无人驾驶汽车体系结构分析

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714009

摘要：无人驾驶汽车需要使用计算机、传感器和其他技术设备，来保证车辆在没有驾驶员的主动控制下可以安全行驶，无人驾驶汽车体系结构可以实现系统模块之间的合理协调，决定了系统软、硬件的开放性和扩展性。本文论述了三种不同体系结构的特点，介绍了Boss无人驾驶汽车的体系结构组成和功能，对于无人汽车的深入研究具有借鉴意义。

关键词：无人驾驶；体系结构；传感器

无人驾驶汽车是在网络环境下用计算机技术、信息技术和智能控制技术搭建起来的车辆，从广义上讲是一种兼具汽车性能的移动机器人。无人驾驶载体包括无人机、无人艇、无人潜水器和地面无人驾驶车辆。无人驾驶车辆包括军用和民用两种平台，无人驾驶汽车主要偏重于民用领域。

一、体系结构的概念

无人驾驶汽车体系结构描述了汽车系统诸多部分的关系和组织架构，以及各部分之间的交互关系；定义了汽车软硬件的组织原则、集成方法及支持程序；确定了系统的各组成模块的输入和输出，按照工作模型进行总体协调指挥。对于无人驾驶汽车系统，体系结构包括了系统信息的交流和控制调动，起到神经系统的作用。

二、分层递阶式体系结构

分层递阶式体系结构由感知、建模、任务规划、运动规划、运动控制和执行器等模块串联起来构成，前者的输出结果为后者的输入，又称为感知模型规划行动结构。在这种体系结构下，执行器产生的动作不是传感器直接作用的结果，而是经过了一系列由感知、建模到規划、控制等阶段，具有解决特定任务的能力。分层递进式体系结构的构建根据用户对环境中已知对象的了解及相互关系的推测与分析，另一部分根据传感器模型的自主构造，这种体系结构缺乏实时性和灵活性，串联的结构系统导致可靠性不高，当一个模块出现故障，将导致整个系统瘫痪。

三、反应式体系结构

反应式体系结构是针对各种目标设计的基本行为，形成各种不同层次的能力的并联体系结构。每个控制层根据传感器的输入进行决策，高层次对低层次施加影响，低层次具备独立的控制系统，故可以产生快速的响应，实时性强。整个系统可以方便灵活地实现从低层次到高层次的障碍规避，系统的鲁棒性和灵活性得到提高。此外，由于每层负责执行一个行为，且执行方式可以采用并联式，当一个层次模块出现故障时，其他层次仍然能够正常工作。

四、混合式体系结构

混合式无人平台体系的规则在于，较低层次上采用面向目标搜索的反应式行为，在较高层次上，采用面向目标定义的递阶慎思式行为。混合式体系结构包括传感器、数据处理、数据存储、计算机建模和控制，可以实现一个或多个系统的控制，并且其中的体系可以完全自主，或通过其他方式进行交互。体系的层次之间以时间/空间进行划分，高层次的时间和空间跨度很大，但分辨率很低；低层次的时间和空间跨度很小，分辨率很高。例如基元层规划器的地图范围为5m，分辨率为4cm，车辆能够在狭窄的通道内前进和驻车，对路径进行精确规划；子系统规划器的地图范围为50m，分辨率为40cm，这个地图被用来规划未来5s内的路径。车辆规划器的地图范围为500m，分辨率为4m，用于规划未来1min内的路径，且考虑地形特征。区域规划器的地图范围为5km，分辨率为40m，用于规划未来10min的车辆行为。

五、Boss无人驾驶汽车体系结构

卡内基·梅隆大学研制的Boss无人驾驶汽车整合了现成的商业线控系统，实现了加速、制动、转向、变换档位等自动操作。Boss的体系结构可以分为感知层、任务规划层、行为执行层和运动规划层等部分，如图1。

采用的传感器有Applanix POSLV220/420 GPS/IMU （APLX）、SICK LMS 291S05/S14激光雷达、Velodyne HDL64位激光雷达、Continental ISF 172激光雷达、IBEO Alasca XT激光雷达、Continental ARS 300雷达、Point Grey摄像机。

感知层处理来自传感器的外围环境数据，包括车辆状态信息、道路信息、动态障碍物、静态障碍物地图及堵塞道路等信息。

任务规划层根据已有的路网信息计算所有到达下一任务检测点可行路径，与根据环境信息计算生成的可行路径做对比，得到一个最优路径。

行为执行层结合感知层的环境信息和最优路径为运动规划层产生离散运动目标的局部任务，例如车距保持、特定速度行驶、特定路线行驶等。

运动规划层包括两个规划器，用于结构化道路上行驶规划和非结构化道路的位置、方位和行驶方向的规划。两个规划器执行来自行为执行层的任务，使车辆达到任务目标，并且在任务过程中能规避任何障碍物。

参考文献：

[1]刘凯.无人驾驶车辆体系结构与定位导航技术研究[D].北京：北京理工大学，2010.

[2]孫扬，熊光明，陈慧岩.基于FuzzyEAHP的无人驾驶车辆智能行为评价[J].汽车工程，2014，36（01）：2227.

作者简介：冯帆（1989），男，陕西西安人，硕士研究生，助教，研究方向：汽车检测与维修技术。