汽车自动驾驶系统的介绍及应用!

老司机看到下面这样的小姐姐总是自然而然就开车了，技术也越来越好咯（家里有媳妇的小心点哈）！还有一些老司机都变成自动驾驶了，闻到小姐姐的味道就自动点火开车了，完全无需把方向盘。说到自动驾驶，这是可看见的未来，已经有大量企业走入了这个赛道。

今天

就和漫谈君一起来看看

汽车自动驾驶系统的介绍与应用

漫谈君说

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汽车生产出来不久，发明家们就已经开始研究自动驾驶技术了。1925年美国一家无线电控制公司展示了一台无线电控制的无人驾驶车辆，这辆车安装了无线电接收和控制装置，有人在另一辆车上通过无线电遥控操作，这与我们现在理解的自动驾驶不同，但这是人类在自动驾驶领域最早的一次尝试。

一、通信技术发展历程

通信技术的发展是实现无人驾驶必不可少的环节之一。通信技术发展经历或正在经历着以下历程：

11G

1G使用模拟通信，只能进行语音通话，不能进行短信、数据上网等业务，使用模拟调试、频分多址技术，频率复用度和系统容量都很低，抗干扰性也很差。

22G

2G主要是GSM（全球移动通信）网络制式，开启了数字通信时代，通话质量、系统容量以及功能相比1G得到了极大提升，除了语音通信，还可以进行短消息、上网等活动。2G的主要缺点在于网络速率低，仅支持低速率的网络应用。

33G

3G开启了移动通信新纪元，在新的频谱上制定了新的标准，能够使用更高的传输速率，视频通话、大量数据传输更为普遍。

44G

LTE（长期演进）引入了OFDM（正交频分复用）和MIMO（多输入多输出）等关键技术，显著提升了数据传输速率和频谱效率，也降低了网络部署和维护成本，是当前主流的通信技术。

55G

最新一代的通信技术，目前还处在研究试验阶段。5G通信技术将具备高速率、大连接、低时延、高可靠、低功耗的特点，使得通信的网络速率、可靠性、时延得到保障，也为车联网自动驾驶、AR（增强现实）、VR（虚拟现实）、触觉互联网、工业控制等新应用提供支撑。

本文将基于5G通信系统的高速率、大连接、低时延、高可靠性等特性的基础上分析车联网技术的相关原理。

二、自动驾驶技术的发展现状

自动驾驶的发展过程经历了以下三个阶段：

1辅助驾驶阶段

这一阶段驾驶员仍旧是操作主体，车辆具备车道保持、自适应巡航等技术来辅助驾驶。

2半自动驾驶阶段

计算机控制下的自动驾驶系统完成到达目的地的过程，受限于法律法规等因素，自动驾驶仍旧不能作为驾驶行为的主体，只可作为备用系统完成行驶。

3全自动驾驶阶段

技术、成本、法律法规等因素都允许的条件下，计算机控制自动驾驶系统，驾驶员也可以随时对操作系统进行控制工作的交接。

人类驾驶行为的模型为感知-决策-执行。首先靠眼睛观察道路、车辆及行人，再通过大脑分析路况并导航，最后手脚操作执行完成行驶过程。而完全自动化驾驶则参照此模型，通过摄像头、雷达等传感器等效感知过程，探测到的实时信息通过行车电脑进行数字化分析输出控制指令，再通过电子控制的转向、油门、制动器来完成驾驶过程。人类驾驶与完全自动驾驶的对比如下图所示。

传统汽车公司，从先进的驾驶辅助系统切入，逐步实现从辅助驾驶到无人驾驶的过渡。以特斯拉（Tesla）为代表的新兴汽车公司，也在自动驾驶技术上取得了突破性进展，采用传感器与各种具体应用场景相结合，他们研发的无人驾驶汽车已经投入使用。

自动驾驶技术需要多个传感器搜集多个环境数据，并需要把这些大量数据发送给其他车辆以及数据中心，当前可用于自动驾驶的通信系统只有DSRC（专用短程通信网络）、LTE。目前的通信技术具有很多不足，传输速率、传输时延、连接数量不能得到保障。

随着5G技术的发展成熟，可以把5G通信技术应用到车联网中，实现对当前自动驾驶技术的通信系统优化。5G时代到来，无人驾驶和车联网才能真正发展起来，并逐渐进入我们的日常生活。

自动驾驶技术的发展和普及具有重大的现实意义，是顺应时代发展趋势的产物。自动驾驶将大幅提升车辆安全性，减少交通事故，并极大程度地降低交通拥堵。同时，也将释放大量劳动力，推动产业革新。甚至在不久的将来，人们可能不再需要停车场，把乘客送到目的地后，车辆将自动接待下一位乘客或者自行寻找停车点。这样会让出行变得更加便捷，免除出行者的后顾之忧。

三、车联网技术的相关原理

5G通信需要建设大量基站，每个基站创建多个小区，小区基站无线信息的一个扇形服务区域会提供广播信息和专用信道，以实现手机或者终端的接入和通信。

车联网就是以汽车为载体开展的信息服务，实现人、路、车的协同，是通信技术和信息技术结合体。

车将实现自动驾驶、自主车辆监控和运营管理；

路将实现道路状况监控，实时更新交通服务、电子地图；

人将在车联网自动驾驶技术中失去主体作用，作为一个辅助角色，更多地是体验娱乐、信息咨询。

车联网的总体架构如下图所示：

四、车联网V2X通信的实现

车联网V2X通信的实现主要包括以下三个方面：

1信息贡献和移动自组织网络的设计

公路上行驶的车辆来来往往，川流不息，自动驾驶的车与车之间需要交互数据。成千上万的汽车行驶在不同的城市、不同的街道，实现所有车辆的信息交互是艰难的，也是浪费通信资源的。比如，相隔100km的两个车辆之间的信息交互，对于每一辆车来说是没有用的数据，所以需要将对彼此交互的信息有用的车辆组织到一个小网络中，形成一个彼此依赖的车辆群，形成移动自组织网络。

移动自组织网络是一种临时性自治网络系统，网络拓扑结构动态变化，由于车辆随机移动、随时熄火停车、网络拓扑结构随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都是不可预测的。需要设计一套移动自组织网络的方案，既要保证网络的组建灵活，还需要保证通信的可靠。

自组织网络组建的方案设计：每个车辆都会接入一个小区，把自己的一些基本信息（含GPS位置信息）上报给小区，小区将这些信息广播发送，接入该小区的其他车辆就会收到这些信息，每个车辆都可以保存这些车辆的信息，接入同一个小区的车辆就自组织形成一个网络，也就是一个群，群内的车辆都可以发送自己传感器探测到的数据给其他车辆。当车辆驶出该小区的覆盖范围，切换到另一个小区时，就加入另一个小区下的自组织网络，与该小区下的所有车辆通信。

5G通信技术支持大链接，接入到同一个小区下的车辆不会因为系统容量受限而无法加入自组织网络。5G通信技术的短时延特性，支持车辆间交互，满足毫秒级要求。

2互联和海量连接的管理实现

自动驾驶不但要求车与车要互联，还要求车与物的互联，比如，车与路测装置互联、车与物的互联。车与路测装置的互联：路测装置安装带运营商SIM卡的终端，通过某个小区接入移动网络。路测装置会把这一段路程的信息通过小区广播出去，比如路面承重、限高、前方隧道、前方急转弯、路面湿滑等信息，车辆接收信息后进行决策，采取一定措施，比如，路面湿滑就会降速。

车与物的互联灵活多样，针对突发情况，亦可以增加有通信功能的装置，比如某些情况下要对某个街道交通管制，就可以在临近路口临时放置装置，接入移动网络，通知经过车辆前方交通管制，让自动驾驶车辆及时重新规划线路。

3高可靠低延时的安全保障

车辆高速行驶过程中，能够及时快速地做出响应至关重要。比如，时速80km/h行驶的汽车，计算得出每秒就可以前进22.22m，如果车联网消息按照秒级响应，每秒就已经冲出去22m了，事故可能已经形成。

下图是各个制式的网络端到端通信的时延，当前可用网络时延最小的4GLTE网络也有100ms的时延。

五、车联网数据中心

车联网数据中心包括数据管理、设备管理和运营管理，实现统一安全的网络接入、各种终端的灵活适配、海量数据的采集分析。车辆装配多种的传感器数据，采集的各种数据和GPS信息通过5G网络上报数据中心，数据中心通过计算可以实时获取车辆状态信息、车辆位置等信息。数据中心可以有以下几个功能：

1车辆监测

随时随地对车辆进行监测，采集多种车辆数据，对车辆进行实时管理。

2城市交通指挥

能够整体了解整个城市车辆的动态，通过大数据分析能及时掌握道路拥堵状况，及时对信号系统进行调整。

3数据推送

数据中心可以推送各种数据到车辆，比如：限行信息、道路拥堵状况，车辆能够自动作出决策。