孫宇 朱飛

摘 要：本文檔是無人駕駛試驗(yàn)樣車硬件改裝方案，是基于無人駕駛軟硬件系統(tǒng)需求進(jìn)行開發(fā)的，包括關(guān)鍵傳感器選型、硬件系統(tǒng)構(gòu)成、及對(duì)設(shè)備布局和安裝提出的要求。本方案為無人駕駛試驗(yàn)樣車的傳感器和相關(guān)硬件設(shè)備的物料采購(gòu)提供參考，以及對(duì)設(shè)備電氣安裝提供指導(dǎo)，從而為系統(tǒng)軟件開發(fā)提供硬件平臺(tái)支撐。

關(guān)鍵詞：硬件方案;系統(tǒng)改裝

1 無人駕駛試驗(yàn)樣車硬件方案

1.1硬件模塊分類

根據(jù)無人駕駛軟件系統(tǒng)架構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)（包括感知模塊、定位模塊、預(yù)測(cè)模塊、規(guī)劃模塊、控制模塊等），硬件系統(tǒng)中需要選用實(shí)現(xiàn)不同功能的硬件產(chǎn)品、組件或設(shè)備，來分別對(duì)應(yīng)各個(gè)軟件模塊的應(yīng)用。

1.2硬件組件和設(shè)備選型

1.2.1計(jì)算平臺(tái)

高性能的工業(yè)級(jí)PC（IPC）負(fù)責(zé)在無人駕駛開發(fā)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)融合、車輛控制和網(wǎng)絡(luò)訪問。系統(tǒng)性能和接口數(shù)量是首要考慮因素，包括較高的系統(tǒng)主頻、豐富的I/O接口類型;其次，為了滿足潛在的硬件資源開銷的持續(xù)增長(zhǎng)，必須具備接口可擴(kuò)展性;此外，顯卡規(guī)格、存儲(chǔ)、電源、軟件支持、尺寸、重量和使用環(huán)境等方面也被充分考量在內(nèi)。

1.2.2激光雷達(dá)

相較于攝像頭等傳感器，激光雷達(dá)不但能夠生成三維位置模型，而且它的探測(cè)距離更遠(yuǎn)、測(cè)量精度更高，同時(shí)響應(yīng)速度也更靈敏，不受環(huán)境光的影響。其最大的特點(diǎn)即在于可以生成三維的位置信息，能快速確定物體的位置、大小、外部形貌，同時(shí)獲得數(shù)據(jù)并生成精確的數(shù)字模型。

1.2.3毫米波雷達(dá)

性能良好的77GHz雷達(dá)的最大檢測(cè)距離可以達(dá)到200米以上，可被安裝在前保險(xiǎn)杠上，正對(duì)汽車的行駛方向。其能夠用于實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)、高速公路跟車等功能;同時(shí)也能滿足自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，對(duì)障礙物距離、速度和角度的測(cè)量需求。

1.2.4攝像頭

本硬件改裝方案配備3組共5個(gè)攝像頭，其中前視攝像頭由1個(gè)短焦和1個(gè)中焦攝像頭組成其主要功能如下：

（1）車道線：可識(shí)別道線種類，如虛線、實(shí)線、反光點(diǎn)，雙線，馬路牙等。車道保持/偏離警告及輔助;

（2）車輛：可識(shí)別前方車輛、摩托車、自行車等，同時(shí)識(shí)別出車輛的距離、相對(duì)速度等關(guān)鍵參數(shù);

（3）行人：可識(shí)別前方多個(gè)行人目標(biāo)，包括迎面、側(cè)面、背面、四季不同衣著、舉著雨傘等，并給出行人目標(biāo)距離以及預(yù)計(jì)碰撞時(shí)間盲點(diǎn)監(jiān)測(cè);

（4）會(huì)車燈光：可以識(shí)別會(huì)車前大燈，并給出目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，以及智能前大燈應(yīng)避免的晃眼區(qū)域;

（5）交通標(biāo)志：可以識(shí)別多種交通標(biāo)志，包括主標(biāo)志和主標(biāo)志下方的輔助標(biāo)識(shí)?？梢越o出交通標(biāo)志的位置以及含義信息。

1.3硬件網(wǎng)關(guān)/交換機(jī)

本試驗(yàn)樣車硬件改裝方案采用了禾多科技公司的三款硬件網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，產(chǎn)品外觀如圖2-9。硬件網(wǎng)關(guān)除了以嵌入式系統(tǒng)的形式在計(jì)算平臺(tái)與傳感器或外設(shè)之間建立物理鏈接外，也將接收到的傳感器或外設(shè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新打包（或稱為協(xié)議轉(zhuǎn)換），以適應(yīng)無人駕駛軟硬件系統(tǒng)的需求。該系統(tǒng)同樣使用GNSS接收器的秒脈沖（PPS）和GPRMC信號(hào)實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)和激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)收集同步。

本試驗(yàn)樣車硬件改裝方案采用了KeepLINK公司的工業(yè)級(jí)千兆以太網(wǎng)交換機(jī)。千兆以太網(wǎng)交換機(jī)為數(shù)據(jù)幀從一個(gè)端口到另一個(gè)任意端口的轉(zhuǎn)發(fā)提供了低時(shí)延、低開銷的通路。

1.3.1 車身線控及硬線接口

CAN卡和IPC的通訊通過PCI Express接口。IPC通過CAN卡發(fā)送車輛控制指令，該指令基于區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議（CAN協(xié)議），

橫向控制：方向盤可按發(fā)出的目標(biāo)角速度達(dá)到目標(biāo)角度，踩下剎車及方向盤受外力干預(yù)時(shí)可退出控制。

縱向控制：在加速度控制模式下，車輛可按發(fā)出的目標(biāo)加速度實(shí)現(xiàn)加、減速功能;在速度控制模式下，車輛可根據(jù)目標(biāo)速度進(jìn)行加、減速并最終穩(wěn)定在目標(biāo)速度（ 0-60km/h），速度誤差小于2km/h。在踩下剎車、油門踏板以及橫向控制激活時(shí)干預(yù)方向盤會(huì)退出縱向控制。

檔位控制：當(dāng)車速為0，剎車踏板踩下，可實(shí)現(xiàn)檔位之間的切換，切擋后會(huì)自動(dòng)拉起EPB。

1.4硬件系統(tǒng)改裝說明

1.4.1硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

感知模塊5個(gè)攝像頭的算力布局在工控機(jī)A上;

線控模塊通過工控機(jī)A上的CAN卡與車端通訊;

激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)通過千兆以太網(wǎng)交換機(jī)將UDP數(shù)據(jù)包傳輸給工控機(jī)A或工控機(jī)B;

1.4.2電源分發(fā)控制和整體功耗估算

電源分發(fā)控制設(shè)備其具有如下特點(diǎn);

1）每組設(shè)備單獨(dú)供電;

2）每路電源的通斷是單獨(dú)可控的;

3）支持一鍵開啟和關(guān)閉;

4）電壓支持車載12V，單路電流輸出能力為不超過20A。

1.4.3數(shù)據(jù)源

NovAtel 接收機(jī)通過 GPS 天線得到當(dāng)前最新時(shí)間戳，然后通過每秒鐘觸發(fā)一次的PPS信號(hào)和時(shí)間戳GPRMC Tx信號(hào)將同步信息發(fā)送給其他設(shè)備。

1.4.4? VLP激光雷達(dá)同步

VLP 自帶的 Interface Box 中有 PPS 和 GPRMC Rx 輸入端口，直接將 Novatel的PPS和GPRMC Tx通過線束連接至相應(yīng)引腳即完成VLP激光雷達(dá)的同步。

1.4.5 毫米波雷達(dá)同步

禾多 GWB 接收 Novatel PPS 和 GPRMC 信息并作處理，生成時(shí)間戳數(shù)據(jù)。同時(shí)通過 CAN 總線接收毫米波雷達(dá)信息，將時(shí)間戳信息賦值給每一幀收到的毫米波雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果，再通過 ETH 將帶有時(shí)間戳的檢測(cè)結(jié)果上傳給工控機(jī)，即完成毫米波雷達(dá)的同步。

2 總結(jié)

無人駕駛產(chǎn)業(yè)的發(fā)展目前仍處于探索階段，離普及應(yīng)用還有一定的距離，眾多問題亟待解決，但隨著科技的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)安全性能的提高，無人駕駛在不久的將來，即便不會(huì)完全取代人的主導(dǎo)地位，也至少會(huì)使日常出行變得更加方便智能。無人駕駛試驗(yàn)樣車硬件改裝只是完成了整個(gè)無人駕駛系統(tǒng)開發(fā)工作的其中一步，前期基于現(xiàn)有的平臺(tái)化方案，開發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)算法;中期根據(jù)試驗(yàn)車的調(diào)測(cè)數(shù)據(jù)和傳感器需求重新評(píng)估，利用硬件平臺(tái)模塊化設(shè)計(jì)所有的算力和傳感器可擴(kuò)展能力，優(yōu)化算法并確定算力需求;后期隨著處理器設(shè)計(jì)門檻的降低和對(duì)無人駕駛算法協(xié)同進(jìn)化要求的提高，采用SoC芯片來完成最終可量產(chǎn)的高級(jí)別無人駕駛硬件系統(tǒng)。

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