自动驾驶——未来更安全、更高效的汽车技术解决方案

序

前言

**部分综述

第1章自动驾驶简介3

1.1简介3

1.2自动驾驶级别3

1.3自动驾驶的构建模块:关键技术5

1.4实现自动驾驶:研究的挑战7

1.4.1论证安全性、可靠性和鲁棒性9

1.4.2安全与隐私论述10

1.4.3功耗计算可靠度10

1.4.4人为因素(SAE等级L3/4)10

1.4.5环境建模与感知11

1.4.6车辆控制与驱动11

1.4.7数字基础设施12

1.5结论12

参考文献13

第2章自动驾驶汽车的隐私和安全14

2.1专业术语的介绍和定义14

2.2自动驾驶原则15

2.2.1技术原则15

2.2.2数据原则16

2.3当前的现状16

2.4未来对自动驾驶的期望17

2.5建立社会信任18

2.6对行业的影响19

2.7下一步20

2.8结论21

第3章从技术标准的角度进行自动驾驶22

3.1介绍22

3.2标准制定组织22

3.3不同标准的自动化水平23

3.4车辆系统和环境标准化24

3.4.1车辆相关标准24

3.4.2通信相关标准25

3.5自动化和未来标准化的路线图29

参考文献29第二部分自动驾驶控制的重要性

第4章高速公路自动驾驶控制方案综述33

4.1引言33

4.1.1问题陈述34

4.1.2轨迹生成35

4.1.3控制概念37

4.1.4划分问题40

4.2模糊控制41

4.3线性状态反馈控制42

4.4滑模控制42

4.5模型预测控制43

4.6其他概念44

4.7无人车辆的控制方案46

4.8控制方法的比较47

4.9展望49

参考文献50

目录●●●●自动驾驶——未来更安全、更高效的汽车技术解决方案第5章自动驾驶的路径跟踪:关于

控制系统规划和正在进行的研究的指导55

5.1引言62

5.2基于几何和运动学关系的方法63

5.2.1纯跟随方法63

5.2.2斯坦利方法63

5.2.3基于车辆运动学的链式控制器64

5.3基于常规反馈控制器和简化车辆动力学模型的方法66

5.3.1简单反馈公式66

5.3.2线性二次型调节器74

5.4用于路径跟踪和注释的其他控制结构79

5.4.1滑模控制器79

5.4.2其他控制结构83

5.4.3综述84

5.5路径跟踪控制的*新进展85

5.5.1用于极限转弯的高级前馈和反馈控制器85

5.5.2模型预测控制91

5.6结论104

参考文献106

第6章车辆自主驾驶控制中车辆参考车道的计算110

6.1引言110

6.2车辆车道保持边界和要求111

6.3车辆驾驶状况分析113

6.4基于模型的参考车道计算方法115

6.5功能体系结构概述119

6.6驾驶情况和模块性能示例121

6.7结论122

参考文献123第三部分环境感知、传感器融合和感知的进展

第7章多传感器环境感知在自动驾驶中的作用127

7.1简介127

7.2实践状况129

7.2.1动态环境129

7.2.2占用网格映射的静态环境134

7.3数据融合的挑战134

7.3.1传感器表征134

7.3.2扩展对象136

7.3.3跟踪初始化137

7.3.4异步传感器和无序处理137

7.4实现工作流程和感知范例138

7.4.1感知软件的设计范例138

7.4.2用于测试和验证的软件环境140

7.5结论141

参考文献142

第8章基于伽利略的高级驾驶辅助

系统：关键部件和开发143

8.1简介143

8.2测试环境：Aldenhoven测试中心和automotiveGATE143

8.3基于伽利略的传感器融合144

8.3.1GNSS特性145

8.3.2传感器融合145

8.3.3卡尔曼滤波器及扩展卡尔曼滤波器146

8.3.4示例：简单的2D案例147

8.3.5示例：3D案例149

8.4应用实例150

8.4.1应用1：协同自适应巡航控制150

8.4.2两辆车之间距离的确定150

8.4.3距离控制器的设计152

8.4.4实验结果152

8.4.5应用2：碰撞避免系统153

8.5结论155

致谢155

参考文献156

第9章驾驶辅助系统和自动驾驶的数字地图157

9.1简介157

9.2基于本体的情境理解159

9.2.1本体159

9.2.2情境理解160

9.2.3基于本体的情境理解框架163

9.2.4实施和实验评估169

9.2.5讨论175

9.3地图错误检测176

9.3.1定义176

9.3.2问题177

9.3.3趋势测试180

9.3.4讨论187

9.4结论188

参考文献189

第10章车载雷达191

10.1简介191

10.2前向雷达（FLR）193

10.3盲点探测雷达195

10.4早期系统和实验结果198

10.5发展趋势201

10.6未来方向202

参考文献204第四部分 车载架构和可靠的电力计算

第11章自动驾驶的系统架构和安全要求207

11.1面向自动驾驶207

11.1.1交通堵塞辅助208

11.1.2高速公路辅助208

11.2系统结构208

11.2.1环绕传感器209

11.2.2感知210

11.2.3定位211

11.2.4决策211

11.3功能安全的概念212

11.4技术安全的概念215

11.5自动驾驶功能对车载网络的要求215

11.5.1电源要求215

11.5.2通信网络的要求216

11.6要求的意义216

11.7安全架构解决方案218

11.8结论219

参考文献220

第12章先进自动驾驶系统设计222

12.1目的222

12.2*先进的技术222

12.2.1当前嵌入式系统设计概述222

12.2.2自动驾驶的硬件/软件协同设计面临的挑战：案例研究225

12.2.3有效实现自动驾驶的障碍227

12.3有效的未来自动驾驶的概念229

12.3.1弥合异质性的性能差距229

12.3.2缩小利用差距230

12.3.3使用虚拟原型弥合开发差距233

12.3.4弥合未来平台的可扩展性差距234

12.4基于现代平台的汽车系统设计236

12.4.1工具框架236

12.4.2评估238

12.5结论240

致谢240

参考文献240

第13章智能自动系统的系统工程及系统244

13.1本章重点关注的领域245

13.2研究方法24613.3基本术语和概念247

13.4机器意识的语境248

13.5自动驾驶系统251

13.5.1主要系统组件251

13.5.2参考系统253

13.6系统工程257

13.7技术实施261

13.8讨论264

13.8.1整体观点264

13.8.2自动系统的影响267

13.8.3结束语和展望269

参考文献270

第14章开放可靠的动力计算

平台，实现自动驾驶274

14.1简介274

14.2开放可靠的电力计算平台的要求276

14.3为何应用合格的开源278

14.4平台系统的注意事项280

14.5迈向开放可靠计算平台的步骤281

14.6开源软件开发过程282

14.7总结283

参考文献284第五部分自动驾驶中的主动安全和功能安全

第15章主动安全迈向高度自动驾驶287

15.1引言287

15.1.1自动驾驶的动机287

15.1.2自动驾驶功能的发展288

15.1.3高度自动驾驶简介：高速公路288

15.1.4直接安全效益289

15.1.5间接安全效益290

15.2主动安全系统的发展前景291

15.2.1所需技术：高度自动驾驶291

15.2.2高度自动驾驶和辅助驾驶的区别292

15.2.3主动安全系统的优势293

15.2.4主动安全系统的开发过程293

15.2.5未来需求和展望294

15.3对主动安全系统和HAD系统有效性的前瞻性评估295

15.3.1挑战295

15.3.2模型设计的可变性296

15.3.3效果评价296

15.4结论297

参考文献297

第16章自动驾驶系统的功能安全：ISO 26262会面临挑战吗？299

16.1引言299

16.1.1从驾驶员辅助到高度自动化驾驶系统300

16.1.2根据ISO 26262的功能安全302

16.2ADS的大挑战303

16.2.1增加ADS的复杂性304

16.2.2关于ADS可用性和可靠性的严格要求305

16.3有关ADS功能安全的挑战306

16.3.1用于基本驾驶功能的车辆平台306

16.3.2从ADAS到ADS功能307

16.3.3传感器和执行器的共享307

16.3.4从单核ECU到多核ECU307

16.4概念阶段的重要性308

16.4.1项目定义308

16.4.2危害分析与风险评估308

16.4.3ASIL测定及安全目标309

16.4.4功能安全概念310

16.5处理ADS复杂性的支持方法312

16.5.1基于模型的系统工程313

16.5.2基于合同设计的形式化验证314

16.5.3仿真与协同仿真315

16.6安全相关主题316

16.6.1安全功能对安全性的影响316

16.6.2ADS的责任317

16.6.3ADS的功能验证318

16.7结论318

致谢319

参考文献319第六部分自动驾驶功能的验证与测试

第17章道路测试在自动驾驶汽车安全验证中的新作用323

17.1介绍323

17.2安全性验证的目标323

17.3基于道路试验的自动驾驶汽车安全验证面临的挑战324

17.4安全验证新方法面临的挑战326

17.4.1安全验证的新方法326

17.4.2通过道路试验验证替代方法327

17.5关于首次引入自动驾驶汽车的遗憾328

17.6统计推动自动系统引入的论证328

17.6.1自动系统的普遍理论329

17.6.2示例：在德国高速公路上引入高度自动驾驶332

17.7结论333

致谢334

参考文献334

第18章高度自动化安全和安全系统的验证335

18.1简介335

18.2自动化车辆的复杂性336

18.3确认挑战338

18.4验证概念340

18.5虚拟验证环境343

18.6结论346

参考文献346

第19章测试和验证自动驾驶的战术车道变化行为规划347

19.1介绍347

19.1.1动机347

19.1.2大纲348

19.2术语——情境和场景348

19.3背景350

19.4将单元测试基于情境的开环测试和基于场景的闭环测试集成到V模型中351

19.4.1单元测试352

19.4.2基于情境的开环测试353

19.4.3基于场景的闭环测试354

19.4.4真实世界驾驶考试355

19.5案例研究：测试和验证战术车道变更行为规划356

19.5.1测试项目：车道变更的行为计划356

19.5.2基于情境的开环测试357

19.5.3基于场景的闭环测试358

19.6结论362

参考文献362

第20章辅助驾驶和自动驾驶的安全性能评价：知识综合模拟364

20.1引言364

20.1.1辅助驾驶和自动驾驶364

20.1.2开发中的关键过程：ADAS和ADF的评价和优化365

20.2总体安全评价366

20.2.1安全性与经济性366

20.2.2车辆和交通安全性目标的冲突366

20.3基于虚拟实验的ADAS设计与优化368

20.3.1虚拟实验设计范例368

20.3.2模拟中与安全相关过程的表示368

20.3.3知识合成与其他测试领域的整合369

20.3.4评价行人保护的过程描述371

20.3.5ADAS有效性的仿真372

20.3.6对ADAS有效性的解释373

20.4自动驾驶功能虚拟评价的新挑战374

20.4.1自动驾驶功能对交通安全性相关过程的影响374

20.4.2对现有风险场景中安全性的影响374

20.4.3扩大与安全性相关的场景的范围375

20.4.4自动化验证和评价的理念和程序方法376

20.5结论和展望378

参考文献379

第21章从可控性到安全性：驾驶员辅助系统的安全性评估382

21.1简介382

21.2驾驶员辅助系统的可控性382

21.3安全使用：驾驶员、车辆和环境的整体考虑384

21.3.1安全使用的系统分析385

21.3.2安全使用参考值388

21.4创建安全使用分析的信息来源390

21.4.1数据收集：文献综述391

21.4.2数据收集：问卷调查392

21.4.3数据采集：驾驶模拟器或实车的研究393

21.4.4数据采集：交通的观测394

21.4.5现场操作试验396

21.5结论399

参考文献399第22章测试自动化和高度可配置系统：挑战与可行的解决方案401

22.1引言401

22.2相关研究403

22.3问题定义404

22.4自适应系统的组合测试406

22.4.1组合测试406

22.4.2测试数据反馈408

22.4.3自动测试法409

22.5结论410

参考文献411第七部分自动驾驶研究项目与倡议节录

第23章AdaptIVe：智能汽车的自动驾驶技术及其应用415

23.1项目概述415

23.2AdaptIVe的技术领域415

23.2.1法律层面416

23.2.2人机交互416

23.2.3近距离状况416

23.2.4城市内状况417

23.2.5高速公路状况417

23.2.6评估417

23.3前景418

第24章道路交通系统更大规模引入自动驾驶车辆进行时：Drive Me项目419

24.1简介419

24.2问题定义419

24.3测试样本：自动驾驶车辆420

24.4安全421

24.5交通流动性421

24.6能量效率422

24.7结论422

参考文献423

第25章自动化的功能安全性和可进化结构424

25.1简介424

25.2为什么自动驾驶车辆表现出功能安全性更为困难425

25.2.1条款确定426

25.2.2驾驶员的作用426

25.3如何进行危险分析和风险测评427

25.3.1基本特征描述427

25.3.2情景分析与危险判定429

25.3.3找出我们需要的危险状况430

25.3.4功能改良430

25.3.5条款项确定431

25.3.6安全目标、功能安全概念以及技术安全概念431

25.3.7安全案例及评估结果431

25.4如何改良安全要求432

25.5什么样的功能结构适用于自动驾驶433

25.6结论434

参考文献434

第26章合作式自动驾驶的挑战:AutoNet2030方法435

26.1介绍435

26.2用例436

26.3人机界面436

26.4合作控制437

26.4.1基于分布式的车队控制437

26.4.2合作式交叉口管理438

26.5协同传感感知层438

26.5.1可配置感知层438

26.5.2用于自动驾驶的V2X通信439

26.5.3道路数据融合模块440

26.6结论与展望440

参考文献441

第27章自动重型车辆的结构和安全性:ARCHER442

27.1项目总结442

27.2背景442

27.3工艺水平443

27.4项目内容446

27.5项目目标447

参考文献448

第28章价格合理、安全可靠的移动进化450

28.1移动系统进化450

28.2目标451

28.3预期成果452

参考文献454第29章UFO:Ultraflat Overrunable机器人，用于ADAS的实验测试455

29.1介绍455

29.2UFO平台结构455

29.3通信基础设施457

29.4测试场景的定义458

29.5总结459

参考文献459

第30章智能交通系统:让智能

交通成为现实的试验460

30.1ITS走廊:奥地利、德国和

荷兰460

30.2赫尔蒙德市461

第31章自动驾驶研究项目和举措

的采样464

31.1简介464

31.2ARTEMIS行业协会的使命464

31.3ARTEMIS行业协会的结构465

31.4自动驾驶和ARTEMIS行业

协会465

参考文献468

第32章欧洲道路交通研究咨询委

员会469

32.1简介469

32.2欧洲道路交通研究咨询委员会的

使命470

32.3欧洲道路交通研究咨询委员会的

结构470

32.4ERTRAC自动驾驶路线图471

参考文献471

第33章SafeTRANS：交通运输

系统的安全性472

33.1简介472

33.2研发战略和路线473

33.3高度自动化系统工作组：安全、

测试和开发过程473

33.4可持续性和标准化474

33.5结论475

参考文献475

第34章A3PS：奥地利先进推进

系统协会47634.1A3PS的目标和任务476