自動駕駛技術有可能改變道路通行規(guī)則和我們如今的駕駛方式。它會帶來許多好處，包括改善安全性，減少交通擁堵，減輕乘客的壓力，促進社會包容，減少排放以及由于私人和公共交通的最佳結合而改善道路利用率。
在過去的十年中，車輛自動化吸引了公眾、政府、科學界和全世界各行各業(yè)相當大的關注，這主要是由駕駛員輔助和主動安全技術的發(fā)展推動的。今天售出的許多汽車已經具有一定程度的自動化能力，而更高自動化的原型車在公共道路上不斷進行測試，尤其是在美國、歐洲和日本。自動駕駛技術已迅速進入市場，預計未來幾年內，其部署將加速增長。實際上，全自動駕駛（SAE L5）所需的大多數核心技術現在都已可用，許多已經成熟，有些已經在商用車中使用。
在過去的三年中，許多國家提出了行動和創(chuàng)新計劃，以促進自動化車輛的開發(fā)和逐步引入。這些計劃涵蓋了需要考慮的許多技術和非技術方面的行動。特別是由于超過90%的碰撞都涉及人為錯誤，因此道路安全有望通過車輛自動化得到實質性改善。但是，在大多數情況下駕駛自動駕駛車輛都不會發(fā)生碰撞。自動駕駛車輛的最終安全性測試必須確保它們能夠很好地達到人類駕駛員的無碰撞性能，尤其是在局部的和有條件的自動化混合交通中。
為了向自動駕駛汽車的重要市場滲透邁進，必須考慮不同的技術配置。大多數狀態(tài)良好的車輛及其原型都依賴于車載傳感器平臺，幾乎不需要數字基礎設施通信，而車輛與基礎設施之間更多的連接被認為是有益的。這需要開發(fā)通用的通信協(xié)議和加密的安全標準，并投資于新型基礎架構或升級現有基礎架構。盡管如此，這兩種模型在任何時間、任何天氣條件下以及任何交通情況下，都需要準確的數字信號表示環(huán)境。
除技術問題外，政府還必須延遲幾個加快自動駕駛汽車引進的行動項目，以確保完全符合公眾對法律責任、安全和隱私的期望，必須建立法律框架，以消除責任陷阱，鼓勵測試區(qū)域，審查長期的基礎設施投資，提供開放通道，最終建立汽車間通信的法律框架。
富有挑戰(zhàn)性的技術問題仍然有待解決，世界各地為推動這項令人興奮的技術不斷發(fā)展而做出的不懈努力激發(fā)了本書的創(chuàng)作。為了對發(fā)展狀況有一個全面的看法，編輯邀請了來自不同利益相關方的作者，這些利益相關方包括公共機構、汽車制造商、供應商和研究型組織。本書對自動駕駛的實踐狀態(tài)和技術水平進行了廣泛的回顧，并展望了未來的趨勢。本書涵蓋了控制工程的重要性，環(huán)境感測和感知的最新進展，車載架構和可靠的功率計算以及自動駕駛中的主動和功能安全性。此外，我們非常重視自動駕駛功能的驗證和測試。本書還總結了相關的工業(yè)驅動研究項目和工業(yè)計劃。
我們堅信，本書概述了該領域目前出現的技術挑戰(zhàn)，并對工業(yè)需求提供了深刻的見解。我們希望讀者能從技術文章、精選的項目摘要以及關于各國/歐洲計劃的介紹中獲得啟發(fā)。
最后，我們要對所有使本書得以出版的作者和合著者表示衷心的感謝。我們感謝Springer的Silvia Schilgerius的專業(yè)精神和支持。
序
前言
第一部分綜述
第1章自動駕駛簡介3
1.1簡介3
1.2自動駕駛級別3
1.3自動駕駛的構建模塊:關鍵技術5
1.4實現自動駕駛:研究的挑戰(zhàn)7
1.4.1論證安全性、可靠性和魯棒性9
1.4.2安全與隱私論述10
1.4.3功耗計算可靠度10
1.4.4人為因素(SAE等級L3/4)10
1.4.5環(huán)境建模與感知11
1.4.6車輛控制與驅動11
1.4.7數字基礎設施12
1.5結論12
參考文獻13
第2章自動駕駛汽車的隱私和安全14
2.1專業(yè)術語的介紹和定義14
2.2自動駕駛原則15
2.2.1技術原則15
2.2.2數據原則16
2.3當前的現狀16
2.4未來對自動駕駛的期望17
2.5建立社會信任18
2.6對行業(yè)的影響19
2.7下一步20
2.8結論21
第3章從技術標準的角度進行自動駕駛22
3.1介紹22
3.2標準制定組織22
3.3不同標準的自動化水平23
3.4車輛系統(tǒng)和環(huán)境標準化24
3.4.1車輛相關標準24
3.4.2通信相關標準25
3.5自動化和未來標準化的路線圖29
參考文獻29第二部分自動駕駛控制的重要性
第4章高速公路自動駕駛控制方案綜述33
4.1引言33
4.1.1問題陳述34
4.1.2軌跡生成35
4.1.3控制概念37
4.1.4劃分問題40
4.2模糊控制41
4.3線性狀態(tài)反饋控制42
4.4滑�？刂�42
4.5模型預測控制43
4.6其他概念44
4.7無人車輛的控制方案46
4.8控制方法的比較47
4.9展望49
參考文獻50
目錄●●●●自動駕駛——未來更安全、更高效的汽車技術解決方案第5章自動駕駛的路徑跟蹤:關于
控制系統(tǒng)規(guī)劃和正在進行的研究的指導55
5.1引言62
5.2基于幾何和運動學關系的方法63
5.2.1純跟隨方法63
5.2.2斯坦利方法63
5.2.3基于車輛運動學的鏈式控制器64
5.3基于常規(guī)反饋控制器和簡化車輛動力學模型的方法66
5.3.1簡單反饋公式66
5.3.2線性二次型調節(jié)器74
5.4用于路徑跟蹤和注釋的其他控制結構79
5.4.1滑�？刂破�79
5.4.2其他控制結構83
5.4.3綜述84
5.5路徑跟蹤控制的最新進展85
5.5.1用于極限轉彎的高級前饋和反饋控制器85
5.5.2模型預測控制91
5.6結論104
參考文獻106
第6章車輛自主駕駛控制中車輛參考車道的計算110
6.1引言110
6.2車輛車道保持邊界和要求111
6.3車輛駕駛狀況分析113
6.4基于模型的參考車道計算方法115
6.5功能體系結構概述119
6.6駕駛情況和模塊性能示例121
6.7結論122
參考文獻123第三部分環(huán)境感知、傳感器融合和感知的進展
第7章多傳感器環(huán)境感知在自動駕駛中的作用127
7.1簡介127
7.2實踐狀況129
7.2.1動態(tài)環(huán)境129
7.2.2占用網格映射的靜態(tài)環(huán)境134
7.3數據融合的挑戰(zhàn)134
7.3.1傳感器表征134
7.3.2擴展對象136
7.3.3跟蹤初始化137
7.3.4異步傳感器和無序處理137
7.4實現工作流程和感知范例138
7.4.1感知軟件的設計范例138
7.4.2用于測試和驗證的軟件環(huán)境140
7.5結論141
參考文獻142
第8章基于伽利略的高級駕駛輔助
系統(tǒng)：關鍵部件和開發(fā)143
8.1簡介143
8.2測試環(huán)境：Aldenhoven測試中心和automotiveGATE143
8.3基于伽利略的傳感器融合144
8.3.1GNSS特性145
8.3.2傳感器融合145
8.3.3卡爾曼濾波器及擴展卡爾曼濾波器146
8.3.4示例：簡單的2D案例147
8.3.5示例：3D案例149
8.4應用實例150
8.4.1應用1：協(xié)同自適應巡航控制150
8.4.2兩輛車之間距離的確定150
8.4.3距離控制器的設計152
8.4.4實驗結果152
8.4.5應用2：碰撞避免系統(tǒng)153
8.5結論155
致謝155
參考文獻156
第9章駕駛輔助系統(tǒng)和自動駕駛的數字地圖157
9.1簡介157
9.2基于本體的情境理解159
9.2.1本體159
9.2.2情境理解160
9.2.3基于本體的情境理解框架163
9.2.4實施和實驗評估169
9.2.5討論175
9.3地圖錯誤檢測176
9.3.1定義176
9.3.2問題177
9.3.3趨勢測試180
9.3.4討論187
9.4結論188
參考文獻189
第10章車載雷達191
10.1簡介191
10.2前向雷達（FLR）193
10.3盲點探測雷達195
10.4早期系統(tǒng)和實驗結果198
10.5發(fā)展趨勢201
10.6未來方向202
參考文獻204第四部分 車載架構和可靠的電力計算
第11章自動駕駛的系統(tǒng)架構和安全要求207
11.1面向自動駕駛207
11.1.1交通堵塞輔助208
11.1.2高速公路輔助208
11.2系統(tǒng)結構208
11.2.1環(huán)繞傳感器209
11.2.2感知210
11.2.3定位211
11.2.4決策211
11.3功能安全的概念212
11.4技術安全的概念215
11.5自動駕駛功能對車載網絡的要求215
11.5.1電源要求215
11.5.2通信網絡的要求216
11.6要求的意義216
11.7安全架構解決方案218
11.8結論219
參考文獻220
第12章先進自動駕駛系統(tǒng)設計222
12.1目的222
12.2最先進的技術222
12.2.1當前嵌入式系統(tǒng)設計概述222
12.2.2自動駕駛的硬件/軟件協(xié)同設計面臨的挑戰(zhàn)：案例研究225
12.2.3有效實現自動駕駛的障礙227
12.3有效的未來自動駕駛的概念229
12.3.1彌合異質性的性能差距229
12.3.2縮小利用差距230
12.3.3使用虛擬原型彌合開發(fā)差距233
12.3.4彌合未來平臺的可擴展性差距234
12.4基于現代平臺的汽車系統(tǒng)設計236
12.4.1工具框架236
12.4.2評估238
12.5結論240
致謝240
參考文獻240
第13章智能自動系統(tǒng)的系統(tǒng)工程及系統(tǒng)244
13.1本章重點關注的領域245
13.2研究方法24613.3基本術語和概念247
13.4機器意識的語境248
13.5自動駕駛系統(tǒng)251
13.5.1主要系統(tǒng)組件251
13.5.2參考系統(tǒng)253
13.6系統(tǒng)工程257
13.7技術實施261
13.8討論264
13.8.1整體觀點264
13.8.2自動系統(tǒng)的影響267
13.8.3結束語和展望269
參考文獻270
第14章開放可靠的動力計算
平臺，實現自動駕駛274
14.1簡介274
14.2開放可靠的電力計算平臺的要求276
14.3為何應用合格的開源278
14.4平臺系統(tǒng)的注意事項280
14.5邁向開放可靠計算平臺的步驟281
14.6開源軟件開發(fā)過程282
14.7總結283
參考文獻284第五部分自動駕駛中的主動安全和功能安全
第15章主動安全邁向高度自動駕駛287
15.1引言287
15.1.1自動駕駛的動機287
15.1.2自動駕駛功能的發(fā)展288
15.1.3高度自動駕駛簡介：高速公路288
15.1.4直接安全效益289
15.1.5間接安全效益290
15.2主動安全系統(tǒng)的發(fā)展前景291
15.2.1所需技術：高度自動駕駛291
15.2.2高度自動駕駛和輔助駕駛的區(qū)別292
15.2.3主動安全系統(tǒng)的優(yōu)勢293
15.2.4主動安全系統(tǒng)的開發(fā)過程293
15.2.5未來需求和展望294
15.3對主動安全系統(tǒng)和HAD系統(tǒng)有效性的前瞻性評估295
15.3.1挑戰(zhàn)295
15.3.2模型設計的可變性296
15.3.3效果評價296
15.4結論297
參考文獻297
第16章自動駕駛系統(tǒng)的功能安全：ISO 26262會面臨挑戰(zhàn)嗎？299
16.1引言299
16.1.1從駕駛員輔助到高度自動化駕駛系統(tǒng)300
16.1.2根據ISO 26262的功能安全302
16.2ADS的大挑戰(zhàn)303
16.2.1增加ADS的復雜性304
16.2.2關于ADS可用性和可靠性的嚴格要求305
16.3有關ADS功能安全的挑戰(zhàn)306
16.3.1用于基本駕駛功能的車輛平臺306
16.3.2從ADAS到ADS功能307
16.3.3傳感器和執(zhí)行器的共享307
16.3.4從單核ECU到多核ECU307
16.4概念階段的重要性308
16.4.1項目定義308
16.4.2危害分析與風險評估308
16.4.3ASIL測定及安全目標309
16.4.4功能安全概念310
16.5處理ADS復雜性的支持方法312
16.5.1基于模型的系統(tǒng)工程313
16.5.2基于合同設計的形式化驗證314
16.5.3仿真與協(xié)同仿真315
16.6安全相關主題316
16.6.1安全功能對安全性的影響316
16.6.2ADS的責任317
16.6.3ADS的功能驗證318
16.7結論318
致謝319
參考文獻319第六部分自動駕駛功能的驗證與測試
第17章道路測試在自動駕駛汽車安全驗證中的新作用323
17.1介紹323
17.2安全性驗證的目標323
17.3基于道路試驗的自動駕駛汽車安全驗證面臨的挑戰(zhàn)324
17.4安全驗證新方法面臨的挑戰(zhàn)326
17.4.1安全驗證的新方法326
17.4.2通過道路試驗驗證替代方法327
17.5關于首次引入自動駕駛汽車的遺憾328
17.6統(tǒng)計推動自動系統(tǒng)引入的論證328
17.6.1自動系統(tǒng)的普遍理論329
17.6.2示例：在德國高速公路上引入高度自動駕駛332
17.7結論333
致謝334
參考文獻334
第18章高度自動化安全和安全系統(tǒng)的驗證335
18.1簡介335
18.2自動化車輛的復雜性336
18.3確認挑戰(zhàn)338
18.4驗證概念340
18.5虛擬驗證環(huán)境343
18.6結論346
參考文獻346
第19章測試和驗證自動駕駛的戰(zhàn)術車道變化行為規(guī)劃347
19.1介紹347
19.1.1動機347
19.1.2大綱348
19.2術語——情境和場景348
19.3背景350
19.4將單元測試基于情境的開環(huán)測試和基于場景的閉環(huán)測試集成到V模型中351
19.4.1單元測試352
19.4.2基于情境的開環(huán)測試353
19.4.3基于場景的閉環(huán)測試354
19.4.4真實世界駕駛考試355
19.5案例研究：測試和驗證戰(zhàn)術車道變更行為規(guī)劃356
19.5.1測試項目：車道變更的行為計劃356
19.5.2基于情境的開環(huán)測試357
19.5.3基于場景的閉環(huán)測試358
19.6結論362
參考文獻362
第20章輔助駕駛和自動駕駛的安全性能評價：知識綜合模擬364
20.1引言364
20.1.1輔助駕駛和自動駕駛364
20.1.2開發(fā)中的關鍵過程：ADAS和ADF的評價和優(yōu)化365
20.2總體安全評價366
20.2.1安全性與經濟性366
20.2.2車輛和交通安全性目標的沖突366
20.3基于虛擬實驗的ADAS設計與優(yōu)化368
20.3.1虛擬實驗設計范例368
20.3.2模擬中與安全相關過程的表示368
20.3.3知識合成與其他測試領域的整合369
20.3.4評價行人保護的過程描述371
20.3.5ADAS有效性的仿真372
20.3.6對ADAS有效性的解釋373
20.4自動駕駛功能虛擬評價的新挑戰(zhàn)374
20.4.1自動駕駛功能對交通安全性相關過程的影響374
20.4.2對現有風險場景中安全性的影響374
20.4.3擴大與安全性相關的場景的范圍375
20.4.4自動化驗證和評價的理念和程序方法376
20.5結論和展望378
參考文獻379
第21章從可控性到安全性：駕駛員輔助系統(tǒng)的安全性評估382
21.1簡介382
21.2駕駛員輔助系統(tǒng)的可控性382
21.3安全使用：駕駛員、車輛和環(huán)境的整體考慮384
21.3.1安全使用的系統(tǒng)分析385
21.3.2安全使用參考值388
21.4創(chuàng)建安全使用分析的信息來源390
21.4.1數據收集：文獻綜述391
21.4.2數據收集：問卷調查392
21.4.3數據采集：駕駛模擬器或實車的研究393
21.4.4數據采集：交通的觀測394
21.4.5現場操作試驗396
21.5結論399
參考文獻399第22章測試自動化和高度可配置系統(tǒng)：挑戰(zhàn)與可行的解決方案401
22.1引言401
22.2相關研究403
22.3問題定義404
22.4自適應系統(tǒng)的組合測試406
22.4.1組合測試406
22.4.2測試數據反饋408
22.4.3自動測試法409
22.5結論410
參考文獻411第七部分自動駕駛研究項目與倡議節(jié)錄
第23章AdaptIVe：智能汽車的自動駕駛技術及其應用415
23.1項目概述415
23.2AdaptIVe的技術領域415
23.2.1法律層面416
23.2.2人機交互416
23.2.3近距離狀況416
23.2.4城市內狀況417
23.2.5高速公路狀況417
23.2.6評估417
23.3前景418
第24章道路交通系統(tǒng)更大規(guī)模引入自動駕駛車輛進行時：Drive Me項目419
24.1簡介419
24.2問題定義419
24.3測試樣本：自動駕駛車輛420
24.4安全421
24.5交通流動性421
24.6能量效率422
24.7結論422
參考文獻423
第25章自動化的功能安全性和可進化結構424
25.1簡介424
25.2為什么自動駕駛車輛表現出功能安全性更為困難425
25.2.1條款確定426
25.2.2駕駛員的作用426
25.3如何進行危險分析和風險測評427
25.3.1基本特征描述427
25.3.2情景分析與危險判定429
25.3.3找出我們需要的危險狀況430
25.3.4功能改良430
25.3.5條款項確定431
25.3.6安全目標、功能安全概念以及技術安全概念431
25.3.7安全案例及評估結果431
25.4如何改良安全要求432
25.5什么樣的功能結構適用于自動駕駛433
25.6結論434
參考文獻434
第26章合作式自動駕駛的挑戰(zhàn):AutoNet2030方法435
26.1介紹435
26.2用例436
26.3人機界面436
26.4合作控制437
26.4.1基于分布式的車隊控制437
26.4.2合作式交叉口管理438
26.5協(xié)同傳感感知層438
26.5.1可配置感知層438
26.5.2用于自動駕駛的V2X通信439
26.5.3道路數據融合模塊440
26.6結論與展望440
參考文獻441
第27章自動重型車輛的結構和安全性:ARCHER442
27.1項目總結442
27.2背景442
27.3工藝水平443
27.4項目內容446
27.5項目目標447
參考文獻448
第28章價格合理、安全可靠的移動進化450
28.1移動系統(tǒng)進化450
28.2目標451
28.3預期成果452
參考文獻454第29章UFO:Ultraflat Overrunable機器人，用于ADAS的實驗測試455
29.1介紹455
29.2UFO平臺結構455
29.3通信基礎設施457
29.4測試場景的定義458
29.5總結459
參考文獻459
第30章智能交通系統(tǒng):讓智能
交通成為現實的試驗460
30.1ITS走廊:奧地利、德國和
荷蘭460
30.2赫爾蒙德市461
第31章自動駕駛研究項目和舉措
的采樣464
31.1簡介464
31.2ARTEMIS行業(yè)協(xié)會的使命464
31.3ARTEMIS行業(yè)協(xié)會的結構465
31.4自動駕駛和ARTEMIS行業(yè)
協(xié)會465
參考文獻468
第32章歐洲道路交通研究咨詢委
員會469
32.1簡介469
32.2歐洲道路交通研究咨詢委員會的
使命470
32.3歐洲道路交通研究咨詢委員會的
結構470
32.4ERTRAC自動駕駛路線圖471
參考文獻471
第33章SafeTRANS：交通運輸
系統(tǒng)的安全性472
33.1簡介472
33.2研發(fā)戰(zhàn)略和路線473
33.3高度自動化系統(tǒng)工作組：安全、
測試和開發(fā)過程473
33.4可持續(xù)性和標準化474
33.5結論475
參考文獻475
第34章A3PS：奧地利先進推進
系統(tǒng)協(xié)會47634.1A3PS的目標和任務476
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