雖然無人駕駛被廣泛為時(shí)汽車智能的終極目標(biāo)，然而，受限于汽車技術(shù)各個(gè)階段的發(fā)展規(guī)律、法律與法規(guī)、事故責(zé)任劃分等約束，駕駛?cè)俗鳛轳{駛過程的參與者，甚至駕駛主體在很長一段時(shí)間內(nèi)仍將是事實(shí)。深入理解駕駛?cè)笋{駛行為和機(jī)器智能控制系統(tǒng)之間的交互機(jī)制和沖突機(jī)理，進(jìn)而建立人機(jī)協(xié)同共駕系統(tǒng)，也是智能汽車技術(shù)發(fā)展過程中亟待解決的關(guān)鍵問題。

其中的人機(jī)共駕系統(tǒng)是指駕駛?cè)撕蜋C(jī)器均具有車輛控制權(quán)的智能汽車系統(tǒng)。人類智能和機(jī)器之間存在很強(qiáng)的互補(bǔ)性，與機(jī)器系統(tǒng)的精細(xì)化感知、規(guī)范化決策、精準(zhǔn)化控制相比，人的駕駛行為具有模型、退化、延遲、個(gè)性化等特點(diǎn)，且易受心理和生理狀態(tài)等因素的影響。而機(jī)器對比人而言，學(xué)習(xí)能力和自適應(yīng)能力相對較弱，環(huán)境理解的綜合處理能力不夠完善，對于未知復(fù)雜工況的決策能力較差。因此，人機(jī)共駕系統(tǒng)主要功能就是要整合駕駛?cè)撕蜋C(jī)器的優(yōu)勢，屏蔽兩者的劣勢，實(shí)現(xiàn)人機(jī)智能的混合增強(qiáng)，最終達(dá)到“1+1>2”的效果，從而提高汽車的安全性、舒適性等性能。

人機(jī)共駕系統(tǒng)的分類與原理

根據(jù)控制權(quán)分配方式的不同，人機(jī)共駕系統(tǒng)可以分為切換型和共享型人機(jī)共駕兩種模式，在切換型人機(jī)共駕系統(tǒng)中，駕駛權(quán)被分時(shí)賦予駕駛?cè)嘶驒C(jī)器，在共享型人機(jī)共駕系統(tǒng)中，駕駛權(quán)按照一定的權(quán)重被同時(shí)分配給駕駛?cè)撕蜋C(jī)器。

圖1 兩種人機(jī)共駕系統(tǒng)的控制模式

在切換型人機(jī)共駕系統(tǒng)中，駕駛權(quán)可以在駕駛?cè)撕蜋C(jī)器之間進(jìn)行靈活自由的轉(zhuǎn)移。系統(tǒng)中存在一種判斷機(jī)制，根據(jù)駕駛?cè)撕蜋C(jī)器的工作狀態(tài)、操縱模式等對兩者的控制輸入進(jìn)行評價(jià)，選擇其中更優(yōu)的一方接入車輛控制。對于切換型人機(jī)共駕系統(tǒng)，控制權(quán)切換過程是重點(diǎn)。以駕駛?cè)私庸軝C(jī)器為例，切換過程如下圖表示。

圖2 駕駛員接管切換過程示意圖

該模式的優(yōu)點(diǎn)包括：駕駛?cè)撕蜋C(jī)器之間不存在交互和耦合，車輛控制過程明確清晰；駕駛方式改變較小，駕駛?cè)诉m應(yīng)性好。而它的缺點(diǎn)主要是在駕駛權(quán)切換過程中，難以保證駕駛?cè)司哂辛己玫墓ぷ鳡顟B(tài)。在機(jī)器駕駛過程中，駕駛?cè)俗⒁饬赡芤呀?jīng)分散，當(dāng)控制1權(quán)被切換到駕駛?cè)耸悄?，需要駕駛?cè)藥追N注意力，重新形成對周圍駕駛環(huán)境的感知。這一過程存在較大的不確定性，制約了控制權(quán)的自由切換。因此，該模式的主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何評價(jià)駕駛?cè)撕蜋C(jī)器哪一方面的表現(xiàn)更優(yōu)，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)駕駛?cè)藸顟B(tài)等因素合理選擇駕駛權(quán)切換時(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)控制權(quán)平滑、無憂切換。

在共享型人機(jī)共駕系統(tǒng)中，駕駛?cè)撕蜋C(jī)器同時(shí)占有車輛的控制權(quán)，兩者通過操縱機(jī)構(gòu)進(jìn)行交互和耦合，任何一方均可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地控制車輛。雙方共同駕駛過程類似于一場博弈，各方會(huì)根據(jù)自身的目標(biāo)和對方的行為形成最優(yōu)的控制輸入，以期望在控制權(quán)共享的情況下最大化的實(shí)現(xiàn)自身目標(biāo)。

進(jìn)一步分析，按照駕駛?cè)撕蜋C(jī)器控制結(jié)合方式的不同，該模式可以分別為串聯(lián)式共享型人機(jī)共駕和并聯(lián)式共享型人機(jī)共駕。串聯(lián)式共享型人機(jī)共駕系統(tǒng)示意圖，機(jī)器不直接對操縱輸入端（踏板、轉(zhuǎn)向）進(jìn)行控制。僅對按照一定的比例進(jìn)行疊加或修正，達(dá)到駕駛?cè)撕蜋C(jī)器時(shí)間控制車輛的效果。

圖3 串聯(lián)式共享型人機(jī)共駕系統(tǒng)示意圖

并聯(lián)式共享型人機(jī)共駕系統(tǒng)示意圖如下，駕駛員和加的控制同時(shí)直接施加到操縱輸入端，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)控制權(quán)系數(shù)K實(shí)現(xiàn)人機(jī)耦合優(yōu)化。實(shí)際控制輸入可用以下公式表示：

U=UhK+Um(1-K)

K為控制權(quán)分配系數(shù)，Uh為駕駛?cè)溯斎?，Um為機(jī)器輸入，U為系統(tǒng)實(shí)際輸入。

圖4 并聯(lián)式共享型人機(jī)共駕系統(tǒng)示意圖

如上并聯(lián)式共享人機(jī)共駕系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)包括：駕駛?cè)耸冀K參與駕駛過程，可以保證駕駛?cè)藸顟B(tài)的一致性；操縱過程中存在人機(jī)交互、便于駕駛?cè)苏莆諜C(jī)器狀態(tài)，該模式的缺點(diǎn)主要在于駕駛?cè)撕蜋C(jī)器易于形成沖突，由于雙方可以同時(shí)對車輛進(jìn)行控制，當(dāng)兩者在對相同的環(huán)境判斷產(chǎn)生不同的駕駛意圖時(shí)，不同的控制目標(biāo)將作用于同一個(gè)車上，由此將產(chǎn)生較大的沖突。因此，在該模式下需要重點(diǎn)關(guān)注的問題為如何預(yù)防人機(jī)沖突的出現(xiàn)，并在沖突發(fā)生后及時(shí)消解。

人機(jī)共駕系統(tǒng)主要包括自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、駕駛?cè)藱z測模塊和人機(jī)交互模塊。機(jī)器通過分析如上駕駛?cè)讼嚓P(guān)數(shù)據(jù)，融合周圍環(huán)境和車輛狀態(tài)，確定合適的駕駛權(quán)切換或駕駛權(quán)分配權(quán)重。此外，人機(jī)交互系統(tǒng)模塊形成了駕駛?cè)撕蜋C(jī)器的溝通橋梁，使雙方能夠進(jìn)行有效的表達(dá)，提高人機(jī)共駕系統(tǒng)的交互性。

線控底盤技術(shù)在自動(dòng)駕駛中的應(yīng)用

當(dāng)前自動(dòng)駕駛系統(tǒng)對于其是安全運(yùn)行的需求越來越高，這就促使其在功能安全的性能指標(biāo)上需要提升較大的檔次。比如原來的ACC系統(tǒng)來說，作為一種輔助性駕駛系統(tǒng)，并不要求他具備較高的功能安全，一般情況僅僅達(dá)成ASIL A甚至QM就可以了。但是對于下一代產(chǎn)品中的自動(dòng)駕駛，由于其在駕駛過程中，通常是替代駕駛員執(zhí)行了大部分駕駛工作，并且在很多駕駛?cè)蝿?wù)中并不能期望駕駛員會(huì)為其在一般情況下的失效負(fù)責(zé)。因此，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的功能安全明顯比原來的駕駛輔助系統(tǒng)提升了更高的等級。這種等級甚至可以達(dá)到ASIL C甚至ASIL D。導(dǎo)致其對執(zhí)行器的要求越來越高，主要體現(xiàn)在越來越多的控制器會(huì)要求在發(fā)送響應(yīng)信號(hào)給執(zhí)行器的同時(shí)，執(zhí)行器會(huì)在最快的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)到其發(fā)送信號(hào)的終極狀態(tài)，并且不會(huì)出現(xiàn)超調(diào)或來回震蕩等，這就是我們所提到響應(yīng)精度。

當(dāng)前傳統(tǒng)的底盤控制系統(tǒng)（包含線控制動(dòng)和線控轉(zhuǎn)向）在應(yīng)對整個(gè)智能駕駛控制中存在相當(dāng)大的不足，這里我們列舉如下兩個(gè)典型的例子進(jìn)行說明。

實(shí)例1：響應(yīng)不精確/超調(diào)

自動(dòng)換道在避險(xiǎn)回退過程中，常常出現(xiàn)回退過度甚至偏出本車道導(dǎo)致不安全，繼而系統(tǒng)又通過較大的回調(diào)力矩將車輛拉回車道中央。在自動(dòng)駕駛對中或駕駛員控制換道過程中，駕駛員緩慢施加力矩進(jìn)行方向盤控制時(shí)，容易出現(xiàn)系統(tǒng)搶奪方向盤。

實(shí)例2：響應(yīng)延時(shí)

在自適應(yīng)巡航系統(tǒng)ACC中，在進(jìn)行速度差較大的情況下實(shí)現(xiàn)后車跟隨前車行駛過程中，當(dāng)不間斷的在加速跟車和減速跟車過程中，發(fā)送的加減速度也會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)系統(tǒng)在執(zhí)行過程中，出現(xiàn)不斷地在加減速之間進(jìn)行回調(diào)。這個(gè)過程會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)系統(tǒng)可能出現(xiàn)響應(yīng)精度不到位或響應(yīng)超調(diào)的狀態(tài)。

這些切實(shí)存在的問題，嚴(yán)重影響自動(dòng)駕駛控制精度，延長落地的時(shí)間。對于自動(dòng)駕駛而言，需要結(jié)合實(shí)際存在的問題給出相應(yīng)的解決方案，不斷協(xié)調(diào)執(zhí)行底盤和上層控制器之間的交互問題。

為了更好的實(shí)現(xiàn)執(zhí)行控制，最直觀的體現(xiàn)便是對傳統(tǒng)底盤系統(tǒng)進(jìn)行更新升級換代，增加用于控制車輛方向的線控底盤技術(shù)，而這種改進(jìn)的線控底盤技術(shù)，這無疑會(huì)大大促進(jìn)整個(gè)執(zhí)行控制的響應(yīng)能力。

對于自動(dòng)駕駛來說，線控底盤技術(shù)由于操縱機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)沒有機(jī)械聯(lián)結(jié)，也沒有機(jī)械能量的傳遞。并且，操縱指令由傳感元件感知，以電信號(hào)1形式由網(wǎng)絡(luò)傳遞給電子控制器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，其執(zhí)行過程和結(jié)果完全受電子控制器的監(jiān)測和控制。并可以在如下幾點(diǎn)上為自動(dòng)駕駛助力：

1）提供大量的、精確的底盤系統(tǒng)信號(hào)。由于底盤傳感器種類繁多，控制器在處理這些傳感器信號(hào)時(shí)往往需要采用不同的信號(hào)模式和處理方法，且需要更高的實(shí)時(shí)性要求、更好的校驗(yàn)和解算理論加以支撐。

2）直接給前饋預(yù)瞄控制提供精確且逼真的車輛動(dòng)力學(xué)模型。由于底盤車輛及輪胎動(dòng)力學(xué)呈現(xiàn)出復(fù)雜的非線性特性，而線控底盤技術(shù)可以有效促進(jìn)研究車輛動(dòng)力學(xué)模型的精確結(jié)算機(jī)制，有效的促進(jìn)動(dòng)力學(xué)應(yīng)用發(fā)展。

3）為智能汽車在復(fù)雜場景下從駕駛員視角中提供精確的感知狀態(tài)。線控底盤技術(shù)可以從復(fù)雜交通場景中給出車輛運(yùn)行動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定邊界精確量化機(jī)制，提升動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的精確感知與預(yù)瞄技術(shù)。在高復(fù)雜度、動(dòng)態(tài)交通環(huán)境的交互中，為智能駕駛頂層提供相應(yīng)的助力。

線控轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)應(yīng)用原理

線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以將駕駛員輸入和前輪轉(zhuǎn)角進(jìn)行解耦，并特指沒有機(jī)械連接的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這是從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行的一個(gè)區(qū)分。在線控轉(zhuǎn)向中，轉(zhuǎn)向的動(dòng)力來源于電機(jī)，其主要包括了兩方面：用來給駕駛員提供轉(zhuǎn)向時(shí)的路感及其相應(yīng)的動(dòng)力。

線控轉(zhuǎn)向可以提高整車設(shè)計(jì)自由度，提高整車舒適度，完全過濾路面顛簸，其轉(zhuǎn)動(dòng)效率高、響應(yīng)時(shí)間短。同時(shí)，其擁有的可變角/力傳動(dòng)比特性，還可以提高車輛碰撞安全性和整車主動(dòng)安全性，整合底盤系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)綜合利用?？梢哉f線控轉(zhuǎn)向是自動(dòng)駕駛汽車實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤與避障避險(xiǎn)必要的關(guān)鍵技術(shù)。

當(dāng)前，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究主要集中在路感反饋控制策略研究、轉(zhuǎn)向執(zhí)行控制策略研究以及故障診斷與容錯(cuò)控制策略研究 3 個(gè)方面。其中路感反饋控制策略研究是最主要的一個(gè)研究方向。

路感反饋控制策略研究是一個(gè)比較抽象的定義，其定義之一是指駕駛員通過方向盤得到的車輛行駛中的轉(zhuǎn)向阻力矩，該阻力矩主要包含回正力矩和摩擦力矩2部分。

圖5 線控轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)構(gòu)架圖

其中，回正力矩往往無法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的獲得，作為使車輪恢復(fù)到直線行駛位置的主要力矩之一，其數(shù)值通常是由經(jīng)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)或?qū)嶒?yàn)的方法獲得。該值受車輛前輪的受力狀態(tài)控制，進(jìn)而又和車輛實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及路面附著直接相關(guān)。因此，路感的計(jì)算公式可以表示如下：

回正力矩與車輛前輪的受力狀態(tài)存在直接關(guān)系，而前輪受力又和車輛實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及路面附著直接相關(guān)。因此，通常把總的回正力矩除以自方向盤到前輪總的力傳動(dòng)比近似得到的方向盤手力矩看成是路感。

一般對于路感模擬來說，轉(zhuǎn)向盤反力矩是首要考慮的一個(gè)條件，其中轉(zhuǎn)向反力矩的計(jì)算方式如下：

轉(zhuǎn)向盤反力矩=轉(zhuǎn)向負(fù)載觀測力矩-虛擬助力矩+轉(zhuǎn)向死點(diǎn)模擬力矩+遇障力矩。路感通常采用基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和基于模型設(shè)計(jì)這2種方法獲得。路感設(shè)計(jì)為方向盤轉(zhuǎn)角、車速、橫擺角速度等參數(shù)的非線性函數(shù)關(guān)系式，在不同條件下為駕駛員提供不同的路感，簡單高效，但是自適應(yīng)性和精度較差。因此，在實(shí)際計(jì)算路感模擬參數(shù)過程中，通常采用基于動(dòng)力學(xué)模型的方法根據(jù)車輛的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、駕駛員方向盤輸入等路感相關(guān)的輪胎力、摩擦力矩等，最終可以計(jì)算出路感。

線控制動(dòng)應(yīng)用原理

線控制動(dòng)是線控底盤技術(shù)中難度最關(guān)鍵也是難度最高的技術(shù)，其關(guān)系著底盤安全性和穩(wěn)定性控制要素。制動(dòng)性能涉及響應(yīng)速度、平順性等。

線控制動(dòng)系統(tǒng)通過將電子信號(hào)通過ECU決策后再向4個(gè)車輪制動(dòng)模塊發(fā)出制動(dòng)指令，每個(gè)車輪制動(dòng)模塊上單獨(dú)驅(qū)動(dòng)其電機(jī)驅(qū)動(dòng)制動(dòng)摩擦部分實(shí)現(xiàn)合理的動(dòng)力分配和、制動(dòng)穩(wěn)定性控控制和有效制動(dòng)。整個(gè)電信號(hào)傳輸于踏板信號(hào)與執(zhí)行器之間，再配合ABS、TCS、ESC等模塊實(shí)現(xiàn)車輛底盤集成控制。

圖6 線控制動(dòng)應(yīng)用原理

當(dāng)前，線控制動(dòng)系統(tǒng)的研究主要集中在 3 個(gè)方面：踏板模擬、主動(dòng)制動(dòng)和制動(dòng)能量回收。

1）踏板感模擬

線控制動(dòng)系統(tǒng)是通過模擬器或算法模擬的方式提供給駕駛員相應(yīng)的踏板力的，這就不再需要踏板和主缸之間的機(jī)械連接。線控制動(dòng)系統(tǒng)的好壞主要取決于踏板力的模擬精確程度。一般的情況是通過提前對大量的時(shí)延數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出踏板力與踏板行程及車輛狀態(tài)之間的關(guān)系，并模擬過程是通過彈簧或動(dòng)作器踏板力進(jìn)行的。

2）主動(dòng)制動(dòng)

主動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)主要涉及高級智能駕駛輔助系統(tǒng)ADAS以及自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)AEB的制動(dòng)功能需求。其要求均是線控制動(dòng)系統(tǒng)需要準(zhǔn)確、快速地響應(yīng)這個(gè)請求。主動(dòng)制動(dòng)的響應(yīng)過程基本都要通過一定的動(dòng)力學(xué)控制算法（包含PID算法、最優(yōu)控制、魯棒控制、滑膜控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模型預(yù)測控制等）進(jìn)行優(yōu)化。這些類別中可被大致歸類為基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法和基于動(dòng)力學(xué)的計(jì)算方法。

3）制動(dòng)能量回收

制動(dòng)能量回收是指在減速或制動(dòng)過程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)，將車輛的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存于電池中。同時(shí)，施加電機(jī)回饋轉(zhuǎn)矩于驅(qū)動(dòng)軸，對車輛進(jìn)行制動(dòng)。在線控制動(dòng)系統(tǒng)中涉及協(xié)調(diào)分配電制動(dòng)力矩和制動(dòng)力矩，在整個(gè)制動(dòng)能量回收的控制策略研究中基本圍繞這一點(diǎn)展開。

總結(jié)

本文從控制執(zhí)行的角度講解了關(guān)于智能汽車在應(yīng)用過程中規(guī)控的基礎(chǔ)理論，其中包含人機(jī)共駕技術(shù)，線控底盤技術(shù)等。這些技術(shù)在當(dāng)前這代智能駕駛輔助產(chǎn)品中應(yīng)用得還并不成熟。但是，鑒于當(dāng)前這代產(chǎn)品存在的一系列問題而言，我們下一代自動(dòng)駕駛系統(tǒng)必須要解決掉這些問題。因此，需要從根源上來分析和屏蔽掉這些問題。本文正是從此動(dòng)機(jī)出發(fā)進(jìn)行了相應(yīng)的分析和解讀，對于下一代自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了有力的參考。