自動(dòng)駕駛機(jī)器人可以代替駕駛員進(jìn)行可靠性、危險(xiǎn)性和高精度的車輛道路測(cè)試與試驗(yàn)。本文介紹自動(dòng)駕駛機(jī)器人功能和結(jié)構(gòu)，分析自動(dòng)駕駛機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)自動(dòng)駕駛機(jī)器人在車輛道路測(cè)試試驗(yàn)、整車性能測(cè)試、聲學(xué)測(cè)試、風(fēng)洞測(cè)試等方面的應(yīng)用。
隨著汽車工業(yè)新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，人們對(duì)汽車的安全性和可靠性提出了越來(lái)越高的要求，這就需要企業(yè)要對(duì)汽車做大量的穩(wěn)定性、安全性和可靠耐久性的試驗(yàn)來(lái)不斷提高水平。
隨著汽車試驗(yàn)要求的不斷提高，有些環(huán)境人類無(wú)法完成，或者對(duì)人類駕駛員來(lái)說(shuō)有一定的危險(xiǎn)性 。此時(shí)，汽車試驗(yàn)就可以通過(guò)自動(dòng)駕駛機(jī)器人來(lái)完成的，相比試駕員相 比較，自動(dòng)駕駛機(jī)器人具有高精準(zhǔn)度的控制、重復(fù)性好、疲勞耐久性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是道路試驗(yàn)駕駛機(jī)器人，通過(guò)環(huán)境感知和識(shí)別系統(tǒng)大大提高了自動(dòng)化程度，可代替駕駛員完成一些疲勞性和危險(xiǎn)性駕駛試驗(yàn)，為駕駛員的安全和試驗(yàn)結(jié)果的可靠性提供保證。自動(dòng)駕駛機(jī)器人是指具有自主駕駛車輛行為的機(jī)器裝置，它可以按照人們給定的指令執(zhí)行相關(guān)駕駛操作，如起步、加速、制動(dòng)、換道等，也可以通過(guò)環(huán)境感知實(shí)現(xiàn)自主駕車行為，如車道線跟蹤、換道、避撞、停車等。
1、國(guó)內(nèi)外自動(dòng)駕駛機(jī)器人研究現(xiàn)狀
國(guó)外自動(dòng)駕駛機(jī)器人技術(shù)自20世紀(jì)80年代就已經(jīng)開始發(fā)展，一開始是為了代替一些人類無(wú)法完成的危險(xiǎn)環(huán)境，發(fā)展到今天，已經(jīng)有了很大的進(jìn)度，技術(shù)越來(lái)越成熟， 使用范圍也越來(lái)越廣泛。
但自動(dòng)駕駛機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)處于保密階段，核心技術(shù)也是掌握在發(fā)達(dá)國(guó)家一些斬首知名的測(cè)試儀器公司，如日本Horiba 公司，英國(guó)的 Froude Consine，英國(guó)Anthony Best Dynamics（ABD）公司，德國(guó)的 STAHLE、WITT 公司 ，美國(guó)的LBECO公司等。
圖1為英國(guó)ABD公司自動(dòng)駕駛機(jī)器人
英國(guó)ABDynamics汽車測(cè)試系統(tǒng)公司研發(fā)了一系列計(jì)算機(jī)控制的車內(nèi)機(jī)器人測(cè)試產(chǎn)品，專門用于車輛動(dòng)態(tài)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)的測(cè)試。除些之外，它們也可以用于其他的測(cè)試應(yīng)用,如耐久性和濫用測(cè)試及高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的開發(fā)。
英國(guó)ABDynamics汽車測(cè)試系統(tǒng)主要用來(lái)提高典型試驗(yàn)的精度和重復(fù)性，使一些人類司機(jī)很難實(shí)現(xiàn)或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的測(cè)試可以很容易實(shí)現(xiàn)，降低試驗(yàn)的危險(xiǎn)，節(jié)省試驗(yàn)的時(shí)間，還可以獲得高質(zhì)量的客觀數(shù)據(jù)（控制器內(nèi)置數(shù)采）。
產(chǎn)品有ABDynamics 轉(zhuǎn)向機(jī)器人，ABDynamics制動(dòng)機(jī)器人，ABDynamics油門機(jī)器人，ABDynamics換擋機(jī)器人，ABDynamics離合機(jī)器人，ABDynamics踏板機(jī)器人（制動(dòng)、油門和離合）。
這一系列的機(jī)器人既可以獨(dú)立使用，也可以相互結(jié)合進(jìn)行更加復(fù)雜的試驗(yàn)，如轉(zhuǎn)彎時(shí)制動(dòng)，變道時(shí)制動(dòng)或轉(zhuǎn)向時(shí)加減油門等。我們的設(shè)計(jì)理念是把機(jī)器人安裝在車輛內(nèi)時(shí)不需要對(duì)車輛進(jìn)行過(guò)多的改動(dòng)，而且當(dāng)設(shè)備安裝好后允許司機(jī)像正常情況下一樣仍然坐在車內(nèi)正常駕駛車輛。所有的機(jī)器人都是電力驅(qū)動(dòng)，電源來(lái)自車輛的電池。系統(tǒng)使用普通的基于Windows的用戶界面軟件,可以很容易的對(duì)機(jī)器人進(jìn)行設(shè)置，軟件通常安裝在筆記本或平板電腦上。機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制則由一個(gè)強(qiáng)大的伺服控制器進(jìn)行，控制器通過(guò)USB接口和計(jì)算機(jī)軟件連接。
圖2 德國(guó)STAHLE公司SFPhybrid 自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)(轉(zhuǎn)向機(jī)器人)
德國(guó)Stahle機(jī)器人系統(tǒng)有限公司（Stahle）是一家機(jī)器人系統(tǒng)、以及各類系統(tǒng)軟件的承包供應(yīng)商，德國(guó)Stahle公司獲得了QS-9000認(rèn)證，已經(jīng)為全球主要的汽車制造商提供了1000多套試驗(yàn)室機(jī)器人系統(tǒng)，包括奔馳、大眾奧迪、寶馬、通用、福特、戴姆勒-克萊斯勒、大眾、豐田、現(xiàn)代、啟亞、通用大宇、三星、雷諾、雪鐵龍、菲亞特、印度塔塔汽車、印度汽車研究所、美國(guó)國(guó)家環(huán)保局、美國(guó)加州大氣資源委員會(huì)、德爾福、偉士通、摩托羅拉、西門子等公司和機(jī)構(gòu)。
SFPhybrid自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)為先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，用于試驗(yàn)場(chǎng)或試車跑道上的車輛動(dòng)態(tài)性能和功能安全試驗(yàn)。該自動(dòng)駕駛儀通過(guò)操縱方向盤、油門踏板和制動(dòng)踏板來(lái)自動(dòng)駕駛車輛。模塊化的執(zhí)行器設(shè)計(jì)和柔性的應(yīng)用軟件允許橫向/縱向/閉環(huán)或開環(huán)操作模式結(jié)合的試驗(yàn)執(zhí)行，從而以機(jī)器人級(jí)別的精度和重復(fù)性來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)和自定義的測(cè)試流程。全部的組成部分都是快速安裝設(shè)計(jì)，可在15分鐘安裝在車上且無(wú)需對(duì)車輛進(jìn)行改變。高柔性和便捷性的用戶界面以及高性能的機(jī)器人控制軟件使得系統(tǒng)的設(shè)置和操作簡(jiǎn)單。
該系統(tǒng)具備不同的接口與其它需要的系統(tǒng)/部分進(jìn)行連接，例如：DGPS/IMU 傳感器系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。
典型應(yīng)用
法規(guī)規(guī)定的方向盤操縱的預(yù)處理試驗(yàn)（輪胎熱身等）
法規(guī)規(guī)定的制動(dòng)操縱的預(yù)處理試驗(yàn)（輪胎&制動(dòng)熱身等）
NHTSA “J-Turn”測(cè)試
NHTSA “魚鉤”測(cè)試
FMSS126 / ECEr13h/NCAP “正弦停滯”測(cè)試
階躍響應(yīng)試驗(yàn)
頻率響應(yīng)試驗(yàn)
NCAP AEB 測(cè)試
NCAP ACC 測(cè)試
車道變換操作
FCA / FCW 測(cè)試
制動(dòng)測(cè)試
常規(guī)跑道測(cè)試（軌道控制）
耐久測(cè)試
燃油消耗測(cè)試
性能測(cè)試
聲學(xué)測(cè)試
圖3 日本Horiba 公司自動(dòng)駕駛儀 ADS-7000
ADS-7000是一種無(wú)需駕駛員而可在底盤測(cè)功機(jī)上完成行駛試驗(yàn)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。它在低壓、低溫、高溫等特殊環(huán)境以及高速行駛、長(zhǎng)時(shí)間耐久行駛等惡劣條件下，可代替駕駛員進(jìn)行行駛試驗(yàn)。同時(shí)，通過(guò)高精度的模式追蹤性，駕駛重復(fù)性和數(shù)據(jù)的高精度化，可實(shí)現(xiàn)汽車排放試驗(yàn)的自動(dòng)化。ADS-7000不僅可以適用于CVT、LEV、配有直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛，而且還可適用于SULEV等極其復(fù)雜的新車輛。
特征
通過(guò)采用新的學(xué)習(xí)方式，不僅可以適用于無(wú)級(jí)變速機(jī)型的CVT以及兼?zhèn)涔?jié)能和高輸出性的LEV和直噴發(fā)動(dòng)機(jī)等最新車輛，而且還可以適用于復(fù)合動(dòng)力車輛、電動(dòng)汽車等下一代車輛。(一部分是可選項(xiàng))ADS-7000采用了一目了然的彩色CRT畫面，大幅提高了操作性?？梢赃M(jìn)行數(shù)據(jù)以及模式的登錄等、可保存大量的信息，實(shí)現(xiàn)了重要信息的快速存取。
由于以本公司汽車排放試驗(yàn)主控系統(tǒng)(VETS系列)為主機(jī)，因而可通過(guò)線路通信對(duì)ADS-7000進(jìn)行控制，也可對(duì)包括底盤測(cè)功機(jī)、檢測(cè)設(shè)備在內(nèi)的整個(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行統(tǒng)一管理。
采用了與本公司汽車排放試驗(yàn)主控系統(tǒng)VETS-7000NT/VETS-9000PC以及司機(jī)助CRSD-7000相同的編輯程序。可以將通過(guò)VETS/CRSD制作的速度圖、換檔圖等下載到自動(dòng)駕駛儀中進(jìn)行使用。
(只限于本公司汽車排放試驗(yàn)主控系統(tǒng)與自動(dòng)裝置的主機(jī)通信相對(duì)應(yīng)時(shí)才可以使用。此外，在排放試驗(yàn)系統(tǒng)中該功能是輔助功能，為可選項(xiàng)。)
把自動(dòng)駕駛儀的梯度指令輸入到測(cè)功機(jī)中，根據(jù)該信號(hào)進(jìn)行汽車減速，也可以通過(guò)制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器進(jìn)行減速。通過(guò)這樣的一臺(tái)機(jī)器人裝置，可以同時(shí)進(jìn)行排放試驗(yàn)和尾氣耐久試驗(yàn)。
底盤實(shí)驗(yàn)室可24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行，可提高工作效率，縮短開發(fā)周期和減少投資。
國(guó)內(nèi)自動(dòng)駕駛機(jī)器人技術(shù)開始于20世紀(jì)90年代中期，主要集中在汽車公司、高校和科研機(jī)構(gòu)中。2004年?yáng)|南大學(xué)與南京汽車研究所成功研發(fā)出國(guó)內(nèi)第一款具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的DNC-1，隨后研制了DNC-2型駕駛機(jī)器人，如圖4所示。國(guó)內(nèi)其他高校如清華大學(xué)、吉林大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等也在相關(guān)方面取得一定成果，但主要側(cè)重于智能車輛的研究，真正用于汽車道路試驗(yàn)的機(jī)器人并不多。
圖4 東南大學(xué)DNC-2駕駛機(jī)器人
針對(duì)當(dāng)前自動(dòng)駕駛機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀，國(guó)外存在很大技術(shù)壟斷，且價(jià)格較為昂貴。而國(guó)內(nèi)在自動(dòng)駕駛機(jī)器人方面的研發(fā)并不多，大多集中在開發(fā)無(wú)人駕駛操作系統(tǒng)。
2. 自動(dòng)駕駛機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)
自動(dòng)駕駛機(jī)器人實(shí)現(xiàn)功能和應(yīng)用范圍主要取決于關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在環(huán)境感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu) 3 方面，下面分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。
1）環(huán)境感知系統(tǒng)
環(huán)境感知系統(tǒng)是為獲得道路、車輛位置和障礙物的詳細(xì)信息，是自動(dòng)駕駛機(jī)器人正常行駛和準(zhǔn)確控制的基礎(chǔ)，主要包括 GPS 定位和視覺感知。
在車輛定位中，為提高定位精度常采用差分 GPS 定位技術(shù)。視覺感知主要是進(jìn)行車道線、道路標(biāo)識(shí)、信號(hào)燈、行人和障礙物的信息識(shí)別，環(huán)境感知的精確性和信息處理的實(shí)時(shí)性是視覺技術(shù)的關(guān)鍵，可以選擇單目視覺或者多目視覺進(jìn)行信息獲取和處理。
為保證環(huán)境感知系統(tǒng)能夠提供可靠和精確的環(huán)境信息，可以在視覺圖像處理的基礎(chǔ)上借助雷達(dá)、GPS 及其他傳感器進(jìn)行多源信息融合。
2）控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是自動(dòng)駕駛機(jī)器人的核心，它在人為控制指令下根據(jù)車輛狀態(tài)和環(huán)境感知信息，通過(guò)決策將控制指令發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)車輛的速度控制和方向控制，主要包括驅(qū)動(dòng)方式和控制策略兩方面。
驅(qū)動(dòng)方式有氣動(dòng)、液動(dòng)和伺服驅(qū)動(dòng)等方式，可根據(jù)各驅(qū)動(dòng)方式特點(diǎn)和適用場(chǎng)景選擇合適的驅(qū)動(dòng)方式，并體現(xiàn)在控制策略當(dāng)中?？刂撇呗允窃诳紤]車輛行駛安全的前提下對(duì)車輛速度和方向進(jìn)行控制，如車道保持、巡航、換道、超車、避撞等功能的實(shí)現(xiàn)。
在道路試驗(yàn)中主要考慮車輛的方向控制，這是一個(gè)典型的預(yù)瞄控制行為，需要通過(guò)駕駛機(jī)器人找到當(dāng)前道路環(huán)境下的預(yù)瞄點(diǎn)，再根據(jù)預(yù)瞄點(diǎn)對(duì)車輛進(jìn)行控制。常用的有經(jīng)典的智能 PID 算法，如模糊 PID 算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 算法等。
3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)
執(zhí)行機(jī)構(gòu)是自動(dòng)駕駛機(jī)器人實(shí)現(xiàn)所有預(yù)期功能的基礎(chǔ)，它通過(guò)操縱車輛離合器踏板、制動(dòng)踏板、油門踏板、方向盤，甚至換擋桿和點(diǎn)火機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)速度控制、方向控制和安全控制。
在自動(dòng)駕駛機(jī)器人進(jìn)行各項(xiàng)功能操作時(shí)，需要像經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛員一樣保證機(jī)械腿和機(jī)械腿的協(xié)調(diào)性。例如在汽車制動(dòng)時(shí)，駕駛機(jī)器人需要保證離合踏板機(jī)械腿、油門踏板機(jī)械腿、制動(dòng)踏板機(jī)械腿和方向盤機(jī)械手之間合理的時(shí)序關(guān)系，符合正確的駕駛行為。
3. 自動(dòng)駕駛機(jī)器人應(yīng)用
自動(dòng)駕駛機(jī)器人可以代替司機(jī)進(jìn)行重復(fù)性、危險(xiǎn)性和高精度的道路試驗(yàn)，主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：
單一駕駛環(huán)境下，代替駕駛員執(zhí)行易疲勞、重復(fù)性的駕駛操作，如汽車耐久性試驗(yàn)和道路性能測(cè)試試驗(yàn)。
應(yīng)用于控制精度高的測(cè)試試驗(yàn)和駕駛要求，如通過(guò)自動(dòng)駕駛機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)勻速駕駛、S 型駕駛、按里程駕駛等。
進(jìn)行危險(xiǎn)性試驗(yàn)，如 ABS、ESP 試驗(yàn)，防側(cè)翻試驗(yàn)，避免了駕駛員執(zhí)行操作時(shí)存在的安全隱患。
自動(dòng)駕駛機(jī)器人還可以通過(guò)其他輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛，如環(huán)境感知系統(tǒng)、人工智能控制系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛機(jī)器人駕駛車輛的高度自動(dòng)化，通過(guò)控制車輛速度和方向?qū)崿F(xiàn)自主駕駛車輛在特定環(huán)境或路徑下載客、運(yùn)輸、探測(cè)等功能和任務(wù)，如城市快速公交、景區(qū)機(jī)器人出租車、礦區(qū)自動(dòng)駕駛機(jī)器人運(yùn)輸車等。
北京航空航天大學(xué)車路協(xié)同與安全控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)了兩代駕駛機(jī)器人 Robot Driver I 和 Robot Driver II。Robot Driver II 在 Robot Driver I 的研究基礎(chǔ)上對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了性能提升，可滿足不同路面加載試驗(yàn)對(duì)自動(dòng)駕駛車輛功能的要求，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度持續(xù)工作，具有試驗(yàn)效率高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。
Robot Driver 型自動(dòng)駕駛機(jī)器人采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)和環(huán)境感知系統(tǒng)三部分組成。其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖如圖 8 所示，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的是獨(dú)立于汽車之外的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆裝方便，可適用于不同類型的車輛，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性。環(huán)境感知系統(tǒng)采用攝像頭、GPS、雷達(dá)、信息采集板等設(shè)備進(jìn)行單目視覺和多源信息融合技術(shù)的研發(fā)，在大大降低成本的同時(shí)保證了各項(xiàng)功能的順利實(shí)現(xiàn)。
自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在正式使用前需要進(jìn)行反復(fù)的軟硬件調(diào)試和功能測(cè)試，圖 10 為 Robot Driver 型自動(dòng)駕駛機(jī)器人安裝和測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。Robot Driver 型自動(dòng)駕駛機(jī)器人實(shí)車測(cè)試試驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)車道保持、跟車、超車換道、緊急避撞、車路協(xié)同等功能，在駕駛環(huán)境較為復(fù)雜且較為惡劣的情況下，可以通過(guò)遠(yuǎn)程遙控操作系統(tǒng)自動(dòng)駕駛機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和駕駛操作，實(shí)現(xiàn)功能如圖 11 所示。
Robot Driver 型自動(dòng)駕駛機(jī)器人不僅可以滿足汽車廠商對(duì)車輛的各項(xiàng)性能測(cè)試，而且與無(wú)人駕駛系統(tǒng)相比，幾乎可以適用于所有車型（小車、客車、貨車）等，拆裝方便，可調(diào)性高，適用范圍廣泛，可以成為汽車廠商的測(cè)試標(biāo)配。
4. 總結(jié)
本文介紹了自動(dòng)駕駛機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，分析其關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用。
根據(jù)自動(dòng)駕駛機(jī)器人具有操縱準(zhǔn)確、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，可以代替駕駛員完成車輛道路危險(xiǎn)性試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)。
自動(dòng)駕駛機(jī)器人外加環(huán)境感知單元可在現(xiàn)有車輛上實(shí)現(xiàn)車自動(dòng)駕駛功能，隨著環(huán)境感知技術(shù)和控制技術(shù)不斷完善，駕駛機(jī)器人將會(huì)在汽車測(cè)試與試驗(yàn)行業(yè)及自動(dòng)駕駛行業(yè)有很好的市場(chǎng)前景，對(duì)推動(dòng)車輛技術(shù)的發(fā)展特別是自動(dòng)駕駛應(yīng)用具有重要意義。
