自動駕駛機器人可以代替駕駛員進行可靠性、危險性和高精度的車輛道路測試與試驗。本文介紹自動駕駛機器人功能和結構，分析自動駕駛機器人的關鍵技術，開發自動駕駛機器人在車輛道路測試試驗、整車性能測試、聲學測試、風洞測試等方面的應用。 

隨著汽車工業新技術的發展趨勢，人們對汽車的安全性和可靠性提出了越來越高的要求，這就需要企業要對汽車做大量的穩定性、安全性和可靠耐久性的試驗來不斷提高水平。

隨著汽車試驗要求的不斷提高，有些環境人類無法完成，或者對人類駕駛員來說有一定的危險性 。此時，汽車試驗就可以通過自動駕駛機器人來完成的，相比試駕員相 比較，自動駕駛機器人具有高精準度的控制、重復性好、疲勞耐久性強等優點。特別是道路試驗駕駛機器人，通過環境感知和識別系統大大提高了自動化程度，可代替駕駛員完成一些疲勞性和危險性駕駛試驗，為駕駛員的安全和試驗結果的可靠性提供保證。自動駕駛機器人是指具有自主駕駛車輛行為的機器裝置，它可以按照人們給定的指令執行相關駕駛操作，如起步、加速、制動、換道等，也可以通過環境感知實現自主駕車行為，如車道線跟蹤、換道、避撞、停車等。

1、國內外自動駕駛機器人研究現狀

國外自動駕駛機器人技術自20世紀80年代就已經開始發展，一開始是為了代替一些人類無法完成的危險環境，發展到今天，已經有了很大的進度，技術越來越成熟， 使用范圍也越來越廣泛。

但自動駕駛機器人的關鍵技術處于保密階段，核心技術也是掌握在發達國家一些斬首知名的測試儀器公司，如日本Horiba 公司，英國的 Froude Consine，英國Anthony Best Dynamics（ABD）公司，德國的 STAHLE、WITT 公司 ，美國的LBECO公司等。

圖1為英國ABD公司自動駕駛機器人

英國ABDynamics汽車測試系統公司研發了一系列計算機控制的車內機器人測試產品，專門用于車輛動態，轉向系統和制動系統的測試。除些之外，它們也可以用于其他的測試應用,如耐久性和濫用測試及高級駕駛輔助系統（ADAS）的開發。

英國ABDynamics汽車測試系統主要用來提高典型試驗的精度和重復性，使一些人類司機很難實現或無法實現的測試可以很容易實現，降低試驗的危險，節省試驗的時間，還可以獲得高質量的客觀數據（控制器內置數采）。

產品有ABDynamics 轉向機器人，ABDynamics制動機器人，ABDynamics油門機器人，ABDynamics換擋機器人，ABDynamics離合機器人，ABDynamics踏板機器人（制動、油門和離合）。

這一系列的機器人既可以獨立使用，也可以相互結合進行更加復雜的試驗，如轉彎時制動，變道時制動或轉向時加減油門等。我們的設計理念是把機器人安裝在車輛內時不需要對車輛進行過多的改動，而且當設備安裝好后允許司機像正常情況下一樣仍然坐在車內正常駕駛車輛。所有的機器人都是電力驅動，電源來自車輛的電池。系統使用普通的基于Windows的用戶界面軟件,可以很容易的對機器人進行設置，軟件通常安裝在筆記本或平板電腦上。機器人的實時控制則由一個強大的伺服控制器進行，控制器通過USB接口和計算機軟件連接。

圖2 德國STAHLE公司SFPhybrid 自動駕駛儀系統(轉向機器人) 

德國Stahle機器人系統有限公司（Stahle）是一家機器人系統、以及各類系統軟件的承包供應商，德國Stahle公司獲得了QS-9000認證，已經為全球主要的汽車制造商提供了1000多套試驗室機器人系統，包括奔馳、大眾奧迪、寶馬、通用、福特、戴姆勒-克萊斯勒、大眾、豐田、現代、啟亞、通用大宇、三星、雷諾、雪鐵龍、菲亞特、印度塔塔汽車、印度汽車研究所、美國國家環保局、美國加州大氣資源委員會、德爾福、偉士通、摩托羅拉、西門子等公司和機構。

SFPhybrid自動駕駛儀系統為先進的計算機控制系統，用于試驗場或試車跑道上的車輛動態性能和功能安全試驗。該自動駕駛儀通過操縱方向盤、油門踏板和制動踏板來自動駕駛車輛。模塊化的執行器設計和柔性的應用軟件允許橫向/縱向/閉環或開環操作模式結合的試驗執行，從而以機器人級別的精度和重復性來實現標準和自定義的測試流程。全部的組成部分都是快速安裝設計，可在15分鐘安裝在車上且無需對車輛進行改變。高柔性和便捷性的用戶界面以及高性能的機器人控制軟件使得系統的設置和操作簡單。

該系統具備不同的接口與其它需要的系統/部分進行連接，例如：DGPS/IMU 傳感器系統，數據采集系統等。

典型應用

法規規定的方向盤操縱的預處理試驗（輪胎熱身等）

法規規定的制動操縱的預處理試驗（輪胎&制動熱身等）

NHTSA “J-Turn”測試

NHTSA “魚鉤”測試

FMSS126 / ECEr13h/NCAP “正弦停滯”測試

階躍響應試驗

頻率響應試驗

NCAP AEB 測試

NCAP ACC 測試

車道變換操作

 FCA / FCW 測試

制動測試

常規跑道測試（軌道控制）

耐久測試

燃油消耗測試

性能測試

聲學測試

圖3  日本Horiba 公司自動駕駛儀 ADS-7000

ADS-7000是一種無需駕駛員而可在底盤測功機上完成行駛試驗的自動駕駛系統。它在低壓、低溫、高溫等特殊環境以及高速行駛、長時間耐久行駛等惡劣條件下，可代替駕駛員進行行駛試驗。同時，通過高精度的模式追蹤性，駕駛重復性和數據的高精度化，可實現汽車排放試驗的自動化。ADS-7000不僅可以適用于CVT、LEV、配有直噴發動機的車輛，而且還可適用于SULEV等極其復雜的新車輛。

特征

通過采用新的學習方式，不僅可以適用于無級變速機型的CVT以及兼備節能和高輸出性的LEV和直噴發動機等最新車輛，而且還可以適用于復合動力車輛、電動汽車等下一代車輛。(一部分是可選項)ADS-7000采用了一目了然的彩色CRT畫面，大幅提高了操作性。可以進行數據以及模式的登錄等、可保存大量的信息，實現了重要信息的快速存取。

由于以本公司汽車排放試驗主控系統(VETS系列)為主機，因而可通過線路通信對ADS-7000進行控制，也可對包括底盤測功機、檢測設備在內的整個實驗室進行統一管理。

采用了與本公司汽車排放試驗主控系統VETS-7000NT/VETS-9000PC以及司機助CRSD-7000相同的編輯程序。可以將通過VETS/CRSD制作的速度圖、換檔圖等下載到自動駕駛儀中進行使用。

(只限于本公司汽車排放試驗主控系統與自動裝置的主機通信相對應時才可以使用。此外，在排放試驗系統中該功能是輔助功能，為可選項。)

把自動駕駛儀的梯度指令輸入到測功機中，根據該信號進行汽車減速，也可以通過制動壓力調節器進行減速。通過這樣的一臺機器人裝置，可以同時進行排放試驗和尾氣耐久試驗。

底盤實驗室可24小時連續運行，可提高工作效率，縮短開發周期和減少投資。

國內自動駕駛機器人技術開始于20世紀90年代中期，主要集中在汽車公司、高校和科研機構中。2004年東南大學與南京汽車研究所成功研發出國內第一款具有自主知識產權的DNC-1，隨后研制了DNC-2型駕駛機器人，如圖4所示。國內其他高校如清華大學、吉林大學、國防科技大學等也在相關方面取得一定成果，但主要側重于智能車輛的研究，真正用于汽車道路試驗的機器人并不多。

圖4 東南大學DNC-2駕駛機器人

針對當前自動駕駛機器人的發展現狀，國外存在很大技術壟斷，且價格較為昂貴。而國內在自動駕駛機器人方面的研發并不多，大多集中在開發無人駕駛操作系統。 

2. 自動駕駛機器人關鍵技術

自動駕駛機器人實現功能和應用范圍主要取決于關鍵技術的研發，關鍵技術主要體現在環境感知系統、控制系統和執行機構 3 方面，下面分別進行詳細介紹。

1）環境感知系統

環境感知系統是為獲得道路、車輛位置和障礙物的詳細信息，是自動駕駛機器人正常行駛和準確控制的基礎，主要包括 GPS 定位和視覺感知。

在車輛定位中，為提高定位精度常采用差分 GPS 定位技術。視覺感知主要是進行車道線、道路標識、信號燈、行人和障礙物的信息識別，環境感知的精確性和信息處理的實時性是視覺技術的關鍵，可以選擇單目視覺或者多目視覺進行信息獲取和處理。

為保證環境感知系統能夠提供可靠和精確的環境信息，可以在視覺圖像處理的基礎上借助雷達、GPS 及其他傳感器進行多源信息融合。

2）控制系統

控制系統是自動駕駛機器人的核心，它在人為控制指令下根據車輛狀態和環境感知信息，通過決策將控制指令發送給執行機構，實現車輛的速度控制和方向控制，主要包括驅動方式和控制策略兩方面。

驅動方式有氣動、液動和伺服驅動等方式，可根據各驅動方式特點和適用場景選擇合適的驅動方式，并體現在控制策略當中。控制策略是在考慮車輛行駛安全的前提下對車輛速度和方向進行控制，如車道保持、巡航、換道、超車、避撞等功能的實現。

在道路試驗中主要考慮車輛的方向控制，這是一個典型的預瞄控制行為，需要通過駕駛機器人找到當前道路環境下的預瞄點，再根據預瞄點對車輛進行控制。常用的有經典的智能 PID 算法，如模糊 PID 算法、神經網絡 PID 算法等。

3）執行機構

執行機構是自動駕駛機器人實現所有預期功能的基礎，它通過操縱車輛離合器踏板、制動踏板、油門踏板、方向盤，甚至換擋桿和點火機構，實現速度控制、方向控制和安全控制。

在自動駕駛機器人進行各項功能操作時，需要像經驗豐富的駕駛員一樣保證機械腿和機械腿的協調性。例如在汽車制動時，駕駛機器人需要保證離合踏板機械腿、油門踏板機械腿、制動踏板機械腿和方向盤機械手之間合理的時序關系，符合正確的駕駛行為。

3. 自動駕駛機器人應用

自動駕駛機器人可以代替司機進行重復性、危險性和高精度的道路試驗，主要體現在以下3個方面：

單一駕駛環境下，代替駕駛員執行易疲勞、重復性的駕駛操作，如汽車耐久性試驗和道路性能測試試驗。

應用于控制精度高的測試試驗和駕駛要求，如通過自動駕駛機器人可以實現勻速駕駛、S 型駕駛、按里程駕駛等。

進行危險性試驗，如 ABS、ESP 試驗，防側翻試驗，避免了駕駛員執行操作時存在的安全隱患。

自動駕駛機器人還可以通過其他輔助系統實現無人駕駛，如環境感知系統、人工智能控制系統等，實現自動駕駛機器人駕駛車輛的高度自動化，通過控制車輛速度和方向實現自主駕駛車輛在特定環境或路徑下載客、運輸、探測等功能和任務，如城市快速公交、景區機器人出租車、礦區自動駕駛機器人運輸車等。

北京航空航天大學車路協同與安全控制北京市重點實驗室自主開發了兩代駕駛機器人 Robot Driver I 和 Robot Driver II。Robot Driver II 在 Robot Driver I 的研究基礎上對執行機構和控制系統進行了性能提升，可滿足不同路面加載試驗對自動駕駛車輛功能的要求，實現高強度持續工作，具有試驗效率高、重復性好等優點。

Robot Driver 型自動駕駛機器人采用交流伺服電機驅動方式，由執行機構、控制系統和環境感知系統三部分組成。其中執行機構的結構圖如圖 8 所示，該執行機構采用的是獨立于汽車之外的結構，結構簡單，拆裝方便，可適用于不同類型的車輛，具有較強的適應性和靈活性。環境感知系統采用攝像頭、GPS、雷達、信息采集板等設備進行單目視覺和多源信息融合技術的研發，在大大降低成本的同時保證了各項功能的順利實現。

自動駕駛系統在正式使用前需要進行反復的軟硬件調試和功能測試，圖 10 為 Robot Driver 型自動駕駛機器人安裝和測試現場。Robot Driver 型自動駕駛機器人實車測試試驗可以實現車道保持、跟車、超車換道、緊急避撞、車路協同等功能，在駕駛環境較為復雜且較為惡劣的情況下，可以通過遠程遙控操作系統自動駕駛機器人進行遠程監控和駕駛操作，實現功能如圖 11 所示。

Robot Driver 型自動駕駛機器人不僅可以滿足汽車廠商對車輛的各項性能測試，而且與無人駕駛系統相比，幾乎可以適用于所有車型（小車、客車、貨車）等，拆裝方便，可調性高，適用范圍廣泛，可以成為汽車廠商的測試標配。

4. 總結

本文介紹了自動駕駛機器人的國內外現狀，分析其關鍵技術和應用。

根據自動駕駛機器人具有操縱準確、重復性好等優點，可以代替駕駛員完成車輛道路危險性試驗和可靠性試驗。

自動駕駛機器人外加環境感知單元可在現有車輛上實現車自動駕駛功能，隨著環境感知技術和控制技術不斷完善，駕駛機器人將會在汽車測試與試驗行業及自動駕駛行業有很好的市場前景，對推動車輛技術的發展特別是自動駕駛應用具有重要意義。