自动驾驶测试机器人报告：国内自动驾驶机器人研究现状

自动驾驶机器人可以代替驾驶员进行可靠性、危险性和高精度的车辆道路测试与试验。本文介绍自动驾驶机器人功能和结构，分析自动驾驶机器人的关键技术，开发自动驾驶机器人在车辆道路测试试验、整车性能测试、声学测试、风洞测试等方面的应用。 

随着汽车工业新技术的发展趋势，人们对汽车的安全性和可靠性提出了越来越高的要求，这就需要企业要对汽车做大量的稳定性、安全性和可靠耐久性的试验来不断提高水平。

随着汽车试验要求的不断提高，有些环境人类无法完成，或者对人类驾驶员来说有一定的危险性 。此时，汽车试验就可以通过自动驾驶机器人来完成的，相比试驾员相 比较，自动驾驶机器人具有高精准度的控制、重复性好、疲劳耐久性强等优点。特别是道路试验驾驶机器人，通过环境感知和识别系统大大提高了自动化程度，可代替驾驶员完成一些疲劳性和危险性驾驶试验，为驾驶员的安全和试验结果的可靠性提供保证。自动驾驶机器人是指具有自主驾驶车辆行为的机器装置，它可以按照人们给定的指令执行相关驾驶操作，如起步、加速、制动、换道等，也可以通过环境感知实现自主驾车行为，如车道线跟踪、换道、避撞、停车等。

1、国内外自动驾驶机器人研究现状

国外自动驾驶机器人技术自20世纪80年代就已经开始发展，一开始是为了代替一些人类无法完成的危险环境，发展到今天，已经有了很大的进度，技术越来越成熟， 使用范围也越来越广泛。

但自动驾驶机器人的关键技术处于保密阶段，核心技术也是掌握在发达国家一些斩首知名的测试仪器公司，如日本Horiba 公司，英国的 Froude Consine，英国Anthony Best Dynamics（ABD）公司，德国的 STAHLE、WITT 公司 ，美国的LBECO公司等。



图1为英国ABD公司自动驾驶机器人

英国ABDynamics汽车测试系统公司研发了一系列计算机控制的车内机器人测试产品，专门用于车辆动态，转向系统和制动系统的测试。除些之外，它们也可以用于其他的测试应用,如耐久性和滥用测试及高级驾驶辅助系统（ADAS）的开发。

英国ABDynamics汽车测试系统主要用来提高典型试验的精度和重复性，使一些人类司机很难实现或无法实现的测试可以很容易实现，降低试验的危险，节省试验的时间，还可以获得高质量的客观数据（控制器内置数采）。

产品有ABDynamics 转向机器人，ABDynamics制动机器人，ABDynamics油门机器人，ABDynamics换挡机器人，ABDynamics离合机器人，ABDynamics踏板机器人（制动、油门和离合）。

这一系列的机器人既可以独立使用，也可以相互结合进行更加复杂的试验，如转弯时制动，变道时制动或转向时加减油门等。我们的设计理念是把机器人安装在车辆内时不需要对车辆进行过多的改动，而且当设备安装好后允许司机像正常情况下一样仍然坐在车内正常驾驶车辆。所有的机器人都是电力驱动，电源来自车辆的电池。系统使用普通的基于Windows的用户界面软件,可以很容易的对机器人进行设置，软件通常安装在笔记本或平板电脑上。机器人的实时控制则由一个强大的伺服控制器进行，控制器通过USB接口和计算机软件连接。




图2 德国STAHLE公司SFPhybrid 自动驾驶仪系统(转向机器人) 

德国Stahle机器人系统有限公司（Stahle）是一家机器人系统、以及各类系统软件的承包供应商，德国Stahle公司获得了QS-9000认证，已经为全球主要的汽车制造商提供了1000多套试验室机器人系统，包括奔驰、大众奥迪、宝马、通用、福特、戴姆勒-克莱斯勒、大众、丰田、现代、启亚、通用大宇、三星、雷诺、雪铁龙、菲亚特、印度塔塔汽车、印度汽车研究所、美国国家环保局、美国加州大气资源委员会、德尔福、伟士通、摩托罗拉、西门子等公司和机构。

SFPhybrid自动驾驶仪系统为先进的计算机控制系统，用于试验场或试车跑道上的车辆动态性能和功能安全试验。该自动驾驶仪通过操纵方向盘、油门踏板和制动踏板来自动驾驶车辆。模块化的执行器设计和柔性的应用软件允许横向/纵向/闭环或开环操作模式结合的试验执行，从而以机器人级别的精度和重复性来实现标准和自定义的测试流程。全部的组成部分都是快速安装设计，可在15分钟安装在车上且无需对车辆进行改变。高柔性和便捷性的用户界面以及高性能的机器人控制软件使得系统的设置和操作简单。

该系统具备不同的接口与其它需要的系统/部分进行连接，例如：DGPS/IMU 传感器系统，数据采集系统等。

典型应用
- 法规规定的方向盘操纵的预处理试验（轮胎热身等）
- 法规规定的制动操纵的预处理试验（轮胎&制动热身等）
- NHTSA “J-Turn”测试
- NHTSA “鱼钩”测试
- FMSS126 / ECEr13h/NCAP “正弦停滞”测试
- 阶跃响应试验
- 频率响应试验
- NCAP AEB 测试
- NCAP ACC 测试
- 车道变换操作
- FCA / FCW 测试
- 制动测试
- 常规跑道测试（轨道控制）
- 耐久测试
- 燃油消耗测试
- 性能测试
- 声学测试


图3  日本Horiba 公司自动驾驶仪 ADS-7000

ADS-7000是一种无需驾驶员而可在底盘测功机上完成行驶试验的自动驾驶系统。它在低压、低温、高温等特殊环境以及高速行驶、长时间耐久行驶等恶劣条件下，可代替驾驶员进行行驶试验。同时，通过高精度的模式追踪性，驾驶重复性和数据的高精度化，可实现汽车排放试验的自动化。ADS-7000不仅可以适用于CVT、LEV、配有直喷发动机的车辆，而且还可适用于SULEV等极其复杂的新车辆。

特征

通过采用新的学习方式，不仅可以适用于无级变速机型的CVT以及兼备节能和高输出性的LEV和直喷发动机等最新车辆，而且还可以适用于复合动力车辆、电动汽车等下一代车辆。(一部分是可选项)ADS-7000采用了一目了然的彩色CRT画面，大幅提高了操作性。可以进行数据以及模式的登录等、可保存大量的信息，实现了重要信息的快速存取。

由于以本公司汽车排放试验主控系统(VETS系列)为主机，因而可通过线路通信对ADS-7000进行控制，也可对包括底盘测功机、检测设备在内的整个实验室进行统一管理。

采用了与本公司汽车排放试验主控系统VETS-7000NT/VETS-9000PC以及司机助CRSD-7000相同的编辑程序。可以将通过VETS/CRSD制作的速度图、换档图等下载到自动驾驶仪中进行使用。

(只限于本公司汽车排放试验主控系统与自动装置的主机通信相对应时才可以使用。此外，在排放试验系统中该功能是辅助功能，为可选项。)
把自动驾驶仪的梯度指令输入到测功机中，根据该信号进行汽车减速，也可以通过制动压力调节器进行减速。通过这样的一台机器人装置，可以同时进行排放试验和尾气耐久试验。

底盘实验室可24小时连续运行，可提高工作效率，缩短开发周期和减少投资。


国内自动驾驶机器人技术开始于20世纪90年代中期，主要集中在汽车公司、高校和科研机构中。2004年东南大学与南京汽车研究所成功研发出国内第一款具有自主知识产权的DNC-1，随后研制了DNC-2型驾驶机器人，如图4所示。国内其他高校如清华大学、吉林大学、国防科技大学等也在相关方面取得一定成果，但主要侧重于智能车辆的研究，真正用于汽车道路试验的机器人并不多。


图4 东南大学DNC-2驾驶机器人

针对当前自动驾驶机器人的发展现状，国外存在很大技术垄断，且价格较为昂贵。而国内在自动驾驶机器人方面的研发并不多，大多集中在开发无人驾驶操作系统。 

2. 自动驾驶机器人关键技术

自动驾驶机器人实现功能和应用范围主要取决于关键技术的研发，关键技术主要体现在环境感知系统、控制系统和执行机构 3 方面，下面分别进行详细介绍。

1）环境感知系统

环境感知系统是为获得道路、车辆位置和障碍物的详细信息，是自动驾驶机器人正常行驶和准确控制的基础，主要包括 GPS 定位和视觉感知。

在车辆定位中，为提高定位精度常采用差分 GPS 定位技术。视觉感知主要是进行车道线、道路标识、信号灯、行人和障碍物的信息识别，环境感知的精确性和信息处理的实时性是视觉技术的关键，可以选择单目视觉或者多目视觉进行信息获取和处理。

为保证环境感知系统能够提供可靠和精确的环境信息，可以在视觉图像处理的基础上借助雷达、GPS 及其他传感器进行多源信息融合。

2）控制系统

控制系统是自动驾驶机器人的核心，它在人为控制指令下根据车辆状态和环境感知信息，通过决策将控制指令发送给执行机构，实现车辆的速度控制和方向控制，主要包括驱动方式和控制策略两方面。

驱动方式有气动、液动和伺服驱动等方式，可根据各驱动方式特点和适用场景选择合适的驱动方式，并体现在控制策略当中。控制策略是在考虑车辆行驶安全的前提下对车辆速度和方向进行控制，如车道保持、巡航、换道、超车、避撞等功能的实现。

在道路试验中主要考虑车辆的方向控制，这是一个典型的预瞄控制行为，需要通过驾驶机器人找到当前道路环境下的预瞄点，再根据预瞄点对车辆进行控制。常用的有经典的智能 PID 算法，如模糊 PID 算法、神经网络 PID 算法等。

3）执行机构

执行机构是自动驾驶机器人实现所有预期功能的基础，它通过操纵车辆离合器踏板、制动踏板、油门踏板、方向盘，甚至换挡杆和点火机构，实现速度控制、方向控制和安全控制。

在自动驾驶机器人进行各项功能操作时，需要像经验丰富的驾驶员一样保证机械腿和机械腿的协调性。例如在汽车制动时，驾驶机器人需要保证离合踏板机械腿、油门踏板机械腿、制动踏板机械腿和方向盘机械手之间合理的时序关系，符合正确的驾驶行为。

3. 自动驾驶机器人应用

自动驾驶机器人可以代替司机进行重复性、危险性和高精度的道路试验，主要体现在以下3个方面：

单一驾驶环境下，代替驾驶员执行易疲劳、重复性的驾驶操作，如汽车耐久性试验和道路性能测试试验。
应用于控制精度高的测试试验和驾驶要求，如通过自动驾驶机器人可以实现匀速驾驶、S 型驾驶、按里程驾驶等。
进行危险性试验，如 ABS、ESP 试验，防侧翻试验，避免了驾驶员执行操作时存在的安全隐患。

自动驾驶机器人还可以通过其他辅助系统实现无人驾驶，如环境感知系统、人工智能控制系统等，实现自动驾驶机器人驾驶车辆的高度自动化，通过控制车辆速度和方向实现自主驾驶车辆在特定环境或路径下载客、运输、探测等功能和任务，如城市快速公交、景区机器人出租车、矿区自动驾驶机器人运输车等。

北京航空航天大学车路协同与安全控制北京市重点实验室自主开发了两代驾驶机器人 Robot Driver I 和 Robot Driver II。Robot Driver II 在 Robot Driver I 的研究基础上对执行机构和控制系统进行了性能提升，可满足不同路面加载试验对自动驾驶车辆功能的要求，实现高强度持续工作，具有试验效率高、重复性好等优点。

Robot Driver 型自动驾驶机器人采用交流伺服电机驱动方式，由执行机构、控制系统和环境感知系统三部分组成。其中执行机构的结构图如图 8 所示，该执行机构采用的是独立于汽车之外的结构，结构简单，拆装方便，可适用于不同类型的车辆，具有较强的适应性和灵活性。环境感知系统采用摄像头、GPS、雷达、信息采集板等设备进行单目视觉和多源信息融合技术的研发，在大大降低成本的同时保证了各项功能的顺利实现。



自动驾驶系统在正式使用前需要进行反复的软硬件调试和功能测试，图 10 为 Robot Driver 型自动驾驶机器人安装和测试现场。Robot Driver 型自动驾驶机器人实车测试试验可以实现车道保持、跟车、超车换道、紧急避撞、车路协同等功能，在驾驶环境较为复杂且较为恶劣的情况下，可以通过远程遥控操作系统自动驾驶机器人进行远程监控和驾驶操作，实现功能如图 11 所示。

Robot Driver 型自动驾驶机器人不仅可以满足汽车厂商对车辆的各项性能测试，而且与无人驾驶系统相比，几乎可以适用于所有车型（小车、客车、货车）等，拆装方便，可调性高，适用范围广泛，可以成为汽车厂商的测试标配。

4. 总结

本文介绍了自动驾驶机器人的国内外现状，分析其关键技术和应用。

根据自动驾驶机器人具有操纵准确、重复性好等优点，可以代替驾驶员完成车辆道路危险性试验和可靠性试验。

自动驾驶机器人外加环境感知单元可在现有车辆上实现车自动驾驶功能，随着环境感知技术和控制技术不断完善，驾驶机器人将会在汽车测试与试验行业及自动驾驶行业有很好的市场前景，对推动车辆技术的发展特别是自动驾驶应用具有重要意义。