第一章和第七章 无人驾驶平台和系统

第一章

SAE自动驾驶分级标准

层级 名称 详细描述
Level 0 无自动化 无自动控制功能。
Level 1 单一功能级自动化 无法做到手和脚同时不操控。
Level 2 部分自动化 在某些预设环境下可以不操作汽车，即手脚同时离开控制。
Level 3 有条件自动化 特定条件部分任务。
Level 4 高度自动化 特定条件全部任务。
Level 5 完全自动化 全部条件全部任务。

传感器平台

主流的无人驾驶传感平台以激光雷达和车载摄像头为主，并呈现多传感器融合发展的趋势。需要了解各类传感器（激光雷达、毫米波雷达、摄像头、GPS/IMU、V2X通信传感系统）的检测原理、优势、劣势以及功能。

1. 激光雷达 (LiDAR) 与 毫米波雷达 (Radar)：

激光雷达 (LiDAR)

  • 核心原理：利用光进行“回声定位”。
    • 测距技术：飞行时间法 (ToF)。
    • 公式： $r =\frac{1}{2}ct$（c为光速，t为往返时间）。
  • 适用性：测距精准（厘米级），能区分车道线；缺点是受雨雪雾天气影响大。
  • 分类：
    1. 机械式：360°扫描，但体积大、成本高、易损耗。
    2. 半固态：内部微动（MEMS/转镜），适合车规量产。
    3. 固态：无机械部件（Flash/OPA），耐用且成本低，是未来方向。

毫米波雷达 (Radar)

  • 核心优势：全天候工作，穿透力强（抗雨雾）。
  • 频段：
    • 24GHz：短距离（盲点监测）。
    • 77GHz：主流，探测距离远、精度高、体积小。

2. 摄像头 (Camera)：

  • 特点：
    • 优点：语义识别能力强（红绿灯、路牌），信息丰富，成本低。
    • 局限：受光线影响大（怕黑、怕逆光），测距不如雷达。
  • 类型与位置：
    | 摄像头类型 | 应用场景 |
    | :—- | :—- |
    | 单目 | 自适应巡航、车道偏离预警、车道保持辅助、前向碰撞预警、自动紧急制动、交通标志识别、自动泊车、行人检测、驾驶员监控 |
    | 双目 | 自适应巡航、车道偏离预警、车道保持辅助、前向碰撞预警、自动紧急制动、交通标志识别、自动泊车、行人检测、驾驶员监控 |
    | 环视摄像头 | 自动泊车、全景环视系统 |
    | 后视 | 自动泊车 |

3. GPS 与 IMU (组合导航)：

对比分析

特性 GPS (全球定位系统) IMU (惯性测量单元)
原理 接收卫星信号算绝对坐标 靠陀螺仪/加速度计算相对位移
优点 无累积误差 频率高，不怕遮挡
缺点 信号易受遮挡（隧道/高楼），更新慢 误差随时间累积

融合优势 (互补)

  • GPS 修正 IMU：用 GPS 的绝对位置消除 IMU 的累积误差。
  • IMU 填补 GPS：在 GPS 信号丢失（如隧道）时，IMU 继续推算位置。
  • 算法：通常使用卡尔曼滤波 (Kalman Filter) 进行数据融合。

4. V2X 通信传感系统：

  • 三大优势：
    1. 覆盖广：实现“超视距感知”（如几公里外的路况）。
    2. 避盲区：解决视线遮挡问题（如路口盲区）。
    3. 更安全：通过数字证书防篡改。
  • 政策与标准：
    • 如欧盟 PRESERVE 项目，建立了安全架构和证书体系，保障信息不被黑客伪造。

  • GPS+惯导：开阔环境首选，绝对定位能力强，GPS怕遮挡。
  • 激光SLAM：几何特征丰富环境首选，精确但成本高、怕恶劣天气。
  • 视觉SLAM：纹理特征丰富环境可用，成本低但怕弱纹理、光照变化。
  • 纯惯导(IMU)：短期备用方案，任何环境都能工作但误差累积。
环境场景 主传感器 辅助传感器 为什么这样配
无GPS+有结构 激光雷达 IMU 激光提供绝对位置，IMU填补扫描间隔
有GPS+开阔地 GPS IMU GPS提供全局定位，IMU提高更新频率
有GPS+有纹理 视觉+GPS IMU 视觉提供局部精度，GPS防止漂移
恶劣天气 GPS+IMU - 激光/视觉受影响，回归最可靠组合

多传感器融合：卡尔曼滤波

第七章

1. 计算平台

解决方案 核心特点 优势与适用场景
GPU (图形处理器) 并行计算能力强 擅长处理大规模并行任务，非常适合深度学习和图像处理（如训练神经网络）。
DSP (数字信号处理器) 擅长数字信号处理 适合处理连续的模拟信号转换成的数字信号（如音频、雷达信号处理），数学运算能力强。
FPGA (现场可编程门阵列) 硬件可重构 灵活性极高，可以根据需要重新编程硬件逻辑，低延迟，能耗比通常优于 GPU。
ASIC (专用集成电路) 专用定制 为特定功能量身定制，性能最高、功耗最低、体积最小，但不可更改，研发成本高。

2. 控制平台

控制平台是连接算法与执行机构的桥梁，主要包括两大部分：

  • ECU (电子控制单元)：分布在车内的“小脑”，负责运行具体的控制算法（如控制发动机喷油、刹车防抱死等）。
  • 通信总线：连接各个 ECU 和机械部件的“神经纤维”，负责传输指令和状态信息。

3. 通信网络协议

不同总线根据速率和可靠性适用于不同的场景：

协议名称 定位与特点 工作机制 适用场景
LIN (局部互联协议) 低速、低成本 主从模式（Master-Slave） 车身电子
（如车窗、雨刮器、后视镜调节）
CAN (控制器局域网) 中速、行业标准 仲裁机制（优先级判断）、多主结构 车辆底盘控制
（如发动机、变速箱、ABS），应用最广泛
FlexRay 高速、高可靠性 时间触发 (Time-Triggered) + 事件触发 线控系统 (X-by-Wire)
（如线控转向、线控刹车），确保数据零延迟、零出错

4. 无人驾驶的安全性（四大安全）

无人驾驶系统安全性核心考点总结

（1）. 传感器的安全 (感知层)

  • 常见攻击方式：
    • 致盲攻击：使用强光或激光干扰摄像头，使其“失明”。
    • 欺骗攻击：伪造 GPS 信号，或使用对抗样本（如在路牌上贴贴纸）误导算法。
  • 核心防御策略：多传感器融合
    • 利用激光雷达、毫米波雷达和摄像头的不同特性进行交叉验证，不依赖单一信源。

（2）. 操作系统的安全 (软件层)

  • 主要威胁：节点劫持
    • ROS (机器人操作系统) 内部节点通信若缺乏验证，易被黑客控制发送错误指令。
  • 核心防御策略：隔离技术
    • 容器技术 (如 Docker) 和 沙盒 (Sandbox)：将节点隔离在独立环境中运行，防止病毒或故障扩散。

（3）. 控制系统的安全 (执行层)

  • 入侵方式：通过 OBD 接口或无线网络侵入 CAN 总线，发送伪造的刹车/转向指令。
  • 核心防御策略：加密与验证
    • ECU 在执行指令前必须校验数字签名，确保指令来源合法且未被篡改。

（4）. 车联网通信系统的安全性 (V2X 网络层)

  • 主要威胁：消息伪造（假绿灯）、篡改路况信息、隐私泄露。
  • 核心防御策略：PRESERVE 三层防护架构
    1. 硬件层：使用 HSM (硬件安全模块) 物理隔离存储密钥。
    2. 软件层：部署防火墙和入侵检测系统。
    3. 安全证书：建立 PKI 数字证书体系，确保每一条 V2X 消息都是真实可信的。

第二章 定位方法以及传感器应用

章节核心逻辑：无人驾驶系统如何解决两个终极问题？

  1. “感官”：用传感器感知周围环境（雷达、相机）。
  2. “大脑”：用算法（定位、滤波）确定自己在哪、状态如何。

SLAN：同步定位与地图构建。主要有：激光SLAN & 视觉SLAN

第一部分：硬件传感器

1. 激光雷达（激光SLAN）

  • 原理：飞行时间法 (ToF)。发射激光束，计算往返时间测距。
    • 公式：$r = \frac{1}{2} c t$
  • 特性：
    • 3D激光雷达采集到的信息叫做点云。将点云与全局地图进行迭代匹配（ICP）
    • ✅ 精度极高，测距远，分辨率高，隐蔽性好，抗干扰能力强
    • ❌ 成本高，易受雨雪雾天气干扰（噪声大）
  • 考点：它是L4/L5级自动驾驶的核心传感器。

2. 摄像头

  • 原理：被动接收环境光。
  • 分类与应用 (🎯 学长考题重点)：
    • 单目 (Monocular)：前视感知，识别人、车、车道线、红绿灯。
    • 双目 (Stereo)：通过视差原理测距。
    • 鱼眼 (Fisheye)：视野极大 (>180°)，专门用于倒车影像、360°环视（图像有畸变）。
  • 特性：
    • ✅ 纹理信息丰富，便宜。
    • ❌ 受光照影响大（逆光、黑夜致盲），测距精度不如雷达。

3. 毫米波雷达

  • 原理：多普勒效应。
  • 特性：
    • ✅ 穿透力强（无视雨雪雾），测速特别准。
    • ❌ 分辨率低（看不清物体轮廓，只能知道“有东西”）。

第二部分：定位算法

1. 激光SLAN：ICP vs NDT (⭐⭐⭐ 必考对比)

（1）ICP：


优点 缺点
效果精确 耗时大，效率低
不必数据处理 可能陷入局部最优
较好收敛性 需要噪声处理

（2）NDT：


总结：
把“刚才看到的”（实时点云）和“记忆中的”（高精地图）拼在一起。

特性 ICP (迭代最近点) NDT (正态分布变换)
通俗理解 硬碰硬。每个点都去找地图上离它最近的点，强行拉近。 概率流。把地图划成格子，看现在的点落在哪个概率最高的格子里。
核心原理 最小化点对点欧氏距离。 计算网格内的高斯概率密度函数 (PDF)。
优点 精度极高（前提是初值给得好）。 速度快，鲁棒性强（容错率高，初值差一点也能对上）。
缺点 慢，容易拼错（陷入局部最优）。 精度略逊于精细的ICP。

2. 视觉SLAM

  • 视觉前端特征 (🎯 填空题重点)：
    • 角点 (Corner)：如 Harris, FAST。
    • 斑点 (Blob)：如 SIFT（最准最慢）。
    • ORB特征：Oriented FAST (带方向角点) + BRIEF (二进制描述子)。速度极快，适合实时系统。
  • 回环检测 (Loop Closure)：
    • 利用词袋模型 (BoW) 判断“我是否来过这里”，消除累积误差。


第三部分：定位系统

1. 坐标系转换 (⚠️ 判断题陷阱)


  • 转换链条：
    GPS输出的经纬度信息 $\rightarrow$ ECEF (地心地固) $\rightarrow$ 导航坐标系 (ENU/NED) $\rightarrow$ 车体坐标系 (Body)
  • 关键点：
    • ENU：东北天坐标系（指北坐标系）。
    • ECEF：随地球自转。
    • 考题避坑：通常不能直接从 ECEF 旋转得到车体坐标系，中间必须经过局部切平面（导航坐标系），否则无法描述“东南西北”。

2. 基于GPS +惯性组合（IMU）导航的定位系统

（1）GPS：

  • RTK：载波相位动态实时差分，定位误差在城市中也可达到10～50m（一般GPS为10～100m）
  • 差分GPS定位：通过在一个精确的已知位置（基准站）上安装GPS监测接收机，计算得到基准站与GPS卫星的距离，然后再根据误差修正结果，从而提高了定位精度。
  • 伪距法定位：
    • 优点：速度快、无多值性问题、虽然精度低，但是满足大部分需求。

（2）惯性测量单元：


总结：

  • GPS (全球定位系统)：提供绝对位置。
    • 缺点：更新慢 (10Hz)，易被遮挡（隧道、高楼峡谷）。
    • RTK技术：利用基准站差分，将精度提升至厘米级。
  • IMU (惯性测量单元)：提供相对推算。
    • 组成：加速度计（测比力/加速度）+ 陀螺仪（测角速度）。
    • 原理：航位推算。
    • 缺点：误差随时间累积（积分漂移）。
  • 融合逻辑：GPS负责“纠偏”（消除累计误差），IMU负责“填空”（高频输出，保证信号不断）。

（3）惯性导航系统（INS）：


第四部分：卡尔曼滤波

这一部分数学最难，重点掌握逻辑和公式。

  • 卡尔曼滤波：是一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。
  • 基本思想：利用前一时刻的估计值和现时刻的观测值来更新对状态变量的估计，求出现在时刻的估计值。

1. 卡尔曼滤波 (KF) —— 线性系统的最优估计

  • 核心逻辑：加权平均。
    • 模型算出一个值（预测），传感器测出一个值（测量）。
    • 谁方差小（谁靠谱），我就信谁多一点。
  • 五大核心公式 (📝 建议默写)：
    1. 预测状态：$\hat{x}_k^- = A \hat{x}_{k-1} + B u_k$
    2. 预测协方差：$P_k^- = A P_{k-1} A^T + Q$ (Q: 模型噪声)
    3. 卡尔曼增益：$K_k = P_k^- H^T (H P_k^- H^T + R)^{-1}$ (R: 测量噪声)
      • 理解：$R$ 越大（测量烂），$K$ 越小（不信测量）；$Q$ 越大（模型烂），$K$ 越大（信测量）。
    4. 状态更新：$\hat{x}_k = \hat{x}_k^- + K_k (z_k - H \hat{x}_k^-)$
    5. 协方差更新：$P_k = (I - K_k H) P_k^-$
局限性
实时性不能满足
可靠性降低
对于非线性系统效果不佳

2. 进阶滤波：EKF vs UKF (⭐⭐ 简答题)

解决非线性问题（如车在转弯、雷达测距是弧线）。

  • 扩展卡尔曼滤波 (EKF)：
    • 方法：线性化:用线性变换近似非线性变换。用泰勒级数展开（保留一阶导数），算出雅可比矩阵 (Jacobian)。
    • 缺点：雅可比矩阵难算，忽略高阶项有精度损失。
    • 考点：EKF近似的是非线性函数本身。
  • 无损卡尔曼滤波 (UKF)：
    • 方法：无损变换。选几个代表点（Sigma Points）去通过非线性函数，近似出新的概率分布。
    • 优点：不用算雅可比，精度通常更高。

3. 运动模型

  • CTRV (Constant Turn Rate and Velocity)：恒定转弯率和速度。这是描述车辆运动最常用的模型。

4. 传感器融合架构

  • 顺序滤波 (Sequential Filtering)：
    • 逻辑：一次预测，多次更新。
    • 场景：激光雷达和毫米波雷达的数据不同时到达。先用激光更新卡尔曼滤波，结果作为初值，马上再用毫米波更新。

📝 考前抢分 CheckList (必背)

  1. 倒车影像用什么镜头？ $\rightarrow$ 鱼眼 (Fisheye)
  2. 指北坐标系通常指什么？ $\rightarrow$ ENU (东北天)
  3. ICP和NDT谁更快更鲁棒？ $\rightarrow$ NDT
  4. EKF的核心数学操作是什么？ $\rightarrow$ 泰勒展开 / 计算雅可比矩阵
  5. SLAM常用视觉特征？ $\rightarrow$ ORB, SIFT, 角点
  6. 卡尔曼增益K变大说明什么？ $\rightarrow$ 说明更相信测量值 (或者模型预测的不确定性Q变大了)。

第三章 深度学习和视觉感知

第一部分：路缘石检测

1. ROI提取 (感兴趣区域)

  • 获取原始点云，只保留车身周围一定范围内的点（去除无关背景）。

2. 点集左右划分

  • 将点云按照激光雷达的扫描线（车身前向射线）进行划分。

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3. 路缘石点提取

  • 在每一条射线上，利用几何特征（如高度突变、坡度变化）找到疑似路缘的点。
  • 左右子点集划分：将找到的点分为“左侧路缘点集”和“右侧路缘点集”。

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4. 提取与拟合

  • 利用最小二乘法或RANSAC算法，将点拟合成平滑的曲线（通常是三次样条曲线），得到最终的路缘线。

补充：坐标系变换

第二部分：卷积神经网络（CNN）

  1. 卷积与前馈神经网络区别：

    • 用卷积运算代替矩阵乘法运算
    • 传统全连接神经网络不足：计算/储存要求高（参数大）、易过拟合
    • CNN优势：稀疏交互、权重共享、等变表示

  2. CNN的三大特性：

    • 稀疏交互：卷积核大小远小于输入图像，每个输出神经元只与局部输入连接（效率高）。
    • 参数共享：同一个卷积核在整张图上滑动，用的是同一组参数（储存空间少）。
    • 等变表示：输入平移，输出也跟着平移。

  3. 核心组件：

    • 卷积层：提取特征。
    • 池化层：用相邻位置的总体统计特征来替换该位置的值，起到降维、减少参数、防止过拟合的作用。（最大池化、平均池化）
    • 激活函数：引入非线性（如 ReLU）。

第三部分：YOLO

1. YOLO的核心思想

  • 不需要生成候选区域，直接把图像划分成 S×S 的网格，每个网格负责预测中心落在该格子里面的物体。
  • 速度快，适合无人驾驶实时感知。

2. YOLOv3的特征提取

特点：

  • 有53个卷积层
  • 输出图像尺寸：416x416x3
  • 连续使用卷积层和跳跃连接层

图像金字塔：

  • 图像金字塔-向下采样：删除图像偶数行列，大小变为四分之一。
  • 图像金字塔-向上采样：补充大量像素点0，大小变为四倍。
    （注意：两种操作互相是不可逆的。）

多尺度特征预测：

交并比：

边界框坐标计算：

  • $(b_x,b_y)$为中心坐标。
  • $b_w,b_h$进行了尺度缩放。
  • Sigmoid函数作用：将$t_x,t_y$压缩到[0,1]区间内，确保预测边界在网格内，防止偏移过多。
  • 指数函数e的作用：确保缩放后的宽高为正。

第四章 迁移学习和强化学习

第一部分：迁移学习

  • 意义：
    • 解决大数据和少标签之间的矛盾。
    • 解决大数据和弱计算之间的矛盾。
    • 解决普适化模型和个性化需求之间的矛盾。
    • 满足特定应用需求。

为什么需要“迁移学习”？

  1. 收集数据难、标注难。
  2. 冷启动的问题（新环境没有数据）。
  3. 个性化模型很复杂。

迁移学习的四种方法

  • 基于（ ）的迁移
    • 实例：找到与目标相似的样本。
    • 特征：把两个领域的数据变换到同一个特征空间。
    • 模型：共享模型参数。
    • 关系：挖掘逻辑关系。

第二部分：端到端无人驾驶

基本思路：

  1. 采集数据：摄像头拍摄的图像
  2. 网络训练：通过神经网络训练的数据来做出决策
  3. 测试：通过训练的模型来控制车辆，例如方向盘的转角、刹车、油门、

代表模型：ALVINN、NVIDIA PilotNet

  • 输入：摄像头拍摄的图像

  • 输出：车辆控制指令（方向盘的转角）

  • 优点：不需要复杂规则设计，系统简单，能利用海量数据。

  • 缺点：安全性难以保证，出事难追责。

第三部分：强化学习

  • 强化学习：没有监督者，数据不需要带标签，只有一个奖励信号，还可能是延时的。

1. 核心五要素

  • 个体（Agent）：智能体。
  • 环境（Environment）：与Agent交互的事物。
  • 动作（Action）：Agent的行为。
  • 状态（State）：Agent从环境获取的信息。
  • 奖励（Reward）：行为的反馈。
    （学习目标是最大化累计奖励）

    Agent先从Environment中获取一个State，然后根据这个状态做出Action并反馈给环境，获取Reward。

2. 马尔可夫决策过程

  • 马尔可夫性：系统的下一个状态只跟当前状态有关，与过去状态无关。

马尔可夫决策过程（MDP）：

  • $S为有限状态空间集合。$
  • $A为有限动作的集合。$
  • $P为状态转移概率。$
  • $R为奖励函数。$

从$Start \rightarrow End$的过程是一个序列决策问题，要选择路线以找到最大收益，这使得我们需要一个策略。

  • 确定性策略：相同状态下输出动作是确定的。
  • 不确定性策略：按照概率大小输出不同的输出动作。

累计期望奖励：

其中，$\gamma$为折扣因子 $\in[0,1)$，用来估算未来对现在的影响。

值函数：

  • 作用是量化每一个行动对最终的最大化长期回报的目标的贡献。

  1. 状态s下的值函数：

  2. 状态+行为-值函数：

  3. 最优状态-值函数：

  • 值函数最大的策略，即：$V^*(s)=max (v_\pi(s))$
    （最优状态行为-值函数同理。）

第三部分总结：


第四部分：Q-learning

  • 实质上就是基于奖励机制的学习算法。

    Q-learning

    更新公式：

  • $Q(s_t, a_t)$ 是在状态 $s_t$ 下采取动作 $a_t$ 的长期回报，是一个估计 Q 值。

  • $r_{t+1}$ 是在状态 $s_t$ 下采取动作 $a_t$ 得到的回报 reward。
  • 指的是在状态 t+1下所获得的最大 Q 值（直接看 Q-table，取它的最大化的值）。
  • $\gamma$ 是折扣因子(若$= 0 \rightarrow$ 则短视，只注重眼前奖励,反之是远视，长远考虑)。
  • 即为目标值，就是 时序差分目标，是 $Q(s_t, a_t)$ 想要逼近的目标。$\alpha$ 是学习率，衡量更新的幅度。
  • 注意：$max Q(s_{t+1},a)$ 所对应的动作不一定是下一步会执行的实际动作。这里引出 $\varepsilon$-greedy，即 $\varepsilon$-贪心算法。

$\varepsilon$-贪心算法

  • exploration：探索环境，通过尝试不同的动作来得到最佳策略（带来最大奖励的策略）
  • exploitation：不去尝试新的动作，利用已知的可以带来很大奖励的动作。
  1. 目的是获得一种长期收益最高的策略，这个过程可能对short-term reward有损失。
  2. 如果exploitation太多，那么模型比较容易陷入局部最优，但是exploration太多，模型收敛速度太慢。这里面临一个权衡问题，即怎么通过牺牲一些短期的奖励来理解动作，从而学习到更好的策略。

DQN

  • 问题：传统的Q-learning用表格存Q值 (Q-Table)。如果状态太多（比如输入是图像），表格存不下。
  • 解决：用神经网络来代替表格，估算Q值。
    • 输入当前画面，利用神经网络提取特征，输出每个动作的Q值。
  • 思想：
    1. 经验回放：
      • 问题：开车时，上一秒是在直行，下一秒通常还在直行。数据之间关联性太强，一直学相似的东西，神经网络容易过拟合。
      • 解决：我们不直接学刚才发生的事，而是把智能体经历过的所有事情 $(s, a, r, s’)$ 存进一个经验池。
      • 操作：训练时，从经验池里随机抽取一批数据来学习。打破了数据的时间相关性，让学习更全面。
    2. 目标网络：用一个目标网络来对当前网络来进行打分，可以提高稳定性。

策略梯度

  • DQN 的问题：
    1. 无法处理连续动作：DQN 输出是离散的（如上下左右），但方向盘角度是连续数值，无法建立无限大的表格。
    2. 死循环风险：确定性策略在相同状态下永远做相同选择，容易在特定场景（如迷宫死胡同）原地打转。
  • 策略梯度的方案：
    • 不计算 Q 值，而是训练一个神经网络（策略网络 $\pi_\theta$）。
    • 输入：状态 $s$。
    • 输出：动作的概率分布（直接告诉智能体每个动作被选中的概率）。

策略梯度的核心逻辑是：“先凭直觉试一试，如果结果好，就增加刚才那些动作的概率；如果结果差，就减少。”

第一步：试错 (Sampling)

  • 让智能体用当前的策略网络 $\pi_\theta$ 与环境交互，跑完一整轮（Episode）。
  • 记录轨迹：$\tau = {s_1, a_1, r_1, s_2, a_2, r_2, \dots, s_T, a_T, r_T}$。

第二步：打分 (Evaluation)

  • 计算这一轮的总得分（累计回报）：$R(\tau) = \sum r_t$。

  • 判据：总分高说明这一轮的动作序列整体是好的。

  • 利用梯度上升更新参数 $\theta$，目标是最大化期望回报 $J(\theta)$。

  • 核心公式：
    • 如果 $R(\tau)$ 是正的高分 $\rightarrow$ 大幅增加该动作的概率。
    • 如果 $R(\tau)$ 是负分 $\rightarrow$ 减少该动作的概率。
比较维度 策略梯度 (Policy Gradient) 价值方法 (DQN)
输出内容 动作概率 (直接输出策略) 动作价值 (Q值)
动作空间 支持连续动作 (如方向盘转角) 仅支持离散动作 (如按键)
策略类型 随机策略 (Stochastic) 确定性策略 (Deterministic)
稳定性 较低 (方差大，容易受单次结果影响) 较高 (有目标网络等机制)

DDPG（深度确定性策略梯度）

为了解决策略梯度“由一整轮结果决定成败，方差太大”且梯度计算困难的问题，引入了 Actor-Critic 框架。

Actor-Critic 结构：

  • Actor (演员)：策略网络，负责动作。
  • Critic (评论家)：价值网络，负责打分（代替“整轮总分”）。
  • 改进点：Critic 每一步都给 Actor 反馈，不需要等游戏结束，学习效率更高，算法更容易收敛。

DDPG：
无人驾驶控制的核心算法，共包含4个神经网络。结合了 DQN 和 Actor-Critic 的优点：

  1. 结构：Actor-Critic (一个做动作，一个打分)。
  2. 机制 1：经验回放 (Replay Buffer) $\rightarrow$ 打破数据关联性。
  3. 机制 2：目标网络 (Target Network) $\rightarrow$ 稳定训练目标。
  • 适用场景：连续动作空间的精准控制。

第五章 无人驾驶规划

第一部分：路径规划（A-star算法）

  • 目标：寻找最短路线。

深度/广度优先搜索

  1. 深度优先搜索：

    • 沿着一条路径不断往下探索。
    • 栈的性质：先进后出

  2. 广度优先搜索：

    • 由起点开始，由近及远搜索。
    • 栈的性质：先进先出

1. Dijkstra算法

  • 核心思想：由近到远把所有点点最短路径算出来。
  • 缺点：效率低下、功耗高。

2. A-star算法

在此基础上引入启发函数，得到A-star算法。
启发函数：

  • $g(n)$：实际代价（起点到这里，花了多少代价）
  • $h(n)$：预估代价（从这里到终点，还需要多少代价）

启发式函数$h(n)$的选择：

  1. 欧几里得距离 (Euclidean Distance)：两点间的直线距离（适用于允许任意方向移动的场景）。
  2. 曼哈顿距离 (Manhattan Distance)：城市街区距离（适用于只能横平竖直走的网格地图）。
  • 关键原则：$h(n)$ 必须小于等于实际代价。如果 $h(n)$ 估得太高，可能会漏掉最优路径；如果估得太低，算法会变慢但仍能找到最优解。
  • 特点：既有 Dijkstra 的严谨（保证找到路），又有“贪心算法”的速度（优先往终点方向找）。

3. 混合A-star

相比于普通A-star（把车看成一个质点），混合A-star加入了车头朝向参数$\theta$.

  • 从二维$(x,y)$拓展到三维$(x,y,\theta)$。
  • 需要考虑车辆动力学，所以不再是简单地连接相邻个字，而是要生成符合车辆转弯的圆弧路径。
算法 Dijkstra A* (A-Star) Hybrid A*
是否有方向感 无 (盲目搜索) 有 (启发式引导) 有 (启发式 + 运动学)
公式 $f(n) = g(n)$ $f(n) = g(n) + h(n)$ 同 A*，但考虑 $\theta$
考虑车辆体积/转弯 否 (视为质点) 否 (视为质点) 是 (考虑运动约束)
适用场景 简单图搜索 全局路径规划 复杂环境泊车、掉头

局部路径规划——TEB算法

第二部分：行为规划（分层有限状态机）

根据当前的交通环境以及全局路线，来做出合理驾驶行为。

  • 安全第一，交通法规优先，实时反应

1. 有限状态机

根据外界的输入在有限的状态之间跳来跳去。

  • 分类：
    • 确定型自动机：对每个输入只有一个精确的转移（一个动作）。
    • 非确定型自动机：可以没有/有多个结果。

当状态变得很多，就会变得非常庞大，产生问题：

  1. 可维护性差
  2. 可拓展性差
  3. 复用性差

2. 分层有限状态机

相比与FSM，HFSM引入“超级状态”概念，实现打包管理。

超级状态：将同一类的一组状态视作一个集合（图中大方框），超级状态之间也有转移逻辑。

  • 斯坦福大学Junior：将顶层的驾驶行为分成了13个超级状态。在无人车正常行驶中，状态机几乎处在普通驾驶模式（即FORWARD-DRIVE和PARKING-NAVIGATE这两个状态）。
优点
分层结构 减少复杂度
分层继承 提高了可复用性/灵活性
分层封装 提高可读性/可测试性

第三部分：路径生成（三次样条插值算法）

  • 生成路径基本要求：能够通过车辆控制来执行该路径。

拟合和插值的区别：

  • 拟合：不要求通过所有点，讲究神似。
  • 插值：要通过所有给定的点。

为什么使用“三次样条插值曲线”（而不是“三次拟合曲线”）？
因为“三次样条插值”生成的曲线符合车辆运动学规律，即：
尽量走直线，在转弯的地方走曲线。

三次样条插值算法的数学性质

  1. 生成的曲线在衔接点处函数值连续。
  2. 一阶导数和二阶导数连续可导。
  3. 自由边界三次样条的边界一阶、二阶导数也是连续的保证速度/加速度连续。
    （对于第三点：由于解方程组时，未知数比方程多两个，就会产生自由边界。）

第四部分：动作规划

最优动作序列

Jerk：加速度的变化率，即加加速度。

  • 过高的Jerk会引起乘客的不适，所以要研究怎么优化Jerk。

Frenet坐标系

相比于笛卡尔坐标系（东南西北），Frenet坐标系使用道路中心线作为参考线。

  • s轴：沿着道路中心线走了多远。
  • d轴：偏离中心线多少（左正右负）。

优势：

  1. 简化了道路曲线拟合的问题，把二维问题简化成一维问题。
  2. 所以计算也简单了。
  3. 保持车道只需要保证 $d=0$。
  4. $s$管速度（停车、巡航）、$d$管方向（变道、避障）。

横向、纵向轨迹优化

  • 将轨迹优化问题分割为横向&纵向。
  • 选取损失函数C，采用使得C最小的轨迹。

1. 横向轨迹的损失函数

主要任务：控制方向（如：车道保持、变道）。
公式：

组成部分 符号含义 惩罚项 对应指标
舒适项 Jerk (加加速度)。
防止方向盘打得太急，避免乘客晕车。		 舒适度
效率项 $k_{t}T$ 耗时。
防止变道或回正动作拖泥带水，动作要干脆。		 效率
偏差项 终点横向偏差。
防止规划结束时车子没回正、压线或偏离中心。		 准确度
  • 调整惩罚项系数$k_j,k_t,k_d$，可以选择更注重哪个指标。

2. 纵向轨迹的损失函数

主要任务：控制速度（如：跟车、巡航、停车）。
公式 (以车速保持场景为例)：

组成部分 符号含义 惩罚项 对应指标
舒适项 Jerk (加加速度)。
防止急刹车或地板油，保证加减速平滑。		 舒适度
效率项 $k_{t}T$ 耗时。
防止长时间达不到目标状态。		 效率
规则项 速度偏差。
: 规划终点速度; $\dot{s_{c}}$: 设定巡航速度。
防止速度不达标（例如限速60却只开40）。		 规则依从性
  • 调整惩罚项系数$k_j,k_t,k_s$，可以选择更注重哪个指标。

3. 总损失函数

公式：

  • 权重调节 ()：
    • (横向权重) 和 (纵向权重) 是人为设定的系数。
    • 作用：决定车子是优先保证“走得直”(横向)，还是优先保证“速度准”(纵向)。

碰撞避免

第六章 车辆模型和高级控制

第一部分：车辆模型

1. 自行车模型

该模型做出的假设：

  1. 忽略车辆在垂直方向上的运动。
  2. 把前轮和后轮的两个轮胎各自看成一个。
  3. 看成和自行车一样，前轮控制转角。

2. 运动学自行车模型

控制输入$(a, \delta_f)$

  • $a$ 表示车辆的加速度。踩油门意味着正的加速度，踩刹车意味着负的加速度。
  • $\delta_f$ 表示方向盘的转角。假定方向盘转角就是前轮当前的转角。

四个状态量：（位置、偏航角、速度）

  • $x$：车辆当前的 $x$ 坐标
  • $y$：车辆当前的 $y$ 坐标
  • $\psi$：车辆当前的偏航角（用弧度来描述，逆时针方向为正）
  • $v$：车辆的速度

相关几何参数：

  • $l_f$：前轮到车辆重心的距离
  • $l_r$：后轮到车辆重心的距离

更新公式：根据运动学定理，运动学自行车模型中各个状态量的更新公式如下：

其中，$dt$ 表示间隔时间，$\beta$ 又如下的公式计算可得：

滑移角

自行车模型假定后轮的转角控制输入 $\delta_r = 0$。

3. 动力学自行车模型

核心思想：当车辆以高速度行驶时，车轮方向不一定是车轮当前的速度方向（侧滑）。
所以该模型考虑了以下两个力：

  • 纵向力：使车辆前后移动的力。
  • 侧向力：使车辆横向移动的力。

轮胎是车辆运动的一个重要力的来源。

  • 体现了由frenet坐标系下车身的纵向和侧向速度来推导笛卡尔坐标系下X和Y两个方向上的车辆行驶速度。

第二部分：PID控制

  • 比例、积分、微分

1. P控制

该控制器控制的是车辆转角。

  • 等值控制是震荡的。

控制输出表示为：

其中，

  • $e(t)$表示在$t$时刻下的CTE（车辆到参考线距离）。
  • 在合理的数值范围内，$K_p$越大，控制效果越好，即：越快回到参考线附近。
  • 但是当CTE和$K_p$都很大时，车辆会失去控制。

2. PD控制

相比于P控制，PD控制引入了CTE变化率这个概念。

  • CTE变化率描述了无人车向着参考线方向移动的快慢。

此时控制输出表示为：

其中，

  • 增大P系数$K_p$增大车辆朝着参考线运动的倾向。
  • 增大D系数$K_d$使得转向更平缓(因为转角速度变化更慢了)。

所以有以下两种情况：

  1. P过大，D过小：

    • 欠阻尼。
    • 无人车将沿着参考线震荡前进。
    • 因为P过大，车辆一直要朝向参考线，但是D过小，转角变化率很快，导致车辆不好控制。

  2. P过小，D过大：

    • 过阻尼。
    • 无人车需要很久才能矫正误差。
    • 因为P很小，而且D很大，所以车辆转角变化很慢，而且不倾向于找到参考线。

3. PID控制

因为PD控制很难消除稳态误差，所以引入了积分环节。

控制输出：

其中，

  • 积分项本质上是车的实际路线到参考线的图形面积，也就是累积的误差。
  • 积分项系数$K_i$的大小影响系统稳定性。
  • 过大使得系统震荡，过小会使得汽车收到扰动后需要很久时间才能回到参考线。

PID参数整定方式

简单来说，就是先P后I最后D.

PID三个环节的总结：

环节名称 优点 缺点
比例环节 (P) 调整系统的开环比例系数，提高系统的稳态精度，减低系统的惰性，加快响应速度。 仅用P控制器，过大的开环比例系数不仅会使系统的超调量增大，而且会使系统稳定裕度变小，甚至不稳定。
积分环节 (I) 消除稳态误差。 积分控制器的加入会影响系统的稳定性，使系统的稳定裕度减小。
微分环节 (D) 使系统的响应速度变快，超调减小，振荡减轻，对动态过程有“预测”作用。

第三部分：模型预测控制

传统PID具有延时性，即控制指令会在未来被执行。而模型预测控制可以避免延时问题。

  • 将更长时间跨度的控制问题分解为几个更短短跨度问题。
  • 包含以下三个因素：
    1. 预测模型：能够在短时间内预测系统将来的变化。
    2. 在线滚动优化：通过算法来优化未来一段时间的控制输入，使得损失最小。
    3. 反馈矫正：到下一个时间点根据新的状态重新预测和优化。

基本步骤：

  1. 从 $t$ 时刻开始，预测未来 $n$ 步的输出信号。（预测模型）
  2. 基于模型的控制信号以及相应的输出信号，构造损失函数，并且通过调整控制信号最优化损失函数。（在线滚动优化）
  3. 将控制信号输入系统。（反馈矫正）
  4. 等到下一个时间点，在新的状态重复步骤 1。
  • 模型预测控制一般应用于无人驾驶横向控制。

第四部分：轨迹追踪

基于几何追踪的方法————纯追踪

思想：
纯追踪就是基于几何原理，算出要把方向盘打多少度，才能让车画一个圆弧，恰好经过前方那个预瞄点。


  • $(g_x,g_y)$是下一个预瞄点。
  • $K$可以表达为：$K =\frac{2}{{l_d}^2} e_l$,纯追踪控制器其实是横向的P控制器。

重点：前视距离$l_d$的参数选择
前视距离 ($l_d$) ：距离目标路径点的前视距离，一般将前视距离表示成车辆纵向速度的线性函数。

  • 计算公式
前视距离 ($l_d$) 设定 优点 缺点/问题 适用场景与表现
较短 ($l_d$ 小) 追踪精确：车辆能够紧紧贴合参考路径行驶。 容易震荡：控制过于敏感，车辆容易在路径左右来回摆动 (Oscillation)，导致行驶不稳定。 适用于低速行驶，或者路径曲率变化不大且需要高精度跟踪时。
较长 ($l_d$ 大) 轨迹平滑：控制动作更加温柔，车辆行驶更加稳定。 转向不足：在急转弯或大曲率路段，车辆会“切内角” (Cut corners)，无法精确经过路径点。 适用于高速行驶，为了防止翻车或失控，优先保证车辆的稳定性。
动态调整策略 平衡性能：在不同速度下都能获得较好的跟踪效果。 参数整定：需要根据实际车辆特性调整系数 $k$。 常用方法：将前视距离设为纵向速度的函数 (通常是线性关系 $l_d = k \cdot v_x$)。
约束：通常会设置一个最大值和最小值来限制前视距离的范围。
  • 核心结论：前视距离的调整本质上是在“精确性”和“稳定性”之间做权衡。纯追踪算法的关键在于找到适合当前速度的最佳前视距离。