自动驾驶系统设计及应用--清华大学出版--部分笔记

作者：余贵珍、周彬、王阳、周亦威、白宇

目录

第一章 自动驾驶系统概述

1.1 自动驾驶系统架构

1.1.1 自动驾驶系统的三个层级

1.1.2 自动驾驶系统的基本技术架构

1.2 自动驾驶技术国内外发展

1.3 传感器技术

1.3.1 摄像头

1.3.2 毫米波雷达

1.3.3 激光雷达

1.3.4 超声波雷达

1.4 导航与定位技术

1.4.1 卫星定位系统和捷联惯导航系统的组合定位技术

1.4.2 激光雷达点云和高精地图的匹配定位技术

1.4.3 计算机视觉里程算法的定位技术

1.5 高精地图

1.5.1 高精地图的定义

1.5.2 高精地图的特点

1.5.3 高精地图的制作

1.6 决策与控制技术概述

1.6.1 设计目标

1.6.2 系统分类

1.7 自动驾驶平台技术概述

1.7.1 英伟达（NVIDIA）

1.7.2 英特尔（Intel）

1.7.3 谷歌（Waymo）

1.7.4 特斯拉（Tesla）

第二章 自动驾驶安全设计

2.1 系统功能与信息安全概述

2.1.2 汽车安全设计

2.2.1 功能安全与ISO26262标准

第三章 车辆总线及通信技术

3.1 车辆电子电气架构技术

3.1.1 汽车电子电气技术

3.1.2 汽车电子电气架构

3.1.3 车载以太网

整车总线及线控技术

3.3.1 汽车总线技术

3.3.2 汽车线控技术

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第一章 自动驾驶系统概述

1.1 自动驾驶系统架构

1.1.1 自动驾驶系统的三个层级

环境感知--决策规划--运动控制 三个层级

1.1.2 自动驾驶系统的基本技术架构

车载系统--云端系统 两部分

1.2 自动驾驶技术国内外发展

自动驾驶系统分级

美国汽车工程师协会（SAE）

美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）

1.3 传感器技术

1.3.1 摄像头

优点：技术成熟、成本低、采集信息丰富

缺点：三维立体空间感不强，受环境影响大、黑夜、大雾等能见度低的情况下，识别率大幅降低。

按摄像头应用分为：单目、双目、多目

按安装位置分为：前视、后视、侧视、环视

摄像头在汽车领域的应用

1.3.2 毫米波雷达

优点：导引头体积小，质量轻、空间分辨率高；穿透雾、烟、灰尘的能力强、传输距离远。

缺点：元器件成本高，加工精度相对要求高，探测角度小；在雨、雾和湿雪等高潮湿环境会衰减，树丛穿透能力差；

原理：毫米波其实就是电磁波，其频率通常在10-300GHz.，毫米波波长为1-10mm。

24GHz频段：应用于汽车的盲点监测，变道辅助。

77GHz频段：主要用于探测车距及前车速度，实现主动刹车、自适应巡航的基础。

1.3.3 激光雷达

优点：分辨率高、精度高、抗干扰能力强。

缺点：工艺要求高、造价昂贵；无法识别颜色图案、文字等标识、需要高的计算能力。

原理：向目标发送激光束、然后收到从目标反射回来的回波与发射信号进行比较、经过计算分析后，就可以获得目标的有关系信息。如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数。

1.3.4 超声波雷达

1.4 导航与定位技术

高精定位技术路线主要有三种：基于卫星定位系统和捷联惯导航系统的组合定位技术、基于激光雷达点云和高精地图的匹配定位技术、基于计算机视觉里程算法的定位技术。

1.4.1 卫星定位系统和捷联惯导航系统的组合定位技术

基于卡尔曼滤波器的最优估计理论的数据处理方法为组合导航系统综合性能的目的，提供导航系统的精度。

滤波运行时主要分为预测和更新两个阶段。

1.4.2 激光雷达点云和高精地图的匹配定位技术

高精地图的绝对坐标精度更高，而且所含有的道路交通信息元素更丰富、细致。

激光雷达在车辆行驶过程中不断收集点云来动态了解周围环境，通过环境信息与高精地图进行对比匹配确定车辆位置。

最常用的点云匹配算法是迭代最近点算法（ICP）

1.4.3 计算机视觉里程算法的定位技术

基于视觉的定位算法主要分为：基于地标拓扑的算法和基于几何的视觉里程算法。

地标拓扑的算法：把所有的地标抽象成一个拓扑图，当自动驾驶汽车监测到某个地标时，便可以根据地标位置大致推断自身所在的位置；

基于几何的视觉里程算法：其中典型的基于双目摄像头的视觉里程算法如图

由于摄像头成像质量对光线相当敏感，不同的光线环境下，同样的场景可能不被识别，导致算法失效。

1.5 高精地图

传统地图解决的问题是：人在驾驶汽车时，帮助人做出正确的决策。

高精地图解决的问题是：车辆的自动驾驶。

1.5.1 高精地图的定义

高精地图比普通导航而言，具有高精度、地图元素更加详细、属性更加丰富的特点，

高精度指地图的绝对坐标精度达到亚米级别。道路交通信息元素及其属性更加丰富和细致。比如：道路形状、车道线、车道中心线、交通标志灯等。

1.5.2 高精地图的特点

1 精度高

传统地图只要做到米级精度就可以导航，高精地图需要达到厘米级别才能保证无人驾驶车行驶安全。

2 高粒度

传统地图只需画一根道路线就可以，而高精地图是以车道线为单位的

高精地图三岔路口和十字路口处的模型构建

高精地图渲染效果

3 实时性

传统数据更新要求为一个季度更新全国一次，而高精地图会在一季度更新全国地图一次的基础上，每天都会利用自动驾驶车辆回传的数据进行小规模的更新。

1.5.3 高精地图的制作

基于移动测绘车采集的数据，目前正形成一种“专用采集+众包维护”的动态更新方式

无人机航测数据更新则需重新进行航测。

1:500地形图测绘采用部分补测的方式实现数据更新。

1.6 决策与控制技术概述

1.6.1 设计目标

行为决策与控制系统的目标是使自动驾驶车像熟练的驾驶员一样产生安全、合理的驾驶行为。

1.6.2 系统分类

行为决策系统基于规则和基于学习算法两大类

规则：根据行驶规则、知识、经验、交通法规等建立行为规则库。

算法：通过对环境样本进行自主学习，由数据驱动建立行为规则库。

1、基于规则的决策控制系统

最具代表性的是有限状态机法，其因逻辑清晰、实用性强等特点得到广泛应用。

有限状态的四大要素：状态、事件、转移、动作。

有限状态机的核心在于状态分解。

根据状态分解的连接逻辑：串联、并联、混联模式

串联

并联

混联

2、基于学习算法决策控制系统

主要分为：深度学习相关的决策方法与基于决策树等机器学习理论的决策方法

NVIDIA无人车决策系统训练模型

卷积神经网络（Convolutional Neural Networks，CNN）

1.7 自动驾驶平台技术概述

从国际来看，目前比较有影响力的自动驾驶平台主要有4个。

1.7.1 英伟达（NVIDIA）

Drive PX2开放式平台

1.7.2 英特尔（Intel）

Intel Go自动驾驶平台

1.7.3 谷歌（Waymo）

Waymo是谷歌旗下专门从事自动驾驶研究的科技公司

1.7.4 特斯拉（Tesla）

Autopilot系统

第二章 自动驾驶安全设计

2.1 系统功能与信息安全概述

1、从交通事故看汽车安全

安全既是设计新一代智能驾驶车辆的起点，又是智能驾驶需要实现的目标。

CNCAP安全车辆2020线路图

自动驾驶汽车致死案例

2、从安全测试看汽车安全

汽车安全测试就是在无人并可控的条件下人为地制造汽车事故的实验，从而最大限度地研究汽车的安全性能。

对车型安全性的评价由4部分组成：成人保护、儿童保护、行人保护和安全辅助系统

ENCAP公布的某车安全评测结果

Euro-NCAP（欧盟新车评价规程）测试项目概览

C-NCAP 2018（中国新车评价规程）测试项目概览

3、从黑客看汽车安全

2.1.2 汽车安全设计

1、汽车安全设计的时间维度

车辆安全的目标是保护所有道路使用者的安全。

2、汽车安全设计的空间维度

空间上可以分为：内部安全（对驾乘人员的保护）和外部安全（对行人及周围环境的保护）

3、汽车安全设计的技术维度

（1）电车安全

以电或油电混合作为动力来源是新能源汽车发展的一大趋势。

（2）功能安全

汽车功能安全标准ISO26262，标准规定，如果一个系统不存在由于电子电力系统（E/系统）失效行为引发的不合理风险，则说这个 系统是功能安全的。

先进安全汽车技术发展框架图

（3）预期功能安全

功能安全针对系统如何对错误做出反应或者是否可以避免系统错误以失效所需安全目标的问题。

预期功能安全与功能安全不用，处理系统正常工作状态下因有限的性能所带来的安全问题。

（4）信息安全

汽车功能安全标准ISO26262中描述的功能安全的标注方法着重于降低由于电子电力系统随机硬件故障或软硬件设计期间的系统故障（例如软件缺陷）而导致灾害的风险

汽车信息安全需要保护客户的隐私和车辆通行数据的完整性，其组件以及功能的安全操作。

2.2.1 功能安全与ISO26262标准

第三章 车辆总线及通信技术

3.1 车辆电子电气架构技术

3.1.1 汽车电子电气技术

汽车电气设备是汽车的重要组成部分之一，其性能的好坏直接影响汽车的动力性，经济性、可靠性、安全性、舒适性及排放。

电气设备示意图

1、汽车电气技术

1）设备的组成

（1）电源部分

电源部分包括蓄电池和发电机。

（2）用电设备

大致分为启动系统、点火系统、灯光与信号系统、信息显示系统、辅助电气系统及电子控制系统等

• 启动系统：作用是启动发电机。启动系统由启动机、启动继电器及启动开关组成。

• 点火系统：作用是产生电火花，点燃可燃混合气。

分为电子点火系统和计算机控制点火系统两大类

点火系统示意图

• 灯光与信号系统。灯光指照明装置，信号装置主要用来提供安全行车所必需的信号（电喇叭、闪光器、蜂鸣器及各种）。

信息显示系统：包括润滑油压力表、冷却液温度表、燃油表、车速里程表、发动机转速表等仪表信息。

信息显示系统示意图

辅助电气系统：包括电动挂水器、风窗洗剂器、风窗加热器、汽车空调、汽车音响、安全气囊、中控门锁系统、电动车窗、电动天窗、电动后视镜、电动座椅、电动后遮阳帘等

辅助电气系统示意图

电子控制系统。电子控制系统

3.1.2 汽车电子电气架构

1 、汽车电子电气架构概述

电气即电子电气，与电相关的意思。电子电气架构属于车辆电子电气系统的顶层设计。

2、汽车电子电气架构分类

分为三种：单元分布式、域中央式、整车中央式电子电器架构

3、汽车电子电器架构发展趋势

CAN+车载以太网 双主干网络总线架构

CAN协议主要负责时效要求更高、数据量小的信息传输。

车载以太网主要作用于不同的域之间，以实现数据量大的信息互通。

3.1.3 车载以太网

1、概述

1）以太网概述

车载以太网在车内主要应用于对宽带需求较高的系统上，如高级驾驶辅助系统（ADAS）、车载诊断系统（OBD）以及车载信息娱乐系统等。

2）以太网的发展

以太网技术以WIFI的形式从有线网络发展到无线网络（也称为无线以太网）、无线以太网在未来也将作为汽车外部网络连接的关键技术。

2、车载以太网

1）什么是车载以太网

以太网应用在：局域网、城域网（MAN）、广域网（WAN）

车载以太网主要应用在对带宽需求较高的系统上，如高级驾驶辅助系统（ADAS）、车载诊断系统（OBD）以及车载信息娱乐系统。

2）车载以太网主要技术

车载以太网主要涉及OSI的1、2层技术

（1）物理层PHY

100Mb车载以太网的PHY采用了1Gb以太网的技术，通过使用回升抵消在单线对上实现双向通信。

（2）“一对数据线供电”PoDL

可在一对线缆上为电子控制单元ECU的正常运行提供12V DC或者 5V DV供电电压

（3）先进电缆诊断ACD

ADC功能可以分析反射信号的幅度和延迟来检测电缆的故障。

（4）高能效以太网

关闭引擎时，可以采用高效能以太网及时关闭不在用的网络以降低耗电量。

（5）时间同步

车载以太网采用了IEEE 802.1AS的定时同步标准，改标准通过IEEE 1588V2的Profile从而用一种更简单快速确定主时钟，规定了广义的精确时间协议（gPTP）。

（6）时间触发以太网

IEEE 802.3工作组开发了一种高优先级的快速包技术，使得快速包可插入正在处理的包队列中被优先处理，已保证延迟在微妙级范围内。

（7）音视频桥接AVB

AVB提供了优先级、流量预留协议（SRP）、流量整形协议（FQTSS）等核心功能。

AVB传输协议：音视频传输协议（AVTP）

3）车载以太网的优势

（1）全双工（Full-Duplex）的运行方式，两个设备可以同时发送和接收数据。

（2）包交换技术

包交换技术将通信数据拆分为称作包的消息（Message），在以太网中，使用帧（frame）更普遍。

简单的BroadR-Reach交换机网络

（3）基于地址的Message。

每个以太网Message都有一个源地址和目标地址，交换机通过目标地址将Message路由到他们的接收方

交换机组网机制

摄像头三种连接技术：

①模拟量的NTCS（National Television System Committee）信号

②模拟量的PAL（Phase Alternating Line）

③数字量的LVDS（Low Voltage Differential Signaling）

无线功能也是车载以太网技术的一个优势。为V2V（vehicle to vehicle）和V2I（Vehicle toInfrastructure）

开拓了一种新的可能性，并且为ITS智能交通系统（Intelligent Transportation System）提供了强有力的网络技术。

4 )车载以太网的机会

5）车载以太网发展趋势

车载以太网车载在单线对非屏蔽双佼线的传输介质上，使用更小巧紧凑的连接器，将可减少高达80%的车内连接成本和高达30%的车内布线重量。

3 车载以太网标准化

4个标准化组织或联盟 IEEE/OPEN/AUTOSAR/AVnu

整车总线及线控技术

3.3.1 汽车总线技术

汽车总线是指汽车内部导线采用总线控制的一种技术，通常称为汽车总线或者汽车总线技术。

1、LIN总线

LIN（Local Interconnect Network）：其目的是给出一个价格低廉，性能可靠的低速网，在汽车网络层次结构中作为低端网络的通讯协议，并逐渐取代目前各种各样的低端总线系统。

1）LIN总线的通讯系统

2）LIN总线特点

（1）可靠性传输，最高可以达到20Kb/s,一个主控制器和多个从设备模式不需要仲裁机制。

（2）低成本。节点处不许奥陶瓷振荡器或者晶振就可以实现自同步，大大降低使用成本。

（3）网络上增加新节点不需要在LIN从节点做硬件和软件更改。

3）LIN总线的应用

汽车方向盘、座椅控制、车门控制系统和车展传感器等

LIN总线的系统用数字信号量将模拟信号量替换，使得LIN总线性能提升较大。

2 CAN总线

CAN总线分为高速CAN和低速CAN，

低速CAN是舒适型总线，速度为125Kb/s,主要连接仪表、防盗装置等；

高速CAN是动力型总线，速度为500Kb/s,主要连着ABS、ECU等。

CAN总线的通讯介质一般为双绞线，另外还有同轴和光导纤维。

汽车中CAN总线应用

1）CAN总线的通讯

各节点的CAN总线均可以实现自由通讯，CAN总线上任意节点可以在任意时刻主动向网络上其它节点发送信息而部分主次，并且可在各个通讯节点之间通讯。

为了保证数据通讯的可靠性，CAN协议采用了CRC检验并可提供相应的错误功能。

为了保证数据通讯的实时性，使得数据长度最多为8字节。并且8字节不会占用总线时间过长。

2）CAN总线的特点

（1）传输没有主次之分，靠各个节点信息先后顺序来决定通讯次序。

（2）过个节点同时发出时，优先级高的先通讯。

（3）CAN总线用两根导线铰接连接，可以避免信号干扰，使得信号传输更可靠。

（4）如果某个节点在通讯中发生严重错误，节点通讯自动离开总线的功能。

（5）CAN总线是双绞线。CAN总线适用于短距离通讯或者长距离小数据量通讯

3）CAN总线在设备的应用

CAN总线分为高速CAN和低速CAN

3 CAN FD总线

为了提高传输速率，CAN总线的升级版--CAN FD（CAN with Flexible Data-Rate）应运而生。

1）CAN FD做出的改进

两种方式：A 缩短时间提高位速率，B 加长数据场长度，减少报文数量、降低总线负载率。在CRC校验段采用三种多项式来保证高速通信下的数据可靠性。

（1）可变速率（CAN with Flexible Data-Rate）。从控制场中的BRS位到ACK场之前（含CRC分解符）为可变速率。两种速率各有一套位时间定义寄存器，他们除了采用不同的位时间单位TQ外，位时间各段的分配比例也可不同。

（2）新的数据场长度，DLC最大支持64字节，DLC大于8时则有一个非线性的增长，最大的数据场长度可达到64字节。

（3）CRC校验场。在DLC大于8字节时，CAN FD选择两种新的BCH型CRC多项式。

CAN与CAN FD对照

2） 如何从传统CAN升级到CAN FD

硬件方面：选取支持CAN FD的CAN控制器和收发器，选取新的网络调试和监测工具。

网络兼容方面：由于帧格式不一致的原因，CAN FD可以正常收发传统CAN报文，但传统CAN节点不能收发CAN FD节点的报文。

CAN 每帧8字节提高到64字节

波特率从1Mb/s提高到8-15Mb/s，使得通讯效率提高8倍以上。

4、MOST总线

MOST（Media Oriented System Transport）：多媒体传输系统。一种用于多媒体传输的网络系统，该系统将符合的地址的信息传送到某一接收器上。

1）MOST总线的通讯

以光纤为载体，通常为环状拓扑结构，布线需单根光纤。

传输速率50MB/s, 常有3-10个节点，一个时序主控者负责驱动系统时钟，生成帧数据即64字节序列数据。可以同时满足15个不同音频流的播放，环中的每一个节点都代表着多媒体设备。剩下的节点都充当从控者。有一个节点充当用户控制界面或MMI。一般这个节点也是时序主控者。

MOST系统采用环状拓扑结构

2）MOST总线特点

（1）传输速度快。

（2）声音图像的实时处理。

（3）可以与多钟网络连接。

（4）物理层上，传输介质本身是塑料保护套、内芯为1mm的聚甲基丙烯酸甲酯光纤。允许采用采用多种拓扑结构，包括星状和环状，汽车基本都采用环状拓扑结构。一个MOST网络最多可以有64个节点。

3）MOST总线的应用

由于传输数据量大、损耗小、速度快，抗干扰性强，故可连接汽车音响系统、视频导航系统、车载电视、高保真音频放大器、车载电话、CD播放器等模块。目前高端汽车大多采用MOST系统连接其它车载影音娱乐系统。

3.3.2 汽车线控技术

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，驾驶意图将转换成对应的电信号驱动执行机构的精准运动

1、汽车线控技术应用

1）线控油门

将驾驶行为中油门控制转换成正比的电压信号，发送给发动线控制器，自动优化控制

2）线控转向

3）线控制动