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自动驾驶 未来更安全、更高效的汽车技术解决方案 本书的主要主题包括自动驾驶汽车的高级控制、认知数据处理、高性能计算、功能安全和全面验证。这些主题被视为推动自动驾驶技术前进的基石。本书调研了自动驾驶汽车研究、开发和创新的新动态,并阐述了重大新技术进步的行业驱动路线图,以及支持自动驾驶发展的欧洲合作计划。本书中给出的各种示例突出了自动驾驶的发展状况以及前进的方向,适合工程学界的学者和研究人员、汽车及相关专业研究生、OEM和供应商的汽车工程师、ICT和软件工程师、汽车技术管理人员及汽车企业决策人员阅读使用。 适读人群 :汽车专业师生及汽车行业技术人员 1. 本书对自动驾驶的实践状态和技术水平进行了广泛的回顾,并展望了未来的趋势。 2. 本书涵盖了控制工程的重要性,环境感测和感知的新进展,车载架构和可靠的功率计算以及自动驾驶中的主动和功能安全性。 3. 本书中给出的各种示例突出了自动驾驶的发展状况以及前进的方向。 4. 本书适合工程学界的学者和研究人员、汽车及相关专业研究生、OEM和供应商的汽车工程师、ICT和软件工程师、汽车技术管理人员及汽车企业决策人员阅读使用。 自动驾驶技术有可能改变道路通行规则和我们如今的驾驶方式。它会带来许多好处,包括改善安全性,减少交通拥堵,减轻乘客的压力,促进社会包容,减少排放以及由于私人和公共交通的最佳结合而改善道路利用率。 在过去的十年中,车辆自动化吸引了公众、政府、科学界和全世界各行各业相当大的关注,这主要是由驾驶员辅助和主动安全技术的发展推动的。今天售出的许多汽车已经具有一定程度的自动化能力,而更高自动化的原型车在公共道路上不断进行测试,尤其是在美国、欧洲和日本。自动驾驶技术已迅速进入市场,预计未来几年内,其部署将加速增长。实际上,全自动驾驶(SAE L5)所需的大多数核心技术现在都已可用,许多已经成熟,有些已经在商用车中使用。 在过去的三年中,许多国家提出了行动和创新计划,以促进自动化车辆的开发和逐步引入。这些计划涵盖了需要考虑的许多技术和非技术方面的行动。特别是由于超过90%的碰撞都涉及人为错误,因此道路安全有望通过车辆自动化得到实质性改善。但是,在大多数情况下驾驶自动驾驶车辆都不会发生碰撞。自动驾驶车辆的最终安全性测试必须确保它们能够很好地达到人类驾驶员的无碰撞性能,尤其是在局部的和有条件的自动化混合交通中。 为了向自动驾驶汽车的重要市场渗透迈进,必须考虑不同的技术配置。大多数状态良好的车辆及其原型都依赖于车载传感器平台,几乎不需要数字基础设施通信,而车辆与基础设施之间更多的连接被认为是有益的。这需要开发通用的通信协议和加密的安全标准,并投资于新型基础架构或升级现有基础架构。尽管如此,这两种模型在任何时间、任何天气条件下以及任何交通情况下,都需要准确的数字信号表示环境。 除技术问题外,政府还必须延迟几个加快自动驾驶汽车引进的行动项目,以确保完全符合公众对法律责任、安全和隐私的期望,必须建立法律框架,以消除责任陷阱,鼓励测试区域,审查长期的基础设施投资,提供开放通道,最终建立汽车间通信的法律框架。 富有挑战性的技术问题仍然有待解决,世界各地为推动这项令人兴奋的技术不断发展而做出的不懈努力激发了本书的创作。为了对发展状况有一个全面的看法,编辑邀请了来自不同利益相关方的作者,这些利益相关方包括公共机构、汽车制造商、供应商和研究型组织。本书对自动驾驶的实践状态和技术水平进行了广泛的回顾,并展望了未来的趋势。本书涵盖了控制工程的重要性,环境感测和感知的最新进展,车载架构和可靠的功率计算以及自动驾驶中的主动和功能安全性。此外,我们非常重视自动驾驶功能的验证和测试。本书还总结了相关的工业驱动研究项目和工业计划。 我们坚信,本书概述了该领域目前出现的技术挑战,并对工业需求提供了深刻的见解。我们希望读者能从技术文章、精选的项目摘要以及关于各国/欧洲计划的介绍中获得启发。 最后,我们要对所有使本书得以出版的作者和合著者表示衷心的感谢。我们感谢Springer的Silvia Schilgerius的专业精神和支持。 序 前言 第一部分综述 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路径跟踪控制的最新进展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最先进的技术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
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