基于电气技术的自动驾驶汽车避障系统设计.pdf

汽车与设计10汽车测试报告基于电气技术的自动驾驶汽车避障系统设计王 玥（新乡职业技术学院 河南 新乡 453006）摘要：随着自动驾驶技术的不断发展，人们对自动驾驶汽车的安全性和可靠性提出了更高的要求。自动驾驶汽车在道路上遇到障碍物时，如何准确、快速地感知并避开障碍物成为一个亟待解决的问题。电气技术作为现代汽车工程中的重要部分，具有较强的可控性，被广泛应用于自动驾驶汽车避障系统中。该文从自动驾驶汽车发展现状和面临的挑战出发，结合避障系统对自动驾驶汽车的重要性，提出基于电气技术的避障系统设计方案，以提高自动驾驶汽车在道路上行驶的稳定性和安全性，为实现智能交通系统做出贡献。关键词：电气技术；自动驾驶汽车；避障系统作者简介：王玥，新乡职业技术学院副教授，研究方向为电气自动化。自动驾驶汽车作为一项颠覆性的创新，具有巨大的应用潜力，有利于改变人们的出行方式和交通系统。然而，为了确保自动驾驶汽车的安全性和可靠性，开展避障系统设计至关重要。在避障系统的支撑下，自动驾驶汽车能够实时探测、识别并规避道路上的障碍物，从而降低发生交通事故的概率，确保乘客和行人的安全。1 电气技术概述电气技术是研究和应用电力、电子、电路及电磁现象的技术，被广泛应用于能源、通信、制造业、交通运输等各个领域。随着现代科技的不断进步，电气技术在推动社会发展和改善人们生活质量方面发挥至关重要的作用。同时，电气技术还涉及电机、驱动系统、自动控制系统、电子设备和电路设计等方面，为汽车工业生产、交通运输等带来了便利。在电气技术的发展过程中，电子元器件的微型化、集成化和智能化取得了巨大的突破，使得电气设备变得更加高效、节能和可靠，提高了生产效率和品质。2 避障系统对自动驾驶汽车的重要性第一，避障系统是确保自动驾驶汽车安全行驶的基本要求。自动驾驶汽车需要能够及时检测和识别道路上的障碍物，如其他车辆、行人、交通标志、路障等，以免发生碰撞和造成意外事故。第二，障碍物的存在会影响道路的畅通性和流量。而依托避障系统，自动驾驶汽车能够快速反应并规避障碍物，保持交通的流畅性，提高通行效率。同时，自动驾驶汽车在不同环境下（建筑工地、施工区域、道路斜坡等）行驶时可能会遇到各种各样的障碍物1，所以其需要具备适应不同环境的能力，识别并避开道路上的障碍物，以确保行驶的安全性。第三，障碍物的出现会影响乘客的舒适度和体验。自动驾驶汽车通过有效地避开障碍物，可为乘客提供平稳、安全的环境，增强乘客对自动驾驶技术的信心和满意度。此外，自动驾驶汽车作为一种代替传统人工驾驶的技术，也需要满足法律规定2。因此，避障系统对于自动驾驶汽车非常重要。依托准确可靠的障碍物检测和识别技术，自动驾驶汽车能够快速反应并避开障碍物，确保行驶的安全性、畅通性和用户体验。这将是实现自动驾驶汽车商业化应用及普及的必要条件之一。3 基于电气技术的自动驾驶汽车避障系统设计方案随着自动驾驶技术的快速发展，避障系统作为确保车辆行驶安全的重要组成部分，越来越受到关注。在自动驾驶汽车中，电气技术扮演至关重要的角色，为避障系统的设计和实现提供了强大的支持。为了更加清晰地了解电气技术在自动驾驶汽车中的作用，技术人员需要明确自动驾驶汽车的功能模块（图 1）。3.1传感器选择为了实现障碍物探测与避免，需要选用多种传感器，例如激光雷达、摄像头、超声波传感器、毫米波雷达、红外传感器等。第一，激光雷达能够高汽车与设计112023.7精度测量周围物体的距离和形状，通过发射激光束并接收反射回来的激光来实现测量，从而提供非常精确的三维地图。同时，激光雷达适用于快速而准确地检测障碍物，在视觉条件不理想的情况下性能也比较稳定。第二，摄像头可以捕捉道路上的图像信息，利用计算机视觉算法对图像进行处理，可以实现目标检测、语义分割等功能，从而识别道路上的车辆、行人等障碍物。而且摄像头具有广阔的视野和丰富的信息，可以提供丰富的环境感知数据3。第三，超声波传感器适用于近距离的障碍物检测。它通过发送超声波脉冲并测量传回的反射时间来确定障碍物与车辆之间的距离。超声波传感器响应速度快，可以用于低速行驶时对障碍物的探测和避免。第四，毫米波雷达可以准确地检测和跟踪道路上的其他车辆、行人、自行车等障碍物，提供高精度的目标位置、速度和尺寸信息，为车辆的自主导航和安全决策提供重要的数据支持。此外，毫米波雷达还可以检测路口处的其他车辆和行人，为自动驾驶汽车的决策提供更全面的环境感知。第五，红外传感器可以检测到车辆周围的物体和障碍物，促使驾驶员或自动驾驶系统进行避障。例如，在倒车时，红外传感器可以检测到车辆后方的障碍物，并发出警示声音，以防止碰撞发生4。3.2障碍物检测与识别要想实现自动驾驶汽车对障碍物的检测和识别，则需要借助深度学习技术。第一，收集包含各种障碍物数据的图像或视频，并标注每个图像中的障碍物位置和类型，将其作为训练深度学习模型所需的数据集。第二，构建物体检测模型。首先，选择适用于物体检测的深度学习模型架构，然后对数据进行预处理，以提高模型的泛化能力。其次，使用标注好的数据集训练物体检测模型，应用反向传播算法和优化器，更新模型参数，以最小化预测输出和标注之间的差距。此外，还要对此模型进行评估，使用独立的测试集评估模型的性能，包括检测准确率、召回率、精确度等指标。最后，根据评估结果对模型进行调优，如调整模型超参数、改变网络结构等。第三，将训练好的物体检测模型应用于自动驾驶汽车的实时场景中，通过输入车辆的传感器数据，使用模型进行障碍物检测和识别，得出障碍物的位置和类别信息，并将其与其他传感器（如激光雷达、雷达等）采集的信息进行融合，形成 自动决策 执行算法 自动驾驶 控制器 环境感知模块 决策执行模块 车联网模块 定位导航模块 运动控制模块 全车通信模块 感知融合技术 定位导航技术 人机交 互界面 全车控制模块 测试 系统 仿真 系统 云控 平台 横向 控制 纵向 控制 图 1 自动驾驶汽车的功能模块全面的环境感知，进而实现自动驾驶系统的自动决策和控制，成功避免障碍物并保证行车安全。3.3控制算法设计为了确保自动驾驶汽车行驶的安全性与稳定性，要设计一个合适的控制算法，以使车辆发现有障碍物时能够及时减速、转向并规避5。第一，通过车辆传感器（如摄像头、雷达、激光雷达等）获取包括障碍物位置、速度、形状等在内的环境信息，然后借助深度学习模型或其他算法对障碍物进行检测和识别，再根据当前环境感知的结果，结合车辆动力学的特点，设计出基于最优控制理论的轨迹规划算法。第二，根据生成的轨迹规划算法，结合车辆动力学模型、环境条件及行驶目标来设计合适的速度控制策略，以使自动驾驶汽车在发现障碍物时能够及时减速。比如，当自动驾驶汽车接近障碍物时，需要设计出避障控制算法，根据速度控制和避障决策结果生成相应的控制信号，如加速度、转向角度等，然后传递到车辆的执行器实现对车辆的控制，规避车辆与障碍物的碰撞。正是通过不断地感知环境、规划轨迹、生成控制信号，自动驾驶汽车才能做出相应的控制响应，并保持稳定行驶，顺利避开障碍物6。在避障系统中，控制算法的设计必须考虑实时性、鲁棒性和可靠性，以确保车辆行驶的安全性和稳定性。第一，实时性是指控制算法需要在有限的时间内做出决策和生成控制信号。由于自动驾驶汽车需要快速响应环境变化和障碍物，所以控制算法必须具备高效的计算能力和低延迟的实时性能，以确保及时的控制响应。第二，鲁棒性是指控制算法在应对各种不确定性和异常情况时具有强大的适应能力。例如，面对传感器误差、环境变化或系统故障等情况，控制算法应能够维持车辆的稳定性并做出合理的决策。第三，可靠性是指控制算法在各种工作条件下的稳定性和正确性。必须对控制算法进行充分的验证、汽车与设计12汽车测试报告测试和评估，并且对各种极端情况进行优化和改进，以确保算法运行的可靠性。此外，还应考虑异常情况下的安全措施和容错机制，例如应用备用传感器或冗余控制方式提高整个自动驾驶系统的可靠性。3.4系统集成系统集成是指将传感器、控制单元和执行器等各个组件通过适当的接口进行连接，以确保各个组件之间的协同工作和信息交流。这涉及接口设计、数据传输和通信协议等方面的问题。合理的系统集成可以提高整个自动驾驶系统的可靠性和性能，并确保车辆在各种复杂道路环境下安全运行。在避障系统中，系统集成发挥至关重要的作用。第一，传感器是收集车辆周围环境信息的重要部件，包括摄像头、激光雷达、毫米波雷达等多种设备，用于检测道路、障碍物、交通标志和行人等物体。通过合适的接口和数据处理方法，传感器可以将获取的环境信息传输给控制单元。第二，控制单元负责接收传感器数据，并进行实时处理和决策，采用各种算法，如机器学习算法、路径规划算法等，根据传感器数据完成障碍物检测、车辆定位、路径规划等任务。同时，控制单元会通过接口将相应的控制信号发送给执行器。第三，执行器是负责执行控制信号的设备，例如电动机、制动器和转向器等。其接收来自控制单元的指令，并对车辆进行控制，以使其避开障碍物，按照规划路径行驶。通过适当的接口和控制策略，执行器可以实现对自动驾驶汽车的精确控制。3.5测试验证在构建自动驾驶汽车避障系统后，对其进行测试是非常重要的一步，可以验证系统的控制效果、稳定性和安全性。一是道路行驶测试。自动驾驶汽车需在不同类型的道路上完成直线行驶和转弯等基本驾驶任务，以验证避障系统的定位精度、路径规划和控制性能。二是特殊道路测试。在测试中，还可模拟一些特殊道路情况，如窄路段、施工区域、交通堵塞等，以实现对避障系统应对能力的全面评估。三是复杂环境测试。模拟复杂环境下的驾驶场景是非常重要的。应在城市街区、高速公路或多车道等复杂道路环境中对自动驾驶汽车避障系统进行测试，以验证系统对复杂交通情况和周围车辆的感知和应对能力。此外，为了评估避障系统的鲁棒性，可以进行一些极端情况的测试，如高速行驶下的紧急制动、遇到突然变道的车辆等。这有助于验证避障系统在紧急情况下的安全性能和决策能力。四是仿真测试。除了在实际道路上进行测试之外，仿真测试也是一种有效的测试方法。比如，可应用虚拟场景和模拟器模拟各种驾驶场景和事件，以评估避障系统的性能和安全性。但无论开展何种测试，都需要制定详细的测试计划和指标，并详细记录测试结果。同时，还应遵守相应的法律法规和安全规定，确保测试过程的安全性。4 结束语随着自动驾驶技术的不断进步和试验研究的持续深入，预计在未来几年内，越来越多的自动驾驶汽车将被投入商业运营中，从而改变人们的出行方式和交通系统。总的来说，自动驾驶汽车正处于快速发展的阶段，有望为人们带来更安全、高效和便利的交通方式。虽然自动驾驶汽车在自动避障方面还存在一些问题，但随着技术的进一步发展，自动驾驶汽车避障系统也会越来越成熟。通过电气技术的应用，避障系统能够实现对道路上障碍物的快速响应和准确判断，从而为自动驾驶汽车行驶的安全性和可靠性提供坚实的保障，促进自动驾驶汽车的进一步发展。参考文献：1 洪班豪.汽车主动避障系统控制与仿真研究 D .长沙:湖南大学,2 0 2 0.2 冀雯宇,范鑫,周迅,等.小型智能车自动驾驶系统设计 J .江苏理工学院学报,2 0 1 5(2):2 3-2 6,8 7.3 陈明福,陈金伟.经济背景下无人驾驶汽车及其关键技术研究 J .现代营销(信息版),2 0 1 9 (1 0):7 1.4 吴夏宇.基于制动与转向避障的主动避障系统研究 D .西安:长安大学,2 0 2 0.5 吴晨昊,杨瀚雄,杨硕,等.自动驾驶汽车对行人的运动检测与避让 J .技术与市场,2 0 2 2(1):6 9-7 1.6 鲜鹏.自动驾驶汽车道路状态识别与避障的研究 D .重庆:重庆交通大学,2 0 2 1.