无人驾驶的智能汽车

无人驾驶的智能汽车

作者：张元国

来源：《科学之友》2010年第04期

塞车!刺耳的鸣笛!在交通路况日益恶化的今天,驾车出行早已失去了昔日的快捷与舒适。放眼望去,汽车长龙压得人喘不过气来。不过,随着智能化交通系统的异军突起,这一切将很快成为过去。未来10年,汽车安全系统将能够自动识别道路上的汽车、行人和动物,避免与之相撞。

汽车间对话

如果车辆或者道路设施之间能够对话,就能获取更多车身周边的信息。目前,大多数交通监控系统都是利用埋设在道路主干道的感应线圈来记录每天的车流情况。但是,埋设这些感应线圈不得不挖开地面,对道路大动干戈。研究人员正致力于研发低成本的替代方案。这些方案应当能够以更简单的方式实现汽车间或者与道路设施之间的无线通信。研究人员认为与其依赖汽车自身的车载传感器,还不如通过与附近的车辆或者道路设施进行对话,来监测车身周边信息。这种汽车通信技术能够提供视野范围以外的信息。驾驶过程中,如果有车辆恰巧停在前方道路的拐角处,车载安全系统就可能无法监测到该车的存在,但道路上行驶的其他车辆却可以。

这种设计理念的好处之一是技术要求较低,即汽车和道路设施只需要安装基本诸如全球定位系统等传感器、处理器电源,以及可兼容的短程无线电传输和接收单元等。并且,一开始不必在每辆汽车上都安装这些设备,即使只有5%的车辆安装了这些设备,绝大部分车辆都可以从中受益。

碰撞预警雷达和摄像机采集信号,当出现危险时,避撞系统会自动发出警报或自动减速。碰撞预警系统和避撞技术是更令人兴奋的汽车安全系统。碰撞预警系统的基础是相对先进的自适应巡航控制系统,这些系统通过雷达数据使车辆间保持预设距离值或时间值,它可以准确跟踪前方车辆,从而自动调整车速、控制车辆的起步与停止,大幅度简化车辆在慢速行进中的驾驶。

摄像机和复杂软件控制算法的引入,有助于实现碰撞预警系统的基本功能。雷达能够判断汽车前方是否存在障碍物,并测量它与汽车的间距,但它无法识别障碍物。比如分辨出前方物体是车辆还是道路上的井盖。因此,只有二者协作,才能对正面碰撞事故发生的可能性以及刹车的必要性做出准确判断。

77 kHz的远程微波雷达负责监测前方200 m距离范围内的物体,24 kHz的近程雷达则扫描前方10 m范围内的物体;广角摄像机对前方大约40 m~50 m距离范围内的物体进行识别。当预警系统检测到本车与前方车辆靠近速度过快时,制动踏板就会开始抖动,提示司机注意刹车,或者

触发其他信号,使即将到来的刹车操作立刻见效。如果碰撞事故即将发生,而驾驶员未采取刹车措施,该系统将自动控制车辆减速以减轻碰撞,这与延长汽车前方缓冲区的技术是十分类似的。

自动刹车事故统计数据表明,驾驶员操作失误是道路交通安全问题的主要诱因。前方车辆

突然减速时,驾驶员很难确定刹车力度的大小,这一反应时间很短,却在很大程度上决定了危险的严重性。许多人刹车过晚、过慢,甚至没有刹车。因此,研究人员正在致力于开发自动刹车辅助系统。自动刹车不是难事,但要在各种速度下自动刹车,或者避免错误刹车,还需要科学家继续努力。碰撞预警系统的发展表明,未来的主动安全系统将能够自动控制汽车刹车或转向,从而将车辆驶回原车道,避免碰撞事故发生。不过,能针对各种行驶车速的自动防故障装置还不够成熟,仍需要5~10年的发展时间。沃尔沃汽车公司在城市安全系统中引入了自动刹车技术。该系统的主要作用是,避免或减轻汽车在车速小于30 km/h情况下发生的低速碰撞事故。低速碰撞事故通常发生在城市道种交通中,这些事故往往是司机注意力不集中引起的。低速碰撞事故虽然一般

不会危及生命,但是往往会造成乘员颈部扭伤,带来沉重的社会负担。

城市安全系统在工作时使用红外激光探测器向外发出激光束,通过光束的反射情况来检测

车辆行驶前方6 m范围内的物体。光束接受器能够由此计算车辆与前方物体间的接近速度,并

在必要时迅速响应,触发汽车的刹车系统。如果在这种情况下驾驶员并未采取相应措施,安全系统会自动刹车。在碰撞危险解除以后,系统会通知司机,刚才是自动刹车,并非汽车故障。

不过将这种安全装置引入到针对各种车速的自动刹车系统还比较困难。因为要确保装置在各种紧急驾驶情况下的响应都有效,无疑具有相当大的挑战性。自动刹车动作本身容易实现,但问题的关键在于确保系统在不必要的时候不采取刹车动作,并保证在各种情况下做出正确响

应。到目前为止,沃尔沃等汽车制造商和其他汽车安全系统供应商们仍在不断测试,确保系统绝对可靠。

汽车自主驾驶

车道维持车道维持系统能让汽车始终在同一个车道上行驶。汽车前端的摄像机能够追踪车道标志,是偏航预警系统的关键部件,它随时监测汽车在行驶过程中是否偏离原定的路径。日本汽车公司是最早一批将这种技术引入汽车的制造商之一。车道维持系统能够拓宽驾驶员的视野,使驾驶员掌握车辆侧面和后方的情况。在驾驶过程中,车道维持辅助系统能够及时避免因驾驶

员疏忽、分神或困倦而导致的车辆偏离车道。它能够通过单侧刹车使车身产生偏转,从而对车辆驾驶进行干预,避免车辆偏离车道。维持系统不但能够通过安装在后视镜上方的摄像机来追

踪车道标志,还能够同时监测车速和驾驶员的转向操作。

当驾驶员不小心将汽车驶入了相邻的车道时,转向轮和座椅都会开始晃动,汽车就仿佛是在搓衣板上行驶一般,非常明显。它是在传达一个强烈的信息,提示驾驶员驶回原来的车道。如果

驾驶员没有把车辆驶回原来的车道,继续一意孤行,此时除预警信号器开始蜂鸣外,时钟装置也发出提示,同时仪表板变亮。驾驶员要按一下转向信号,才能关闭车道保持功能,否则汽车就会一直提示驾驶员返回原车道。按照这种模式老老实实地在车道里面开车,不久你就会发现非常舒适。在驾驶室前方的显示屏幕上,驾驶员可以清楚地看到车辆偏向了哪一侧。驾驶员每次通过转向操作让车辆偏离车道时,车辆就在相应的补偿力作用下又平稳地驶回原车道。

盲点预防与车道维持系统相对应的是盲点探测系统。所有的卡车都存在较大的驾驶员视野盲区,盲点探测系统使用雷达或超声波检测临近车道,消灭驾驶盲区。它通过安装在车身侧面的超声波或雷达传感器对相邻车道进行监测,将这些驾驶员看不到的地方信息提供给他们。现在的盲点探测系统如果检测到有车已经或者将要占住车道,就会点亮后视镜处的警示灯,提醒驾驶员别往这边变道。

将盲点技术扩展出去,就形成了辅助变更车道功能,这种功能能够在相邻车道的车辆突然加速行驶时,提供相应信息给驾驶员,阻止他在这种情况下变换车道。在这种情况下,系统感应区将扩展至数个车身长度,有时可能达到车身后方50 m范围。另一项相关技术被设计用于避免倒车时可能出现的紧急情况。这项倒车保护系统可以监测倒车过程中车辆后方的儿童或者其他障碍物,从而在汽车与他们相撞之前及时刹车。

汽车“保护罩”

所有这些先进的感应系统一起工作,特别在它们联网工作时,就能够在车身周围建立起虚拟“保护罩”,能够监测到车身附近几乎所有潜在的危险。不过,这种车载系统结构复杂,成本也较高,尽管它自身有着种种先进功能,但高昂的价格很可能让许多汽车消费者望而却步。

出现危险时,它们通过声音或仪表盘向驾驶员发出警报。例如当道路前方有车辆停下时,如果驾驶员不及时对预警信号做出响应,车辆将自动刹车以避免碰撞事故发生。诸如此类汽车对汽车或汽车对道路通信技术,能将车速、GPS定位以及刹车情况等信息,传输给约400 m范围内的接收器。即使路上汽车很多,它们也可以在没有驾驶员干预的情况下自主行驶。这种“智能道路”技术将会有效节省空间,并在道路交通负担日益增加的情况下减少事故发生。

各种安全技术都稳定可靠的话,无人驾驶汽车也不再遥远。一旦现行研发中的汽车安全系统和自主导航技术达到足够高的可靠性,并且为广大消费者所接受,我们不难预见,汽车将实现自主行驶。事实上,研发人员已经证明了无人驾驶汽车是可行的。

最近,这些无人驾驶车辆出现在美国国防部高级研究计划局举办的美国城市挑战赛上,此项赛事的目的在于证实无人驾驶车辆确实可行。通用雪佛兰精心设计的无人驾驶汽车“BOSS”和数辆类似的汽车,在美国加利福尼亚州维克特维尔市的街道上成功实现了自主行驶,其中一辆甚