内容简介
本书从网联协同的角度出发, 结合具体应用深入探讨了智能网联汽车的C - V2X 网联技术。本书主要内容包括讨论单车智能基本架构并比较优缺点,介绍单车在传感器融合、场景感知与定位、决策与运动规划中的现状与不足, 指出智能网联汽车对于解决这些问题的重要意义; 介绍网联协同驾驶的基本概念, 以及多种安全理论与多源信息融合理论; 详细分析智能网联汽车的协同感知, 结合实际案例探讨了协同感知的基本架构、协同机制以及不同级别的数据融合策略; 深入介绍了智能网联汽车的协同定位技术, 包括系统模型、理论分析、协同定位算法与实验结果分析; 讨论了智能网联汽车在信息共享、共识寻求和系统协作条件下的协同决策与规划技术, 以及这些技术在不同交通场景下的应用和挑战; 详细介绍了智能网联汽车中的C- V2X 通信技术, 包括通信类型、单天线到多天线系统的演进, 以及国内外V2X 标准研究进展; 介绍了智能网联汽车车辆通信信道模型的建立, 并在各种场景条件下进行分析; 介绍了感知辅助的V2X 通信技术, 包括后向回波和多径回波的感知辅助通信方法,以及这些方法在仿真环境中的表现。
本书的读者对象主要是对智能网联技术感兴趣的学生、科研人员、工程师以及相关从业者。
目录
前 言
第1 章
单车智能
介绍
1.1 自动驾驶系统架构/ 001
1.1.1 模块化架构/ 002
1.1.2 端到端架构/ 003
1.1.3 两种架构的比较/ 004
1.2 传感系统与融合/ 006
1.2.1 传感系统/ 006
1.2.2 多传感器融合/ 008
1.3 场景感知与定位/ 010
1.3.1 目标检测/ 010
1.3.2 语义分割/ 015
1.3.3 目标跟踪/ 018
1.3.4 轨迹预测/ 020
1.3.5 占用栅格预测/ 022
1.3.6 开放词汇感知/ 024
1.3.7 定位与建图/ 026
1.4 决策与运动规划/ 028
1.4.1 决策方法/ 029
1.4.2 规划方法/ 032
1.4.3 端到端规划方法/ 034
第2 章
网联协同
驾驶
2.1 运行设计域简介/ 039
2.2 基于物理原理的分析方法/ 041
2.3 网联协同驾驶与安全理论/ 042
2.3.1 预期功能安全理论/ 043
2.3.2 具有可预见性和可防止性的安全方法/ 044
2.4 多源信息融合理论/ 044
2.5 协方差交叉融合方法/ 046
2.5.1 相关程度已知的最优融合/ 047
2.5.2 相关程度未知的最优融合/ 048
第3 章
网联协同
感知
3.1 从单车智能感知到协同感知/ 051
3.2 协同感知基本架构/ 053
3.2.1 V2X 协同感知架构/ 053
3.2.2 协同机制/ 056
3.2.3 数据级融合/ 056
3.2.4 特征级融合/ 056
3.2.5 目标级融合/ 058
3.3 典型应用:车路云协同感知/ 059
3.3.1 背景需求/ 059
3.3.2 基础应用: 信号灯状态感知/ 060
3.3.3 高阶应用: 智慧路口/ 060
3.4 协同感知关键挑战/ 063
3.4.1 V2X 通信问题/ 063
3.4.2 标准化问题/ 066
3.4.3 时空异步问题/ 067
第4 章
协同定位
4.1 研究背景/ 071
4.1.1 协作定位技术/ 071
4.1.2 车联网定位技术/ 073
4.2 系统模型/ 077
4.2.1 协同定位系统建模/ 078
4.2.2 定位指标与函数性质/ 079
4.3 理论分析/ 080
4.3.1 相对误差的线性子空间近似/ 081
4.3.2 相对定位的性能极限/ 083
4.4 协同定位算法/ 084
4.4.1 空间协作相对定位/ 084
4.4.2 空时协作与多源融合定位/ 090
4.5 实验结果分析/ 095
4.5.1 空间协作相对定位仿真分析/ 095
4.5.2 空时协作与多源融合定位仿真分析/ 098
4.5.3 协同平台实测结果/ 100
4.6 本章小结/ 102
第5 章
协同决策与
规划
5.1 背景介绍/ 103
5.1.1 协同驾驶对车辆安全的意义/ 103
5.1.2 车辆智能网联技术简介/ 103
5.2 信息共享条件下决策规划技术/ 104
5.2.1 研究领域简介/ 104
5.2.2 状态共享阶段技术研究现状/ 105
5.2.3 意图共享阶段技术研究现状/ 107
5.2.4 相关决策规划方法评价方式汇总/ 108
5.2.5 信息共享决策规划实车验证与应用/ 109
5.2.6 小结/ 111
5.3 共识寻求条件下决策规划技术/ 111
5.3.1 研究领域简介/ 111
5.3.2 通信机制设计/ 112
5.3.3 多车共识形式/ 113
5.3.4 共识寻求决策规划方法示范项目简介/ 114
5.3.5 小结/ 114
5.4 系统协作条件下决策规划技术/ 115
5.4.1 研究领域简介/ 115
5.4.2 换道与汇入场景协同决策规划方法/ 116
5.4.3 路口场景协同决策规划方法/ 119
5.4.4 小结/ 121
5.5 本章小结/ 121
第6 章
V2X 通信
与标准研究
进展
6.1 C - V2X 通信技术/ 124
6.1.1 通信类型: 广播、组播和单播/ 125
6.1.2 单天线到多天线系统/ 126
6.2 国内外标准研究进展/ 127
6.3 V2X 消息集定义/ 128
6.4 V2X 协议栈网络层设计及应用层开发/ 130
第7 章
车辆通信信
道模型
7.1 背景介绍/ 133
前言/序言
汽车产业的发展与不断重塑是人类工业化进程和社会进步的缩影。如今,在新一轮科技革命的背景下, 汽车产业站在了诸多技术变革的交汇点, 涉及移动通信、人工智能、云计算等诸多新一代电子信息技术, 全球汽车产业正在发生深刻变革, 成为培育新质生产力的重要引擎。与此同时, 中国汽车产业从无到有、由弱到强, 在当下智能化、网联化、电动化、共享化的新四化趋势下,中国汽车产业主动拥抱转型升级, 抓住产业发展与技术升级的历史机遇, 中国正在成为汽车产业新一轮重塑的主阵地。
随着智能网联技术的迅猛发展, 智能网联汽车在新一轮的产业变革中为汽车产业带来了新的发展机遇, 也代表着汽车产业的前沿发展方向, 智能网联汽车是诸多新兴技术融合创新的重要载体, 也是智能汽车发展到新阶段的完整体现。传统的智能汽车是通过自动驾驶等智能化技术, 通过传感器等各项装置实现对人类驾驶行为的部分或完全替代, 但其仍然局限在自身范围内, 而智能网联汽车能够在行驶的过程中, 实现车和车、车和基础设施、车和云平台, 以及车和其他移动端的联网, 最终形成涵盖各个交通要素的密集网络, 能够实现各要素之间信息的快速传输。智能网联汽车从安全、高效、节能、环保等多个角度为解决社会广泛关注的问题提供了创新解决方案, 如保证交通安全、处理交通事故、防止道路拥堵、减少环境污染等。此外, 智能网联汽车能够进一步促进实现产业融合升级, 拓展传统汽车生态, 孵化新兴商业模式, 变革未来出行方式, 对社会发展产生深远影响。
在汽车产业发展变革的浪潮中, 智能网联汽车从概念走向实际应用的过程中将面临诸多的科学问题与关键挑战, 例如人- 车- 路复杂交互下的交通场景、通信中断与延迟、智能网联汽车与普通车辆混行、恶劣天气影响、复杂道路条件等都为智能网联技术的进一步发展提出了一系列亟待解决的难题。其中一部分是智能汽车本身面临的问题, 还有很大一部分是智能网联技术发展带来的新问题, 由于智能网联技术发展迅猛, 这些问题往往跨学科且更综合、更复杂。当下, 只有对智能网联汽车有了更加全面、细致的认知, 才能够从容面对各式各样的新问题进而将其解决。
本书从网联协同的角度切入, 具象化地从网联协同在车辆各个层级的具体应用出发, 由浅入深地针对什么是车联网、智能网联汽车为什么需要网联协同、如何进行网联协同以及网联协同的未来发展方向等核心问题进行阐述与解答,旨在帮助读者较为清晰地快速把握智能网联汽车整体脉络与主要的技术原理。
第1 章从单车智能出发, 在对单车智能架构与相关技术的梳理总结过程中,逐渐引出单车智能的局限性, 突出由单车智能向智能网联汽车发展的必要性。第2 章对智能网联汽车的网联协同驾驶进行概述, 从自动驾驶的安全理论出发对网联协同理论支撑进行详细介绍。第3 ~5 章分别从感知、定位、决策与规划三个方面结合实际例子对网联协同在其中的主要应用方式进行详细介绍, 对当前网联协同在其中起到的作用进行定性与定量分析, 突出协同在驾驶各层级中的显著效果。第6 章进一步对C - V2X 通信技术与标准的研究进展进行介绍,结合前文提到的协同驾驶的应用对C- V2X 车联网消息集的定义与具体内容进行梳理, 并对车联网的通信机制进行总结。第7、8 章分别介绍前沿的车辆通信信道模型与感知辅助下的车联网通信方法, 其中包括细致的理论推导与详实的实验分析。在本书写作过程中, 谢腾辉、罗悦晨、宋致应、张海梁、施笑寒、赵永康做了大量的资料收集整理和校对工作, 在此对他们的辛勤工作表示衷心的感谢! 清华大学车辆与运载学院李骏院士一直鼓励和支持本书的编写, 并提出了许多有价值的修改意见, 我们对此深表感谢。同时也向所有关心本书出版的各位专家学者表示感谢。
智能网联技术如今仍然处于研究探索阶段, 还需要不断深入完善, 由于作者研究水平与涉猎范围有限, 难以在本书中将所有技术问题完全涵盖, 书中难免存在不足之处, 敬请各位学者、专家批评指正, 一同拓展技术边界、推动智能网联汽车进一步发展完善。