稳定
②保证车轮和地面有良好的接触和附着，提高车辆的能量利用率和制动能力
③承受汽车重力，传递其力和力矩
④转弯时由内部弹簧提供自动回正力，提升安全性
标记方法
悬架：连接车桥和车架的弹性元件的总称
组成
弹性元件
举例
钢板弹簧
螺旋弹簧
油气弹簧
气体弹簧
减振器★
功能
悬架压缩行程内，阻尼力较小，充分发挥弹性元件的功能
悬架伸张行程内，阻尼力应大，做到迅速减震
当冲击过大时，能自动增加液流通道横截面积，保持阻尼力在一定范围
分类
双向作用减振器：压缩和伸张都减振
单向作用减振器：仅伸张减振
原理
减振器内部的油液在路面颠簸时，会不断从一个内腔通过小孔流入另一个内腔。其中油液与腔壁和孔壁的摩擦以及油液自身的流体曳力形成了抑制振动的阻尼力，车身、车架振动的能量经阻尼力转化为热能和油液内能，由油液和减振器壳体吸收或散入大气。同时，减振器能根据汽车行驶速度自动加大液流通道截面积，使阻尼力保持在一定限度内。
导向机构
横向稳定器
作用
保证车辆与地面的附着
传递载荷
缓和冲击，衰减振动
保持行驶中车轮车身运动姿态
分类
独立悬架
每个车轮都有一个单独的悬架和车架相连，互不干扰
优点
每个车轮能够独立的承受力和力矩，大大提升车辆稳定性
为发动机腾出更下方的位置，进一步降低重心
缺点
造价高，成本高，难以维护维修
车轮磨损较为严重，对耐磨度和使用寿命要求高
非独立悬架
左右车轮安装在同一个整体式悬架上
优点
造价低，成本低，易于维护保养
对车轮耐磨质量要求不高
缺点
一侧车轮颠簸会牵动另一侧跟着颠簸，降低了车身稳定性、和车轮抓地性
举例
双叉臂式悬挂：可使车轮始终垂直地面
麦弗逊悬挂：轿车常用
扭转梁式后悬挂：多用于后桥
多连杆悬挂：最贵最优
作用
①减轻车身在不平路面下的颠簸和振动，以保证车辆的正常平稳行驶，提高乘客的乘坐舒适性和运输货物的安全性
②传递并承受路面作用在车轮上的反力所产生的力矩。
③传递并承受发动机的动力所产生的力矩，通过驱动轮与路面的附着作用产生路面对驱动轮的驱动力和制动系统的制动力。
④与车辆传向系统相互协调合作，确保汽车的正常操作稳定性
转向系统
分类
机械转向系统
组成
方向盘
作用
接受来自驾驶员施加的转向力和力矩
发生危险时缓冲外表和保护装置能吸收冲击能量
转向轴、转向柱管及其附属操纵结构
作用
传递驾驶员提供的转向力和力矩
在收到巨大冲击的时候具有自主变形的功能，起到缓和冲击和塌陷转向盘的作用，尽可能减轻驾驶员的受伤。
上下万向节
作用
缓冲转向轮的上下左右颠簸，使得在遇到路面颠簸的情况的时候，驾驶员依旧能正常和轻松的控制车辆方向
转向传动轴
转向器
作用
将来自转向盘的转向力矩和转向角进行适当变换（增大转向盘传到转向节的力、改变力的传递方向），再输出给转向传动机构实现转向。
分类
齿轮齿条式
循环球式
蜗杆滚轮式
蜗杆曲柄指销式
液压助力转向系统
原理：转向力=小部分来自司机体力+大部分来自发动机动力
优点
无噪声
能吸收路面的冲击
电子控制动力转向系统EPS
分类
电动液压式
电动机直接助力式
阿克曼定理（计算题）
提示：内轮转角和外轮转角的几何关系
现实举例：差动转向器
制动系统
工作原理
机械制动，即依靠摩擦片
使行驶中的汽车减速甚至停车，使下坡行驶的汽车保持稳定，以及使已停驶的汽车保持不动
作用
（1）使运动汽车以特定的或特定频率的减加速度从高速状态减速至低速或静止状态。
（2）上下坡、平地时防止静止车辆出现后溜、偏移等危险现象。
（3）降低运动车辆在弯道处所需的向心力，保证运动车辆在运动时也能平稳安全的转向。
组成
供能
控制
分类
鼓式制动器
液压驱动
领从蹄式制动
单向双领蹄
双向双领蹄
单向自动增加力式
双向自动增加力式
气压驱动
凸轮式
盘式制动器
液压驱动
定钳盘式
浮钳盘式
优点
不过分依赖摩擦，浸水等情况时效能稳定
间隙较为稳定，不易受温度影响，且能自动调节
制动盘外露，散热良好
缺点
效能低，故用于液压制动系统时所需制动促动管路压力高，一般要伺服装置
人力制动器，俗称手刹
真空助力器
作用：将机械力转化为液压力
动力制动系
气压制动系
全液压制动系
辅助制动系
ABS防抱死系统
基本原理
在车辆运动常规制动时，ABS系统不工作；但倘若是紧急制动，ABS的工作就尤为重要。ECU接收到轮速传感器传来的抱死危险信号后，会立即做出响应，控制“保压、减压、增压”的往返往复直到抱死信号解除。因此ABS在车身效果呈现上看起来又称之为“点刹”。
作用
ABS在紧急制动的时候可以通过控制制动压力，防止车轮抱死（即车轮只滑不转）而导致车辆无法控制方向和滑动距离过远的问题，最大限度保证汽车在紧急制动下仍能控制运动方向，并一定限度的降低刹滑距离，保障车内乘务人员和货物的安全完好。
滑动率和附着系数的关系（计算题）
滑动率=（车辆行驶速度—车轮线速度）/车辆行驶速度 车轮线速度=车轮角速度×车轮半径 【当滑动率位于0.15-0.2之间时，制动最为安全和稳定】
电子线控技术
英文
X-By-Wire
X表示传统汽车上由机械或液压控制的各个功能部件，例如转向系统、制动系统、悬架系统和增压系统等
来源
航空技术中飞机的电传操纵系统
控制原理
将驾驶员的操纵动作经过传感器转变为电信号，通过电缆直接传输到执行机构的一种技术系统
优点
重量极大减轻，减少能源消耗
极大节省了空间，易于实现模块化底盘设计
控制简便快速直接且精准，控制策略丰富
生产更为简便，成本低
减小了噪声、震动和机械摩擦损耗
反馈调节变得更为方便和简单
缺点
安全和保险措施透明度低
容易受电子干扰
关键性技术
传感器技术
若ECU需要做出正确的决策，必须需要来自各方的包括驾驶员和环境的各类信息，如力和力矩，而这些信息必须由传感器提供
容错控制技术
被动容错
容错上限固定，容错结构固定，不会因可能发生或已发生的事故错误而改变
主动容错
容错上限、参数甚至结构都可以在事故错误发生后或可能发生的前提下而改变，更安全
行驶状态与参数的估计
对于一些传感器无法直接获取的参数和状态，这需要构建合适的数学模型进行换算，以保证输入信息的完备性和准确性，比如车辆附着系数等
网络技术
由于ECU和外界与车辆有着极为复杂和不同要求的信息的输入输出，因此有针对性的连接就是网络技术的使命
A级网络：信息量大，实时性较低
B级网络
C级网络：高实时性，低延时，需要安全系数高
电源技术
由于线控技术使得车辆的电器和电传输消耗增大，电池技术作为能量来源处于必不可少的重要地位。例如从14V供电系统转变为42V供电系统已是大势所趋
CAN总线控制技术
定义
控制器局域网络，是一种用于实时应用的串行通讯协议总线
结构组成
收发器
作用
负责接受和发送网络上共享的信息。安装在控制器内部，同时兼具接受和发送的功能，将控制器传来的数据转化为电信号并将其送入数据传输线
数据传输终端
是一个电阻，防止数据在线端被反射，以回声的形式返回，影响数据传输
数据传输线
作用
数据传输线能够在不同收发器和数据传输终端间传输电信号
特点
高低双绞线的结构提高了信号传输的稳定性和抗干扰能力
数据组成
数据帧
远程帧
错误帧
过载帧
帧间隔
分类
高速
实时性要求高，
速度达500kb/s
例如：转向、制动
低速
实时性要求低
速度达100Kb/s
例如：人机娱乐交互
NO.4 开发平台
云服务平台
高精度地图
模拟平台
数据平台
OTA
安全平台
DuerOS
软件平台
各类地图系统
代码运行环境和系统
ROS实时操作系统
设计目标
复用代码：封装函数精简代码
分布式：分散计算压力
松耦合：各设备均可使用同一个代码
开源：集众智
架构
OS层：ROS仅是原操作系统，需要在真正的OS操作系统里运行，如Mac Linux Windows
中间层：函数开发与封装
应用层：功能包以及其内部的节点功能
自身结构
计算图
定义
ROS处理数据的一种点对点的网络形式
组成
节点：实现各功能的进程
节点管理器：查找节点的中间媒介，新建和删除节点的管理员
作用
① 注册、删除或查找节点的终端管理器和最终执行器。即只能通过此接口进行节点的管理。
② “中间转线器”，能够接收“请求节点”发出的响应服务通信请求，并将其与对应的若干个“响应节点”进行接通。
③ “朋友圈平台”，能够接收并发布若干个“请求节点”发布的话题请求，并提醒订阅了此话题的若干个“响应节点”进行随时订阅。
④ “参数存储器”，能够作为类似“共享网盘”的平台，供“请求节点”随时设置参数，也供“响应节点”随时读取参数。
消息：查找后，节点之间传输消息
文件系统
组成
功能包
ROS软件的基本单元
易于重复使用
堆
功能包的集合
定义
在硬盘上面查看的ROS源代码的组织形式
开源社区
通信机制
服务通信：一对多
定义
指的是通过节点管理器这个类似“中间转线器”的作用，“请求节点”和“响应节点”之间建立通信连接关系。“请求节点”发出请求信息，并在收到“相应节点”的响应信息后才做下一步请求操作或其他通信操作。
类似于现实生活中打电话
话题通信：多对多
定义
指的是通过节点管理器这个类似“朋友圈”的平台，“请求节点”和“响应节点”之间形成订阅关系。“请求节点”可以通过此平台发布消息，且发布的消息“响应节点”能够随时进行读取和订阅。
类似于发广播、通知、动态
参数服务器：共享
定义
指的是通过节点管理器这个参数存储平台，“请求节点”和“响应节点”之间形成参数共享的关系。“请求节点”可以在上面设置参数，“响应节点”可以随时取用参数
类似于各组间共同讨论
为什么无人驾驶无法使用简单嵌入式系统，而需要用ROS环境？
需要多进程计算与控制同步或分步高性能进行
需要进行任务分工、各取所长和结果融合
ROS常用工具
Gazebo 仿真
Launch启动文件
Qt工具箱，可视化
rosbag数据记录回放工具
rbiz三维可视化平台
ROS开发举例
Autoware
简介
基于ROS的开源软件
体系结构
地图
点云图：道路几何信息
矢量图：道路语义信息
传感
定位
感知
规划
控制
LGSVL simulator 仿真
ROS缺陷
①权利过于集中：一旦节点管理器崩溃，所有节点都将失去信息和联络
②计算效率较低和通信冗余较高：各节点能力过于独立而分散，相互联络和参数传输耗时高，集成度低
③仍然存在上下级管理的问题，需要实现上游感知模块才能进行研究
人机交互界面和系统
硬件平台
各类传感器和定位设备
视觉传感器
雷达传感器
定位传感器
数据传输、融合与计算设备
要求：安全，实时，可靠
组成：GPU，CPU，FPGA，ASIC，CAN等
CPU：标量计算（纯数字）
GPU：矢量计算（定位、视觉和高精度地图）
FPGA：矢量和矩阵计算（人工智能）
DSP：数字信号计算
人机交互设备
黑箱等设备
车辆平台
电传线控汽车
开放车辆接口标准
NO.3 自动驾驶技术架构
整体技术架构
三大任务
感知→决策→控制
环境感知传感技术
技术目的
通过性，经济型，安全性，平稳性
感知对象
人
驾驶人状态
行人行进状态
车
自身车辆的行驶状态
零部件工作状态
周边车辆的行驶状态
路
道路类别
非结构化道路，如乡镇水泥路
结构化道路，如高速路，城市主干道
道路交通拥堵情况
路面结构状况
环境
天气情况
周边障碍物的状态
资源
电力资源状态
定位资源状态
技术分类
摄像头技术
原理
利用图像采集、处理与分析并识别的技术进行实时信息处理
分类
单目摄像头
双目摄像头
环视摄像头
应用
车道线识别
交通标识识别
盲点监测
全景泊车
雷达技术
激光雷达，远距
原理
电磁波反射
组成
发射系统
接收系统
信息处理
优点
测量精度高，范围广
抗其他电磁波干扰能力强
黑夜效果更佳
数据传输处理速度快
缺点
造价昂贵，成本高
雨雾天会受到空气中水滴的影响
易受到来自太阳或其他光线的影响
不具有分辨物体结构和颜色的功能
毫米波雷达，中远距
原理
多普勒效应
优点
具有高分辨率
部件尺寸小巧轻便，质量轻
天气适应力更强，穿透雾、烟、灰尘的能力强
可以直接测量距离和速度关系
缺点
对金属较为敏感，容易受到损坏
树丛穿透力差
对行人辨识度不高
红外线传感器，夜间
原理
利用红外线（760nm-1mm）进行测量
优点
弥补了毫米波雷达在夜间识别差的缺点
对行人等具有自体温度的物体识别度更好
功耗低
超声波雷达，短距
原理
利用超声波进行测量
优点
精度较高
对光照环境不敏感
实时性好
体积较小
缺点
无法精确描述障碍物位置
被国外技术垄断卡脖子
在车辆自身车速高时误差会增大
高精定位技术
定义
指的是依靠传感器和定位系统，获取环境信息，从而获知自身厘米级精度的位置和姿态信息
分类
基于卫星信号
分类
直接位置定位和时间定位
对于一个物体的定位，至少需要四个卫星
世界主流卫星系统
美国GPS
组成
空间部分：空间中的卫星
地面监测系统：监测站、主控站、注入站
用户设备：信号接收机
中国BDS
俄罗斯GLONASS
欧盟Galileo
日常手机卫星精度：5-10米
GNSS差分定位
原理
利用误差的变化较为缓慢的特性，通过两个接收机之间求差来消除大部分相同的误差项
分类
位置差分
参考站的已知精确坐标和解算的测量坐标求差作为改正数，帮助流动站修正自身坐标
伪距差分
参考站与其所有卫星的测量距离，和站星之间实际距离做差，作为改正数，帮助流动站修正自身坐标
载波相位差分
参考站将载波相位观测量和本站的精确坐标直接发送给流动站，流动站据此和自身的载波相位观测值联立求解推算
优点
提供全局定位信息
提供的定位信息不含累计误差
缺点
依赖于基站和可视卫星的数量
会受多径效应的影响
更新频率较低，难以满足实时高精度
基于INS惯性导航
基本原理
牛顿第二定律
角速度
陀螺仪
分类
机械陀螺
角动量守恒
激光陀螺
Sagnac效应
光纤陀螺
Sagnac效应
Mems陀螺
科里奥利力
积分得角度
加速度
加速度计
积分得速度和位移
优缺点
短距离的轨迹预测很准确，但随着时间的积累，积分的误差也将不断积累。
基于环境特征
激光SLAM
中文名
基于激光雷达的同步定位与地图构建技术
激光雷达技术分类
机械旋转式：单线
MEMS混合固态
FLASH固态
棱镜式非重复扫描
基本框架
前段配准
功能
计算前后两个相邻时刻激光雷达的相对位姿变换
常用方法
ICP迭代法
MDT正态分布变换
后端优化
功能
对前段配准的结果调优
常用方法
卡尔曼滤波器法
图优化法
回环检测
功能
检测是否到达之前已经探索过的位置
常用方法
相关匹配法
特征匹配
地图构建
功能
构建点云地图
优点
定位精度高，满足要求
若构建的点云地图够准确，就无累计误差
缺点
数据量极大，算力要求高
激光雷达技术尚不完善，成本高
道路指纹
广义含义
“道路指纹”指的是车辆通过各类车载传感器而捕捉采集到的具有高稳定性、高辨识度、高速度性、高精准性的道路特征信息，应当满足唯一性、鲁棒性、快捷性、精准性四大基本原则。
狭义定义
通过各类车载传感器采集道路指纹并综合利用各类方法(如深度学习、各类局部特征提取算法)提取其特征数据，再与道路场景的几何结构信息与位置信息进行唯一性关联，构建外部道路指纹库（此构建过程需要另外结合GPS等卫星定位技术，以及坐标系变换，额外采集构建）。从而，在定位过程中，即便出现卫星定位技术失效的情况，只要通过道路指纹特征在外部道路指纹库的实时匹配，实施多尺度定位策略（①粗定位；②指纹匹配定位；③度量级定位），即可实现车辆的高精度定位。
多传感器融合
e.g GNSS和INS的结合
卡尔曼滤波
贝叶斯准则
人工神经网络
高精度地图技术
定义
是服务于无人驾驶或L3级以上的自动驾驶的地图，能够提供厘米级精度的道路信息。又称高分辨率地图
基本内容
车道信息：车道数，车道编号，潮汐or公交车道等
交通语义信息：红绿灯、交通标志等
道路先验信息：道路曲率、坡度等
特点
区别于导航地图，有厘米级、车道级别的地图精度
作用
类比人类驾驶员
实现高精定位
实现车道级的路径规划
制作流程
生成点云地图
地图标注
图像识别技术
点云图像技术
人工
工具举例
MapToolBox
ASSURE mapping tools
缺点
z轴不好把握
人力工作量极大
支持的标注类型少
人工检查与修正
存储
技术举例
NDS
车道层
道路几何形状，道路边界，道路路网结构和组织等
标识层
信号标识，路灯灯杆，信号灯等，用于辅助定位
障碍层
障碍物的位置轮廓等
路径层
道路的连接关系，路网结构
OpenDRIVE
LaneLet2
物理层
点线面等基础元素
关联层
由点线面构成的车道、区域以及交通规则
拓扑层
不同图元之间的有向图连接表示的拓扑结构
目前挑战
实时性差，人工标注耗时耗力，点云采集频率低
国家的测绘政策，国防的要求，测绘权利的限制
精度在法规要求的非线性偏移和随机扰动加密下极大的损失
规划与决策系统
路由寻径
功能
在宏观层面上指导无人车道路行驶路径，获取从起始点到目的点的一个宏观期望路径，但需要依赖于高精度地图
技术分类
Dijstra算法
A*算法
动态规划DP算法
蚁群算法
行为决策
功能
宏观上根据路径车道状况和周边环境的状况判断并指导无人车的行驶，如是否需要减速停车让行，是否需要换道等，提供决策方案
技术分类
基于规则
if-elif-else结构
优点
简单易懂，最广泛，适用于简单场景
缺点
缺乏动态性和随机性，面对实际复杂位置情况效果往往较差，例如街区城镇路段
if状态过多时，判断结构过于冗杂不易维护
基于深度学习
多层神经网络
优点
省去很多人工思考模型的功夫
缺点
基于大数据训练，若训练样本不够广泛和随机，在遭遇未知情况时结果往往也较差
透明性差，黑盒效应导致其中途问题的维护查找与解决极其困难
结果难以解释
基于逻辑因果推理
一系列贝叶斯方程
优点
可以明确的表达实际驾驶场景
行为决策结果透明可解释
动作规划
功能
根据车辆状况和车道情况，基于全局的路由寻径，获取局部导向、路径和速度规划，从而能够最终生成对车辆的一系列具体控制信号
技术分类
基于搜索的
Dijstra算法
A*算法
基于采样的
快速扩展随机树RRT
特点和优势
结合树的重构和剪枝，对采样点进行碰撞检测，避免了空间的建模，能有效解决高维空间和复杂约束路径规划的问题。
概率完备，渐进最优
Informed RRT*
特点与优势
相较于传统RRT，将采样限制在椭圆里，大幅提高了效率
基于参数曲线
定义
考虑车辆本身的运动学约束，路径需要是曲率连续的。这类方法根据起始点和目标点，考虑障碍物，通过构造符合车辆约束的曲线给出一条平滑路径
常见分类
Dubins曲线★
组成
最大曲率圆弧
直线
曲率不连续的交界点
RS曲线为有倒车，此为无倒车
多项式曲线
贝塞尔曲线
优点
凸包性
几何不变性
缺点
顶点数和阶数有关，高阶求导困难
分段拼接还需考虑连续性问题
不能对曲线做局部修改
B样条曲线
挑战与未来
单纯使用难以满足复杂场景，因此多与其他方法结合使用，仅用于平滑处理或动力学约束
基于优化
原理
基于周围环境的动态变化，将路径规划和速度规划分别进行
优点
由于解耦计算，降低了求解空间的维度，大大提高效率
缺点
由于解耦计算，类似于近似，解一般是次优的可行解
基于人工势场
原理
类似物理力场和势场，与障碍物呈斥力，与目的地呈引力
缺点
目标不可达
即不一定能找到解或者绕开了解。如当障碍物和目标点距离太近，引力降为0但斥力仍然存在
陷入局部最优
可能会出现合力为零的情况
反馈控制
功能
根据自身参数和车辆定位，以及预先规定的车辆模型，定量计算，控制车辆尽可能实际执行以上所有规划和决策的结果， 包括生成速度、方向盘转角、跟踪轨迹点等
前提
构建车辆模型
车辆运动学模型
车辆==刚体，仅考虑运动物理量，如速度等，不考虑任何力
车辆动力学模型
基于运动学模型，需考虑车辆与地面之间力的关系
横向动力学
控制前轮转角→路径跟踪
纵向动力学
控制轮胎转速→速度跟踪
自行车模型
前轮驱动，刚体，仅考虑二维，左右双轮视为单轮
技术分类
纵向控制
PID控制
【P】比例控制能够迅速反应误差，提高系统的动态响 应速度，并且随着Kp的增大，响应度越来越大， 会出现一定的超调；
【I】加入积分控制后能够减小并消除稳态误差，并随 着积分系数Ki的增大，达到稳态的过渡时间也越 来越短
【D】随着微分系数Kd的增大，系统超调量逐渐减小， 动态性能有所改善；
横向控制
基于后轮的纯跟踪几何法
原理及步骤
①确定预瞄距离和预瞄点
②根据几何关系计算期望转弯半径
③基于车辆阿克曼转向模型计算转角
基于前轮的Staney法
原理
基于前轮中心的路径跟踪偏差量对方向盘转向控制量进行计算
线性二次调节器LQR法
原理
基于x，u集合，解决多目标优化最优控制的数学模型问题
偏差快准稳到零并稳定
前轮转角的控制输入应尽可能小
x 车辆的状态集合
横向误差
横向误差变化率
朝向误差
朝向误差变化率
u 控制输入集合
转向
加速
制动
模型预测MPC控制法
步骤
①建立车辆模型
描述：估计假如一组控制输入应用于车辆会是什么样
②优化引擎计算有限时间范围内的控制输入
描述：搜索密集数学空间来寻求最佳解决方案
依赖条件：车辆模型的约束条件
评估方法：基于与目标轨迹的偏差的成本函数
③执行第一组控制输入
特点
重复过程
只实现第一组控制输入
车用无线通信技术V2X
定义
是指智能网联车辆★（指车载传感器的感知功能、 汽车数据通信处理能力以及数据分析后的决策功能智能化的车辆）与周边一切事物信息相连交互的新一代信息通信技术
系统分类
V2V 车对车
V2R 车对路（如智慧高速）
V2I 车对路侧设施（如红绿灯、交通标识、停车场等）
V2P 车对弱势交通群体（如行人）
V2N 车对驾驶员和互联网★
紧急求助
娱乐交互
技术分类
移动通讯技术，未来主要以5G为主
5G：≥1Gbps
网络架构
独立组网模式SA
非独立组网模式NSA
为了兼容4G基站
关键技术
D2D 设备到设备直接通信
低延时，多通道
大规模输入输出技术 ，如天线阵列
高频段传输技术
高频段
＞30GHz
低频段
3-6GHz
高密组网技术
频率越高，单基站的覆盖面积越少
优点
低延时、高可靠、实时强、大容量
缺点
目前仅满足低速行驶情况
4G：100Mbps
来源
3G与WLAN的结合
制式
LTE-FDD
LTE-TDD
3G：6Mbps
2G：150Kbps
1G：2.4Kbps
物联网无线通信技术（基于移动网络通信技术）
定义
指车辆、设备、家用电器、公共设施、电子产品、传感器等连接到互联网中，并通过无线网络技术进行信息交换
分类
按连接方式
直接连接通讯：设备间直接连接
e.g 蓝牙
e.g 红外线
间接连接通讯：设备间间接连接
e.g WIFI/热点通讯
按需求方式
短距离无线通信
WIFI
又称“行动热点”
创建于IEEE 802.11
蓝牙
优点
无线连接
工作频段全球通用
安全性和抗干扰能力强
缺点
传输距离较短，仅10米左右
射频识别通信技术
组成
电子标签
读写器
应用软件
优点
抗环境干扰强
效率极高
标签独特性
标间简易易识别
Zigbee通信技术
组成
协调器
路由器
终端设备
优点
具有高效的避免碰撞机制，安全可靠
兼容性强
工作时间短，耗能低，节能
低功耗广域网通信
LoRa通信技术
组成
LoRa终端设备
基站
应用服务器
云服务器
技术特点
需重建信号基站实现线性扩频
NB-IoT通信
组成
NB-IoT终端
NB-IoT信息邮局
NB-IoT人机交互系统
技术特点
可基于当前现有蜂窝基站实现蜂窝网络
距离
远