【深度】智能时代的汽车控制

陈虹, 郭露露, 宫洵, 高炳钊, 张琳. 智能时代的汽车控制. 自动化学报, 2020, 46(7): 1313−1332.

汽车驾驶的自动化是汽车产业发展的一个重要的阶段, 目前已经成为全球汽车业关注的焦点, 无论是政府还是企业都在大力推动汽车自动化技术的发展和应用. 无论汽车自动化程度发展到何种程度，从汽车驾驶任务的角度来讲, 汽车驾驶的主要任务并没有改变, 即实现从起点到终点的行驶, 反映在操作层面上一直是对转向、油门、制动和挡位的操作（如图1所示）. 

图 1 汽车的使命与初心

目前，人类驾驶员仍是汽车驾驶控制回路中智能程度最高的控制器（如图2所示）. 人类驾驶员在行驶过程中, 做出制动、驱动和转向等一系列操作, 车辆的执行系统根据人类操作意图并结合车辆和交通道路状态, 计算出相应的车辆纵、侧、垂向运动控制信号, 实现满足节能、安全和舒适等驾驶需求下的随意图行驶. 所以，在完成驾驶任务的前提下, 汽车驾驶的自动化实际上是利用先进传感、自主交互等手段, 以提升安全、节能、环保、舒适等性能指标为目标, 实现转向、驱动、制动等的自动化操作. 从控制的角度来讲, 这种操作层面的自动化是对人−车−路−环境闭环系统的感知认知、决策规划、执行控制各个环节的增强或彻底替代. 这种增强与替代程度其实也是驾驶自动化的分级的依据, 替代和增强程度越高, 自动化程度就越高. 可以看出, 汽车的自动化不是突然出现, 而是伴随着汽车技术的发展一直都在进行. 为使读者了解汽车控制现状，本文从车辆纵向、侧向以及侧-纵向耦合三个方面简要回顾了汽车自动化的发展进程，也概述了当前感知、决策以及协同控制等方面面临的典型技术问题.

图 2 汽车驾驶控制系统框图

智能时代新兴技术的快速发展, 为汽车驾驶自动化发展提供了新的机遇. 泛在传感可以为汽车控制系统提供更为丰富、快速、准确的环境信息. 泛在计算下的大数据分析、人工智能等技术的兴起为汽车控制与优化决策提供了更为智能高效的手段. 将新兴技术与先进控制技术融合到汽车控制系统的感知、认知建模、智能决策、以及执行各个核心环节, 实现新控制系统与新功能来提高汽车控制系统的安全性、节能性、环保性、舒适性和经济性是智能时代汽车控制的主题（如图3）. 

图 3 更多信息+先进控制算法=新系统与新功能

例如，智能节能与减排技术是在传统汽车纵向控制技术的基础上, 利用网联信息, 对车辆行驶状态进行综合优化控制, 可以进一步提高整车能源利用效率和降低排放（如图4所示）；又如，预测安全控制技术借助交通预瞄信息与车辆动力学模型预测车辆未来动态, 应用模型预测控制方法来滚动优化安全性能指标, 指导车辆在遇到危险隐患情况前有预见性的对转向、制动、驱动等执行机构做出控制决策, 从而最大程度规避危险、减少交通事故的发生（如图5所示）. 本文围绕车载计算与通信、大数据信息融合、先进控制理论在汽车控制的应用、智能化汽车控制系统新功能、人在回路的汽车控制、自动驾驶的测试与评价等6个方面, 探讨智能时代汽车控制的未来发展趋势.

图 4 智能网联环境下的智能节能与减排控制框架示意图

图 5 预测安全控制框架示意图