一、基本概念说明
1.公交车（别名：是指公共汽车，英文名称：Bus），指在城市道路上循固定路线，有或者无固定班次时刻，承载旅客出行的机动车辆。一般外形为方型，有窗，设置座位。公共汽车续航时速一般在20～30公里，不会超过50公里。
从设计和技术特性的角度看，与如长途客车、旅游客车、团体客车等不同，这种车辆设有乘客座椅及供乘客站立与走动的通道，要求站立面积大，车厢内通道与出入口宽、两个以上车门，踏板低。公共汽车的分类有多种：
a)按照运行区间，可以分为短途（市区内）和长途（市区间）公共汽车；
b)按照燃料种类的不同，可以分为燃油、燃气和电动公共汽车；按照车型结构的不同，可分为单层、双层、铰接式公共汽车等。发达国家的城市公共汽车，均已实行无人售票，因此装有收款机或验票机，中国的公共汽车除市郊外已基本实现无人售票。如图2所示。
2. 新能源公交车，是指在传统公交车的基础上，将内燃机发动机，换成驱动电机，油箱换成动力电池的车辆。如图3所示。
3.自动驾驶新能源公交车,是指人工驾驶新能源公交车，改为计算机驾驶的车辆，如图4所示。
自动驾驶等级划分定义，如表1所示。
LEVEL 0：这个级别包括当前在世界上销售的所有车辆。驾驶任务都由驾驶员完成：转向，油门，制动，监控周围环境，导航，使用转向灯，改变车道和转弯。配备有盲点和碰撞警告等技术的汽车也包含在此类别中。
LEVEL 1：至少有一个自动功能。因此他们能够帮助司机驾驶汽车。然而，司机必须随时注意，并在必要时进行干预。
LEVEL 2：至少有两个自动功能，但司机仍然负责驾驶所需的所有其他任务。
部分援助车辆可以以更持久的方式处理制动。如果认为前方的情况不能自动控制，该技术允许司机介入。
LEVEL 3：汽车可以监视周围环境并处理制动问题。这种类型汽车的自主系统主要用于高速公路。在紧急情况或不可预见的情况下，仍然需要人力投入。
LEVEL 4：汽车本身可以处理启动和驾驶所需的几乎所有任务。在系统运行期间不需要人工辅助，在特定环境中可以实现无人驾驶。
LEVEL 5：只需输入目的地，然后就可以开始自己的工作或阅读，等着汽车将你送到目的地就可以了。完全的全自动化意味着驾驶员成为自动驾驶汽车中一名纯粹的乘客。
b)说明
a)真正叫自动驾驶是从L3开始。L1到L5就是国际世界汽车工程师协会定义的，L0--L2更多的都是主动安全技术，不叫自动驾驶。
b)L3、L4之间的区别。两者的共同点都是有区域性、局限性的驾驶条件。L3和L4最大的区别就是L3是以人为主，L4是以车为主，比如在驾驶过程当中只要认为有危险，L3级的车辆就必须把车交还给驾驶员，而L4可以提醒，但是人可以不接管，所以车认为有危险的时候，会采取措施把车停下来。
c)而L4和L5都是以把车交给机器人，L4是有条件的,L5是全天候、没有条件的.彼此关系，区域性的L5就是L4，实现全天候的L5可能性很小。
3)注意
a)学术上的定义，不是量化的指标。理论上的技术开发和产品海报，是两回事情。企业为了融资可以讲故事，也可以把L3.5级别的车叫做L3.8来卖，那是销售策略。
b)L3到L4是跨越式变革。区域性的自动驾驶，L4的车人就不用管了。只要还要求人来接管，那就是L3，做到L3.9也是L3。
c)L4和L5是颠覆性的变革。L4是在区域范围内交给机器人来开，那么有的区域还是由人来开的，只要有人开就得有方向盘，L5实现全天候自动驾驶,就没有方向盘了。
二、研发公交车自动驾驶要具备的关键技术
1.电动公交车自动驾驶体系结构
自动驾驶系统架构如图5所示。
感知层：环境信息和车内信息的采集与处理，传感器包括激光雷达、摄像头、毫米波雷达、高精地图、GNSS 卫星定位、IMU 惯性导航等
执行层：系统在做出决策后，替代人类对车辆进行控制，反馈到底层模块执行任务，包括线控加减速、线控制动、线控转向等
2.线控底盘是公交车自动驾驶车辆最佳载体
目前电动汽车还是在传统内燃机汽车基础上开发的。理想的电动汽车的底盘，必须是线控的，如图6所示。
线控底盘的基本组成：整车控制 VCU、线控制动及转向系统、EPB驻车系统、声光控制系统、电源管理系统、电池自动充电(快换)系统、人机界面等。这对车辆生产厂家是艰巨任务。是要完全颠覆传统车辆底盘的理念、方法和手段。目前国内研制自动驾驶车辆，基本是在传统地盘平台上研发的。要实现L3自动驾驶水平，还是有一定困难的。
a)具备自动驾驶功能的整车控制 VCU，如图5所示。
(i)对采集的信号进行分析处理，判别汽车的运动状态，
(ⅱ)向方向盘回正力电机和转向电机发送指令，控制两个电机的工作，保证各种工况下都具有理想的车辆响应，以减少驾驶员对汽车转向特性随车速变化的补偿任务，减轻驾驶员负担。
(ⅲ)对驾驶员的操作指令进行识别，判定在当前状态下驾驶员的转向操作是否合理。当汽车处于非稳定状态或驾驶员发出错误指令时，线控转向系统会将驾驶员错误的转向操作屏蔽，而自动进行稳定控制，使汽车尽快地恢复到稳定状态。
c)线控制动系统，如图7所示
i)ESP（车身稳定系统）
ⅱ)AP（自动泊车）
ⅲ)ACC（自适应巡航）
Iv)AEB（自动紧急制动）等。
方向盘总成的主要功能
I)是将驾驶员的转向意图(通过测量方向盘转角)转换成数字信号，并传递给主控制器；
ⅱ)同时接受主控制器送来的力矩信号，产生方向盘回正力矩，以提供给驾驶员相应的路感信息。转向执行总成包括前轮转角传感器、转向执行电机、转向电机控制器和前轮转向组件等组成。
ⅲ)转向执行总成的功能是接受主控制器的命令，通过转向电机控制器控制转向车轮转动，实现转向意图。
说明：
一个前轮转角执行马达的最大功率就有500-800W，两个执行马达以及其他车用电器的用电量是比较大的，所以说，线控底盘的，在大负荷下稳定工作，电源的性能就显得十分重要。从这里看出，纯电动汽车动力电池，才能保障，自动驾驶车辆的用电，而传统汽车，无法满足这一要求。
注意：
自动防故障系统是线控转向系的重要模块，分为故障的自动检测和自动处理等。它包括一系列的监控和实施算法，针对不同的故障形式和故障等级做出相应的处理，以求最大限度地保持汽车的正常行驶。
目前电动公交车底盘是目前开发线控底盘最佳途径，自动驾驶的执行机构。
2.自动驾驶决策架构
1)决策架构基本功能，如图9所示。
c)路径决策如图12所示。
d)速度决策如图13所示。
2)基本算法
a)采用多个嵌入式芯片进行集群分工计算i)嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。
集群之间采用高速(20M)、低延时(5ms)、硬实时FLEXRAY总线通信。一部分嵌入式GPU处理器对接摄像头做图像识别，另外一部分做路径规划。其原理如图15所示。
配置了当今世界上最佳加速器，使得运算与求解速度比其他神经网络模型快3~10倍。
进一步提高图像识别、图像处理与物体识别计算速度。
d)路径规避与避障策略算法，如图17所示。
采用基于Deep Q-Network的快速避障路径规划方法，实现了对无人车end-to-end的路径规划。总体思路：
i)获取image（map）;ⅱ）Agent处理image;ⅲ）Mobile Robot得到向前还是向右的指令。
采用(SLAM：Simultaneous Localization and Mapping)。自动驾驶车辆可以实现自动定位（Localization）、跟踪（Tracking）以及路径规划（Path Planning）。SLAM技术能够构建视觉效果更为真实的地图，从而针对当前视角渲染虚拟物体的叠加效果，使之更真实感。
a)SLAM系统基本功能
无人驾驶车辆在未知环境的未知地点出发，在运动过程中，通过SLAM系统可以将车辆其所经过的区域绘制成地图，实现同时定位和地图构建的目的，，继而可以规划驾驶路径。
SLAM可以快速构建局部3D地图，a)与地理信息系统（GIS）、视觉对象识别技术相结合，可以辅助自动驾驶公交车识别路障并自动避障。
b)SLAM系统框架
一般分为五个模块:
①传感器数据：主要用于采集实际环境中的各类型原始数据。包括激光扫描数据、视频图像数据、点云数据等。
②视觉里程计：主要用于不同时刻间移动目标相对位置的估算。包括特征匹配、直接配准等算法的应用。
③后端：主要用于优化视觉里程计带来的累计误差。包括滤波器、图优化等算法应用。
④建图：用于三维地图构建。
⑤回环检测：主要用于空间累积误差消除。
c)SLAM系统基本原理
①配置至少一个测距装置，通过测距装置获取机器人周围环境的信息。目前常见的测距装置主要有激光测距、超声波测距和图像测距。其优缺点比较，如表3。
3.自动驾驶感知系统
目前车用传感器主要分为4个类别：超声波雷达、Radar毫米波雷达、Lidar激光雷达、Camera相机.
a)超声波雷达功能和作用
利用超声波原理，由装置于车尾保险杠上的探头发送超声波撞击障碍物后反射此声波探头，从而计算出车体与障碍物之间的实际距离，再提示给驾驶者，使停车和倒车更容易、更安全。接收方式有无线传输和有线传输等。
毫米波雷达是工作是指长度在1~10mm的电磁波，对应的频率范围为30~300GHz，即在毫米波频段的雷达。为了满足不同距离范围的探测需要，一辆汽车上会安装多颗短程、中程和长程毫米波雷达。如图19所示。
激光雷达，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。激光发射机。光学接收机、转台和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。如图21所示。
d)Camera摄像机功能和作用
摄像头（如图22所示）的功能本质上就是再提供一种信息获取方式，与雷达共同作用，取长补短。比如单靠雷达就无法识别道路上的车道线；很难识别道路上的细小障碍物或坑洼。而这些恰恰就是摄像头视觉处理技术的长处。
主要有镜头、CCD图像传感器、预中放、AGC、A/D、同步信号发生器、CCD驱动器、图像信号形成电路、D/A转换电路和电源的电路构成图像传感部件是CCD（Charge Coupled Device），即电荷耦合器件。CCD是电耦合器件（Charge Couple Device）的简称，它能够将光线变为电荷并可将电荷储存及转移，也可将储存之电荷取出使电压发生变化，因此是理想的摄像元件。
ⅱ)工作原理
被摄物体反射光线，传播到镜头，经镜头聚焦到CCD芯片上，CCD根据光的强弱积聚相应的电荷，经周期性放电，产生表示一幅幅画面的电信号，经过预中放电路放大、AGC自动增益控制，于由图像处理芯片处理的是数字信号，所以经模数转换到图像数字信号处理IC（DSP）。
ⅲ)图像传感器(SENSOR)
是一种半导体芯片，其表面包含有几十万到几百万的光电二极管。光电二极管受到光照射时，就会产生电荷。目前市场上主流摄像头使用的感光元件主要是CCD和CMOS两种。
e)惯导系统功能和作用
惯性导航系统（INS，以下简称惯导）是一种不依赖于外部信息，也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。
i)GPS（全称：Global Positioning System）指的是全球定位系统，是由美国国防部研制和维护的中距离圆形轨道卫星导航系统。
ⅱ)北斗卫星导航系统（BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统，是继GPS、GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。
北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天为各类用户提供高精度定位、导航、授时服务，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒，并具备短报文通信能力。
三、公交车自动驾驶实例介绍
1.自动驾驶公交车外形和内部布置
(1)2017年12月17号，深圳道路上出现了自动驾驶公交车。方向盘无需司机进行任何操作，到路口处公交车可以自动转弯，遇到行人或障碍物能自行刹车，到站可以自动停靠。功能上和普通公交并无区别，如图24所示。
(a)环视摄像头：主要应用于短距离场景，可识别障碍物，但对光照、天气等外在条件很敏感，技术成熟，价格低廉；
(b)摄像头：常用有单、双、三目，主要应用于中远距离场景，能识别清晰的车道线、交通标识、障碍物、行人，但对光照、天气等条件很敏感，而且需要复杂的算法支持，对处理器的要求也比较高；
(c)超声波雷达：主要应用于短距离场景下，如辅助泊车，结构简单、体积小、成本低；
(d)毫米波雷达：主要有用于中短测距的 24 GHz 雷达和长测距的 77 GHz 雷达 2 种。毫米波雷达可有效提取景深及速度信息，识别障碍物，有一定的穿透雾、烟和灰尘的能力，但在环境障碍物复杂的情况下，由于毫米波依靠声波定位，声波出现漫反射，导致漏检率和误差率比较高；
(e)激光雷达：分单线和多线激光雷达，多线激光雷达可以获得极高的速度、距离和角度分辨率，形成精确的3D地图，抗干扰能力强，是智能驾驶汽车发展的最佳技术路线，但是成本较高，也容易受到恶劣天气和烟雾环境的影响。
2)传感器配置表，如表2所示。
1)自动驾驶公交车最好是纯电动汽车为平台。目前新能源汽车还是基于传统车平台开发的。电动汽车发展水平越高、越好，自动驾驶公交车推动更容易，尤其是线控底盘研发，难度很大。
2)自动驾驶车辆要用的传感器，尤其是激光雷达成本太高，汽车层面无法接受。
3)目前还没有车规级计算机，普通工业级计算机，还不适应自动驾驶车辆的专用要求。
4)自动驾驶车辆定位要求到厘米级精度，目前采用多种技术的组合，不太适用车辆推广应用的要求。对应用环境要求太高。
五、L3级别以下公交车会越来越多已经是基本趋势
1)自动驾驶公交车级别的基本定位
从上面的概念上可以知道，公交车指在城市道路上循固定路线，有或者无固定班次时刻，承载旅客出行的机动车辆。固定路线的含义是区域性，是有条件的，但同时是全天候的。从技术层面来讲，公交自动驾驶可以是L3到L4级之间。更通俗理解，具备公交自动驾驶公交车还必须保留方向盘。
2)发展自动驾驶公交车其动力是什么？
a)L0--L2更多的都是主动安全技术。也就是说，研发L3级别的车辆，有助于主动安全技术应用到位。车辆的安全性能大为提升。
b)研发L4级别的车辆，日常驾驶任务交给计算机，驾驶员有时间和精力参与服务工作，可以提高乘客满意度。
c)新能源汽车（电动公交车）研发自动驾驶车辆的最佳载体是，于是有力推动新能源公交车的推广应用。
也就是说，客户有自动驾驶车辆需求，对生产端是最好的拉动。
3)我国相关法律法规，目前还不允许自动驾驶车辆道路上行驶。但是，国家智能网联汽车(武汉)测试示范区正式揭牌，百度、海梁科技、深兰科技等企业拿到全国首批自动驾驶商用牌照。这意味着，无人驾驶车辆不仅可以在开放道路进行载人测试，也可进行商业化运营探索。
六、基本结论
1)无人驾驶车辆基础理论层面研究，严格地讲关键技术已经具备，目前硬件水平还无法真正实现全天候无人驾驶。主要卡在智能专用摄像头，毫米波雷达，激光雷、车载计算机等还没有实现车规级水准。
2）汽车行业新的零部件，仅验证和生产一致性保障就需要好几年。任何一个零部件没有达到大规模量产水平，没有一致性的保证，就不能说准备好了。
3）无人驾驶车辆作为一个完整的工业领域，目前零部件、软硬件环境、设施，法规等都大面积缺失，产业链建设刚刚起步，实现真正的无人驾驶还有比较漫长的路要走，还有大量具体细致的工作要做。
4)中国要成为汽车强国，是一个民族的梦想，当然要努力和奋斗。
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