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摘要：为解决无人驾驶汽车在商业应用中成本居高不下、难以量产、安全问题突出等一系列问题。本文将针对封闭或半封闭场景下的低速无人功能车进行再设计、再优化，从而降低无人车在开发、测试、运营、维护方面的成本，验证自身自动驾驶系统及核心控制技术，持续优化融合控制算法，不断迭代自动驾驶系统;完善无人驾驶车辆的安全保障体系，加快推进中国在无人驾驶领域的商业化量产应用。
关键词：无人车;模块化;多用途
中图分类号：TP3 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2021）27-0105-02
自动驾驶汽车又称无人驾驶汽车、电脑驾驶汽车等，是一种通过电脑系统实现无人驾驶的智能汽车。根据发改委等部门发布的《智能汽车创新发展战略》，到2025年，中国将实现有条件自动驾驶的智能汽车达到規模化生产，实现高度自动驾驶的智能汽车在特定环境下市场化应用。自动驾驶技术的研发和落地，不仅将带来汽车行业及相关产业链体系的重塑，也会给人们创造更加安全和舒适的出行方式，减少驾驶压力，提高安全性，避免拥堵并降低污染[1]。因目前法律法规对自动驾驶无人车在开放道路行驶的制度还不完善，所以无人车将率先在封闭或半封闭的环境下得到应用。
目前我国自动驾驶技术逐渐成熟，利用多种车载传感器（如激光雷达、毫米波雷达、超声波传感器、GPS、摄像头等）感知车辆周围环境，通过控制系统对车辆实时路况进行动态路径规划，实现车辆自动、安全、可靠的行驶。因自动驾驶车辆上需要安装多种传感器且单价相对较高，导致无人车单个车辆成本居高不下，且后期保养维修费用昂贵，这也成为限制自动驾驶无人车商业化量产的主要原因，所以怎样可以降低自动驾驶无人车辆研发和保养维修成本，提高无人车安全性成为继续解决的问题[4-5]。
1 设计思路
无人车整体采用模块化设计，可自由更换功能模块，不同的功能模块可形成不同的无人驾驶智能车，扩大了无人智能车应用场景，大幅增加了产品的使用率。通过“共本体，多附体”的设计原则，实现主体车身公用，最大化地利用传感器配套设备，方便自动驾驶系统测试和传感器调试;整车零部件选用模块化安装固定，单个模块出现问题可直接拆除更换，不影响其他模块运行，很大程度上节省开发成本和后期运营维护成本。车头和车尾都设置有防碰撞模块，车辆发生碰撞时车辆会立刻触发急停措施，防护车辆自身车壳和传感器设备，同时也保护道路中的车辆、行人和基础设施安全。
2 系统结构
模块化多用途智能无人车平台由主体车身和功能区组成，主体车身包括上装模块和底盘模块，上装模块由上装外壳、上装自动驾驶传感器组、显示模块、预警模块、交互模块组成;底盘模块由底盘外壳、底盘自动驾驶传感器组、防护模块、底盘车架、控制模块、电池模块、车轮模块组成。功能区由快递柜模块、售卖机模块、配送柜模块组成。
2.1主体车身
上装模块由上装外壳、上装自动驾驶传感器组、显示模块、预警模块、交互模块组成。上装自动驾驶传感器组包括GPS组合惯导和双目摄像头，GPS组合惯导安装在车顶中轴线上，固定在上装外壳骨架上;双目摄像头安装在车头上部，通过角度旋转支架固定在上装外壳骨架上。显示模块由前后LED屏和LED控制器组成，分别固定在上装外壳骨架上;交互模块由触摸屏和语音模块组成，触摸屏在车辆右侧中间上部，并固定在上装外壳骨架上;语音模块安装在触摸屏下方位置，语音模块包括语音控制板和语音喇叭。预警模块由360°环视摄像头和预警灯组成，360°环视摄像头通过安装支架固定在车顶中间位置，预警灯安装在360°环视摄像头固定支架下方与车顶外壳固定连接;上装外壳同显示模块、交互模块、预警模块的固定连接都可拆解，可对各个模块单独拆解更换。
底盘模块分别有底盘外壳、灯组模块、底盘自动驾驶传感器组、底盘车架、骨架模块、控制模块、电池模块、车轮模块、防护模块。控制模块包括控制模块盒、控制盒导轨、中央控制器、整车控制器、DCDC、电机控制器、开关控制盒、稳压器、逆变器、升压器、继电器组成。整车控制器分别和中央控制器、DCDC、开关控制盒、稳压器、逆变器、升压器、继电器电性连接，电机控制器和逆变器电性连接;电池模块包括电池组、BMS系统和电池导轨，电池组固定在电池导轨上，电池导轨安装在底盘车架上，电池组和BMS系统电性连接，BMS系统和整车控制器电性连接。灯组模块包括前向大灯、左右转向灯、刹车灯，行车灯，灯组模块分别和稳压器电性连接。底盘自动驾驶传感器组包括12通道超声波、前视毫米波雷达和后对角毫米波雷达。
2.2功能区
功能区为主体车身的预留功能区，包括：快递柜模块、售卖机模块、配送柜模块，并都可安装到功能区中，并和主体车身卡扣式固定;快递柜模块由快递柜体和快递柜体控制器组成;售卖机模块由售卖机体、售卖机体控制器、压缩机、取货箱组成;配送柜模块由配送柜体和配送柜控制器组成。车辆可通过手机App进行预约，预约车辆在特定时间段到达指定地点;并可同无人车相应功能区进行智能交互，比如快递柜模块中可通过扫描二维码或输入寄/取件码打开快递柜;售卖机模块中可通过招手动作实现车辆停止，语音选择特定商品进行移动支付（二维码或支付宝人脸识别支付）;配送柜模块中可进行语音交互和身份识别。
3 系统实现
3.1自动驾驶系统
自动驾驶系统是实现车辆无人驾驶的基础，基于linux系统研发具备完全自主知识产权的自动驾驶系统，本平台即搭载此系统开展一系列的算法研究及验证工作。
3.2核心控制技术
多传感器信息融合感知算法：主要解决障碍物检测准确度低、误识别、误检测率过高问题。本平台运用多传感器的时间同步与联合标定算法，多传感器数据融合算法，多传感器融合目标追踪与预测算法。实现车辆环境感知系统功能，稳定识别跟踪目标物，并输出目标物的相关物理信息，主要包括识别、分类、关联以及轨迹估计等过程。通过融合感知消除不同传感器数据之间的冗余，通过数据互补，增强系统的鲁棒性，提高无人车辆环境感知系统数据的可靠性，从而降低整车控制器决策风险[2-3]。 多传感器融合定位算法：主要解决单车无卫星导航信号状态下的无人驾驶状态保持和路径规划问题和编队前后车辆定位算法。本平台利用低精度低成本GPS/IMU系统，在激光SLAM的研究基础上，进行激光SLAM与GPS/IMU融合定位算法开发，提高车辆定位的稳定性和精确性;通过训练场景信息与高精度地图融合，进而构建实时动态的高精度地图。
路径规划算法：主要分为全局路径规划和局部路径规划;全局路径规划为在已知起点和终点的前提下，算法根据车辆定位信息和静态地图信息采用 A*算法规划出在高精度地图中快速寻求最短并且最优的行驶路径。
3.3云平台
无人车综合服务平台主要多无人车位置实时监测、二维地图的建模、车辆本身性能与状况的监控、传感器性能与状态的监控、交通道路的路径规划集成、城市建筑物坐标的标记、车辆位置偏移修正、实时动态与静点监控视频的显示、数据历史回放，点选、筛选、圈选查询等。本无人车云平台功能包括：登录模块、首页模块、智能运营和系统管理。用户可在登录模块中通过账号和密码进入;首页模块分为导航菜单栏、车辆周运营数据、入网车辆实时监控、车来那个情况、异常情况。智能运营包含车辆信息和车辆控制两个部分，车辆信息中可查询单车信息、运营信息、轨迹回放，车辆控制可对无人车进行远程控制包含：车辆状态信息、控制模式、按键控制、车辆路径和监控视频等;系统管理设置车辆管理、园区管理、路径管理、用户管理、日志管理、角色管理，通过车辆管理增加园区内运行车辆;通过园区管理增加园区;路径管理增加园区内路径，通过用户管理，为企业用户账号分配角色，匹配各模块权限;日志管理可查看车辆运行的异常记录和登录用户的操作日志;通过角色管理控制用户角色权限。
3.4安全保障体系
本无人车在安全保障体系设置四道防护措施，包括车身按钮、远程遥控、遥控急停和车身防碰撞保险杠。车身按钮为车身左右各设置两个红色急停按钮，车辆出现异常或启停紧急情况时，可通过紧急按钮实现车辆的制动停止。远程遥控是在驾驶模拟器模式下，可以通过监控室的驾驶模拟器设备控制车辆实现前进后退等驾驶行为，帮助车辆脱离危险场景。遥控急停是车辆底盘配备的远程遥控器，遥控距离为200m，遥控器可自由切换自动驾驶和手动驾驶两种模式，切换为手动驾驶模式后可通过遥控器急停。车身防碰撞保险杠是当车辆行驶过程中保险杠接触到障碍物时，会触发保险杠最前端压感模块，车辆会进行双闪提醒，当保险杠受到强烈撞击时，障碍物挤压保险杠弹簧，弹簧末端设计装置触发紧急制动。
4 总结和展望
本文中的模块化多用途无人车设计方案不仅节省了单车研发成本、实车测试成本和运营维护成本，通过“共本体，多附体”的设计，可实现多个无人功能车的自由切换，最大化地利用传感器设备，操作方便快捷;无人车搭载自研的自动驾驶系统平台，对核心控制技术进行技术测试验证，针对测试中发现的问题进行不断算法优化，使自动驾驶系统不断迭代升级;车辆设置四道安全保障体系，很大程度上消除了人们对无人驾驶车辆在行驶过程中安全方面的担忧。本设计方案的实现可加速推动自动驾驶无人车在商业方面应用，同时低成本化的量产应用。
参考文献：
[1] 洪麟.无人驾驶汽车交通事故法律责任探析[J].山东青年政治学院学报，2021，37（S1）：134-138.
[2] 黄志强，李军.无人驾驶汽车环境感知技术研究[J].装备机械，2021（1）：1-6.
[3] 白国星，孟宇，刘立，等.无人驾驶车辆路径跟踪控制研究现状[J].工程科学学报，2021，43（4）：475-485.
[4] 洪伟权，谭华，张海涛.国内外自动驾驶发展态势[J].通信企业管理，2021（3）：54-57.
[5] 魏浩冉.无人驾驶汽车的瓶颈问题及创新优化[J].科技与创新，2021（3）：148-149.
【通聯编辑：朱宝贵】
关键词：无人车;模块化;多用途
中图分类号：TP3 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2021）27-0105-02
自动驾驶汽车又称无人驾驶汽车、电脑驾驶汽车等，是一种通过电脑系统实现无人驾驶的智能汽车。根据发改委等部门发布的《智能汽车创新发展战略》，到2025年，中国将实现有条件自动驾驶的智能汽车达到規模化生产，实现高度自动驾驶的智能汽车在特定环境下市场化应用。自动驾驶技术的研发和落地，不仅将带来汽车行业及相关产业链体系的重塑，也会给人们创造更加安全和舒适的出行方式，减少驾驶压力，提高安全性，避免拥堵并降低污染[1]。因目前法律法规对自动驾驶无人车在开放道路行驶的制度还不完善，所以无人车将率先在封闭或半封闭的环境下得到应用。
目前我国自动驾驶技术逐渐成熟，利用多种车载传感器（如激光雷达、毫米波雷达、超声波传感器、GPS、摄像头等）感知车辆周围环境，通过控制系统对车辆实时路况进行动态路径规划，实现车辆自动、安全、可靠的行驶。因自动驾驶车辆上需要安装多种传感器且单价相对较高，导致无人车单个车辆成本居高不下，且后期保养维修费用昂贵，这也成为限制自动驾驶无人车商业化量产的主要原因，所以怎样可以降低自动驾驶无人车辆研发和保养维修成本，提高无人车安全性成为继续解决的问题[4-5]。
1 设计思路
无人车整体采用模块化设计，可自由更换功能模块，不同的功能模块可形成不同的无人驾驶智能车，扩大了无人智能车应用场景，大幅增加了产品的使用率。通过“共本体，多附体”的设计原则，实现主体车身公用，最大化地利用传感器配套设备，方便自动驾驶系统测试和传感器调试;整车零部件选用模块化安装固定，单个模块出现问题可直接拆除更换，不影响其他模块运行，很大程度上节省开发成本和后期运营维护成本。车头和车尾都设置有防碰撞模块，车辆发生碰撞时车辆会立刻触发急停措施，防护车辆自身车壳和传感器设备，同时也保护道路中的车辆、行人和基础设施安全。
2 系统结构
模块化多用途智能无人车平台由主体车身和功能区组成，主体车身包括上装模块和底盘模块，上装模块由上装外壳、上装自动驾驶传感器组、显示模块、预警模块、交互模块组成;底盘模块由底盘外壳、底盘自动驾驶传感器组、防护模块、底盘车架、控制模块、电池模块、车轮模块组成。功能区由快递柜模块、售卖机模块、配送柜模块组成。
2.1主体车身
上装模块由上装外壳、上装自动驾驶传感器组、显示模块、预警模块、交互模块组成。上装自动驾驶传感器组包括GPS组合惯导和双目摄像头，GPS组合惯导安装在车顶中轴线上，固定在上装外壳骨架上;双目摄像头安装在车头上部，通过角度旋转支架固定在上装外壳骨架上。显示模块由前后LED屏和LED控制器组成，分别固定在上装外壳骨架上;交互模块由触摸屏和语音模块组成，触摸屏在车辆右侧中间上部，并固定在上装外壳骨架上;语音模块安装在触摸屏下方位置，语音模块包括语音控制板和语音喇叭。预警模块由360°环视摄像头和预警灯组成，360°环视摄像头通过安装支架固定在车顶中间位置，预警灯安装在360°环视摄像头固定支架下方与车顶外壳固定连接;上装外壳同显示模块、交互模块、预警模块的固定连接都可拆解，可对各个模块单独拆解更换。
底盘模块分别有底盘外壳、灯组模块、底盘自动驾驶传感器组、底盘车架、骨架模块、控制模块、电池模块、车轮模块、防护模块。控制模块包括控制模块盒、控制盒导轨、中央控制器、整车控制器、DCDC、电机控制器、开关控制盒、稳压器、逆变器、升压器、继电器组成。整车控制器分别和中央控制器、DCDC、开关控制盒、稳压器、逆变器、升压器、继电器电性连接，电机控制器和逆变器电性连接;电池模块包括电池组、BMS系统和电池导轨，电池组固定在电池导轨上，电池导轨安装在底盘车架上，电池组和BMS系统电性连接，BMS系统和整车控制器电性连接。灯组模块包括前向大灯、左右转向灯、刹车灯，行车灯，灯组模块分别和稳压器电性连接。底盘自动驾驶传感器组包括12通道超声波、前视毫米波雷达和后对角毫米波雷达。
2.2功能区
功能区为主体车身的预留功能区，包括：快递柜模块、售卖机模块、配送柜模块，并都可安装到功能区中，并和主体车身卡扣式固定;快递柜模块由快递柜体和快递柜体控制器组成;售卖机模块由售卖机体、售卖机体控制器、压缩机、取货箱组成;配送柜模块由配送柜体和配送柜控制器组成。车辆可通过手机App进行预约，预约车辆在特定时间段到达指定地点;并可同无人车相应功能区进行智能交互，比如快递柜模块中可通过扫描二维码或输入寄/取件码打开快递柜;售卖机模块中可通过招手动作实现车辆停止，语音选择特定商品进行移动支付（二维码或支付宝人脸识别支付）;配送柜模块中可进行语音交互和身份识别。
3 系统实现
3.1自动驾驶系统
自动驾驶系统是实现车辆无人驾驶的基础，基于linux系统研发具备完全自主知识产权的自动驾驶系统，本平台即搭载此系统开展一系列的算法研究及验证工作。
3.2核心控制技术
多传感器信息融合感知算法：主要解决障碍物检测准确度低、误识别、误检测率过高问题。本平台运用多传感器的时间同步与联合标定算法，多传感器数据融合算法，多传感器融合目标追踪与预测算法。实现车辆环境感知系统功能，稳定识别跟踪目标物，并输出目标物的相关物理信息，主要包括识别、分类、关联以及轨迹估计等过程。通过融合感知消除不同传感器数据之间的冗余，通过数据互补，增强系统的鲁棒性，提高无人车辆环境感知系统数据的可靠性，从而降低整车控制器决策风险[2-3]。 多传感器融合定位算法：主要解决单车无卫星导航信号状态下的无人驾驶状态保持和路径规划问题和编队前后车辆定位算法。本平台利用低精度低成本GPS/IMU系统，在激光SLAM的研究基础上，进行激光SLAM与GPS/IMU融合定位算法开发，提高车辆定位的稳定性和精确性;通过训练场景信息与高精度地图融合，进而构建实时动态的高精度地图。
路径规划算法：主要分为全局路径规划和局部路径规划;全局路径规划为在已知起点和终点的前提下，算法根据车辆定位信息和静态地图信息采用 A*算法规划出在高精度地图中快速寻求最短并且最优的行驶路径。
3.3云平台
无人车综合服务平台主要多无人车位置实时监测、二维地图的建模、车辆本身性能与状况的监控、传感器性能与状态的监控、交通道路的路径规划集成、城市建筑物坐标的标记、车辆位置偏移修正、实时动态与静点监控视频的显示、数据历史回放，点选、筛选、圈选查询等。本无人车云平台功能包括：登录模块、首页模块、智能运营和系统管理。用户可在登录模块中通过账号和密码进入;首页模块分为导航菜单栏、车辆周运营数据、入网车辆实时监控、车来那个情况、异常情况。智能运营包含车辆信息和车辆控制两个部分，车辆信息中可查询单车信息、运营信息、轨迹回放，车辆控制可对无人车进行远程控制包含：车辆状态信息、控制模式、按键控制、车辆路径和监控视频等;系统管理设置车辆管理、园区管理、路径管理、用户管理、日志管理、角色管理，通过车辆管理增加园区内运行车辆;通过园区管理增加园区;路径管理增加园区内路径，通过用户管理，为企业用户账号分配角色，匹配各模块权限;日志管理可查看车辆运行的异常记录和登录用户的操作日志;通过角色管理控制用户角色权限。
3.4安全保障体系
本无人车在安全保障体系设置四道防护措施，包括车身按钮、远程遥控、遥控急停和车身防碰撞保险杠。车身按钮为车身左右各设置两个红色急停按钮，车辆出现异常或启停紧急情况时，可通过紧急按钮实现车辆的制动停止。远程遥控是在驾驶模拟器模式下，可以通过监控室的驾驶模拟器设备控制车辆实现前进后退等驾驶行为，帮助车辆脱离危险场景。遥控急停是车辆底盘配备的远程遥控器，遥控距离为200m，遥控器可自由切换自动驾驶和手动驾驶两种模式，切换为手动驾驶模式后可通过遥控器急停。车身防碰撞保险杠是当车辆行驶过程中保险杠接触到障碍物时，会触发保险杠最前端压感模块，车辆会进行双闪提醒，当保险杠受到强烈撞击时，障碍物挤压保险杠弹簧，弹簧末端设计装置触发紧急制动。
4 总结和展望
本文中的模块化多用途无人车设计方案不仅节省了单车研发成本、实车测试成本和运营维护成本，通过“共本体，多附体”的设计，可实现多个无人功能车的自由切换，最大化地利用传感器设备，操作方便快捷;无人车搭载自研的自动驾驶系统平台，对核心控制技术进行技术测试验证，针对测试中发现的问题进行不断算法优化，使自动驾驶系统不断迭代升级;车辆设置四道安全保障体系，很大程度上消除了人们对无人驾驶车辆在行驶过程中安全方面的担忧。本设计方案的实现可加速推动自动驾驶无人车在商业方面应用，同时低成本化的量产应用。
参考文献：
[1] 洪麟.无人驾驶汽车交通事故法律责任探析[J].山东青年政治学院学报，2021，37（S1）：134-138.
[2] 黄志强，李军.无人驾驶汽车环境感知技术研究[J].装备机械，2021（1）：1-6.
[3] 白国星，孟宇，刘立，等.无人驾驶车辆路径跟踪控制研究现状[J].工程科学学报，2021，43（4）：475-485.
[4] 洪伟权，谭华，张海涛.国内外自动驾驶发展态势[J].通信企业管理，2021（3）：54-57.
[5] 魏浩冉.无人驾驶汽车的瓶颈问题及创新优化[J].科技与创新，2021（3）：148-149.
【通聯编辑：朱宝贵】