科普：自动驾驶的工程原理和应用综合指南（2）

同时定位和建图 (SLAM)

同步定位与建图 (SLAM) 是自动驾驶车辆中使用的一种技术，用于构建环境地图，同时确定车辆在该地图内的位置。SLAM 在 GPS 或 GNSS 信号不可用或不可靠的情况下特别有用，例如在城市峡谷、隧道或室内环境中。SLAM 算法结合来自各种传感器（例如 LiDAR、摄像头和 IMU）的数据，以创建环境的详细表示并估计车辆的位置和方向。

SLAM的工作原理包括两个主要步骤：

特征提取：在特征提取步骤中，SLAM 算法处理传感器数据以识别环境中的独特特征，例如角落、边缘或地标。然后使用这些特征来构建环境地图。

数据关联：在数据关联步骤中，算法将观察到的特征与现有地图中的特征进行匹配，以确定车辆相对于地图的位置和方向。

SLAM 为自动驾驶汽车提供了多项优势：

它使车辆能够在 GPS 或 GNSS 信号不可用或不可靠的环境中运行，从而为定位和地图绘制提供强大的解决方案。

SLAM 算法可以适应环境的变化，当观察到新特征或现有特征发生变化时更新地图。这种适应性在动态环境中特别有用，例如城市环境，其中车辆必须围绕移动物体导航并应对不断变化的交通状况。

然而，SLAM也有一些局限性：

它可能是计算密集型的，需要强大的处理能力来处理大量传感器数据并执行复杂的计算。

SLAM 算法可能对传感器测量或特征提取中的错误很敏感，这可能导致地图或车辆估计位置不准确。

在自动驾驶汽车中，SLAM 通常与其他定位和地图技术（例如 GPS 和 GNSS）结合使用，以提供更准确、更可靠的导航解决方案。通过融合多个来源的数据，车辆可以实现更高水平的定位精度，并构建更详细和最新的环境地图，使其能够更安全、更高效地导航。

控制系统

控制系统是自动驾驶车辆的重要组成部分，负责管理车辆的运动并确保安全高效的导航。它确保机动车辆在从定位和测绘过程中收集信息后安全有效地运行，并用它来做出决策和控制车辆的运动。通过分析环境、检测障碍物并考虑所需的轨迹，控制系统实时引导自动驾驶车辆，调整其速度、加速度和转向，以在道路上行驶并到达目的地。这些系统从各种传感器获取输入，并使用算法来确定适当的动作，例如加速、制动或转向。

自动驾驶车辆有两种主要类型的控制系统：纵向控制，管理车辆的速度和加速度；横向控制，管理车辆的转向和车道保持。

纵向控制

自适应巡航控制 (ACC) 和防撞。自动驾驶系统中的纵向控制侧重于管理车辆的速度和加速度，以保持安全舒适的驾驶体验，而无需人类驾驶员的干预。该控制系统接收来自激光雷达、雷达和摄像头等各种传感器的输入，以检测车辆的周围环境，并根据交通状况、道路几何形状和速度限制等因素确定适当的速度和加速度。

纵向控制的关键方面之一是自适应巡航控制（ACC），它自动调整车辆的速度以与前方车辆保持安全的跟随距离。ACC系统使用雷达或激光雷达等传感器来测量前方机动车辆的距离和相对速度，然后调整车辆的加速度或减速度以保持预定的间隙。一些先进的 ACC 系统甚至可以使车辆完全停止并在交通再次开始移动时恢复行驶。

纵向控制的另一个重要方面是避免碰撞，控制系统检测潜在的障碍物并采取规避措施，例如制动或变道，以避免碰撞。此功能依赖于处理传感器数据的先进算法，以预测周围物体的未来位置并确定最安全的行动方案。

在自动驾驶系统中，纵向控制可确保车辆保持安全速度和跟车距离，同时对环境中的潜在危险做出反应，从而有助于提高车辆的安全性和性能。通过结合多个传感器的数据并使用先进的控制算法，纵向控制系统可以通过自动化驾驶任务来提供平稳舒适的驾驶体验，同时还可以降低事故风险。

横向控制

自动驾驶车辆的横向控制重点是管理车辆的转向和车道保持，以确保安全、准确的导航。随着自动驾驶汽车的不断发展，传统的方向盘曾经是驾驶的重要组成部分，正在被可实现全自动导航的先进控制系统所取代。

该控制系统接收来自摄像头、激光雷达和 GPS 等各种传感器的输入，以检测车辆在车道内的位置、道路的曲率以及其他车辆或障碍物的存在。根据这些信息，横向控制系统调整车辆的转向角度，以保持所需的轨迹并保持在车道边界内。

横向控制的关键方面之一是车道保持辅助（LKA），它类似于自动驾驶系统，自动调整车辆的转向以帮助驾驶员保持在车道标记内。LKA 系统使用摄像头或其他传感器来检测车道边界并确定车辆相对于车道边界的位置。如果车辆开始偏离车道，LKA 系统会轻轻调整转向，引导车辆回到车道中央。

横向控制的另一个重要方面是变道辅助，其中控制系统检测相邻车道中是否存在其他车辆或障碍物，并协助驾驶员安全变道。此功能依赖于摄像头、激光雷达或雷达等传感器来监控车辆周围环境，并确定适当的时机和转向调整以实现安全变道。

在自动驾驶汽车中，横向控制可确保车辆保持在车道内并准确导航弯道，同时帮助驾驶员安全变更车道，从而有助于提高车辆的安全性和性能。通过结合多个传感器的数据并使用先进的控制算法，横向控制系统可以提供平稳舒适的驾驶体验，同时还可以降低因人为失误或其他因素引起的车辆碰撞风险。