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3 无人驾驶汽车的感知与执行机构
Angelos Amditis. Panagiotis Lytrivis. Evangelia Portouli
通信和计算机系统研究所(ICCS),圣山,雅典,希腊
雅典国家技术大学, 圣山,雅典,希腊
1 简介 . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2 感知系统 . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.1 一般车用传感器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.1.1 偏航率传感器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.1.2 加速度计 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.1.3 轮速传感器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 35
2.1.4 方向盘转角传感器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.1.5 其他传感器 . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2 环境感知类传感器 . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2.1 雷达传感器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2.2 激光扫描器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.3 视觉感知系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.4 超声波雷达传感器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3 虚拟传感器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.1 数字地图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.2 无线通讯 . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3 执行系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.1 根据能量来源的执行系统分类 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.1 机械执行系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.2 电子执行系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.3 气动和液压执行系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.1.4 压电执行机构 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.5 热双压电晶片执行器 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2 汽车车轮防抱死系统，电子稳定系统和自适应巡航系统 . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3 辅助转向与线控转向系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.4 线控制动系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.5 高智能化汽车 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5.1 无人驾驶汽车在过去的表现 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.5.2 正在开发中的先进智能化系统 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4 总结 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
摘要：如今，汽车配备了比以往更多的电控系统。今天，汽车上安装了数百种微型传感器，如温度，胎压，加速度和速度传感器。执行器也是先进控制系统的一部分，来优化制动和辅助转向，尽管市场上的智能辅助驾驶系统还不成熟。本章介绍了不同类型的传感器和执行器。本章的目的是对这些系统进行概述，但并不深入探讨这些系统背后的原理。传感器分为三种不同的类别：一般车载传感器，感知传感器和虚拟传感器。普通车载传感器已经在绝大部分汽车上得到了应用。但另一方面，除了超声波传感器之外，感知传感器的应用比例非常低，主要是因为它们的成本太高。最后，还有一些尽管不是真正的传感器，但却在辅助驾驶应用中发挥了重要作用的虚拟传感器，例如数字地图。执行器首先将根据其能量来源分为机械控制执行器，电控执行器，气压或液压控制执行器，压电执行器和热双压电晶片。接下来，介绍了一些先进的辅助驾驶系统的设计，如汽车车轮防抱死系统（ABS），电子稳定控制系统（ESC），自动巡航系统（ACC），辅助转向。更先进的还有线控转向和线控制动技术，尽管它们和某些产品一样还没有作为产品进入市场。最后，本书介绍了一辆完全自动化的汽车的构思以及与之相伴随的问题，并着重介绍了一些朝向这个方向所做的模型和研究工作。
- 简介
汽车电子控制系统现在开始以几年前似乎不可能的方式彻底改变汽车。基于电子控制方式的发动机控制系统和ABS系统现在已成为大多数汽车的标配。
现如今的汽车可以感知环境并在紧急情况下采取行动。环境感知系统比执行系统在汽车上更为常见。 其原因在于传感技术在制造汽车上的应用已经有数十年，而作为智能辅助驾驶系统的一部分的执行机构的只是最近才引入。此外，还有一些其他问题限制了智能辅助驾驶系统的广泛应用，也限制了执行器的应用。 例如，如果发生事故，是智能辅助驾驶系统还是司机应该承担责任呢？
一般来说，电子系统（如传感器和执行器）成功把握大部分市场的基本要求是小型化，成本低廉，功能增强以及组件质量可靠。
智能车辆控制系统的输入层是传感信息层，其中包括各种各样的传感器，例如GPS，雷达和激光雷达，而输出包括执行层。 因此，传感层和执行层是智能车辆控制系统所必要的开发环路，如图3.1所示
ITS感知系统及其应用程序
执行器
传感器
图3.1智能交通系统的基本原理
- 感知
环境感知是未来智能交通系统的关键要素技术之一。 汽车行业使用的传感器种类繁多：从在车辆已广泛应用的车载传感器，到雷达和激光雷达等感知传感器以及“虚拟”传感器。 用“虚拟”这个词，我们指的是那些在汽车行业广泛使用的信息资源，但它们却不是来自于真正意义上的传感器通过感知功能获取的。
2.1一般车载传感器
该类别主要包括在车辆制造阶段安装的一般传感器。有数百种属于这一类别的传感器，但这里的重点将放在那些应用于高级驾驶辅助系统ADAS的传感器上。在传感器的选择方面主要依靠的是作者的经验。
2.1.1横摆角速度传感器
横摆角速度传感器测量物体沿选定轴线的旋转。 “陀螺仪”和“角速度传感器”在一些情况下具有相同的作用。 在汽车领域，横摆角速度传感器用于测量车辆绕其垂直于地面的轴线的角速度。测量偏航率的单位通常是每秒度数（/ s）或弧度每秒（rad / s）。
车辆中使用的横摆角速度传感器需要特别注意。 必须正确检测mg范围内的科里奥利加速度，同时在几g范围内的加速度不得干扰传感器功能。
汽车行业利用这种传感器的应用主要有以下几点：
●电子稳定程序（ESP）或车辆动力学控制（VDC）
●导航（结合GPS和加速计信息）
●侧倾保护
●弯道速度警告（结合数字地图）
2.1.2加速度计
加速度计是一种可以测量合理范围内的加速度的设备，它是相对于自由落体而言的加速度。市场上有单轴和多轴加速计型号。在这一点上，应该强调的是，在某些情况下，偏航率和加速度传感器一起放置在同一个集成电路中。
基于加速度计的应用程序数量非常庞大，从医疗和生物到游戏和导航。 在汽车领域，加速度传感器主要用于导航目的。 惯性导航系统（INS）是一种导航辅助设备，它使用计算机和运动传感器（如加速度计和横摆率传感器），通过对航迹的位置，方位和速度进行航位推算，而不需要外部引入资料，如数字地图等。
2.1.3轮速传感器
轮速传感器是一种转速计。它不直接监测车辆速度，但它可以感知轮胎周边的转动。它实际上读取的是车轮旋转的速度。有两种主要
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