1.1.1　什么是自动驾驶

相较于传统车辆，具有自动驾驶功能的车辆不需要驾驶员的操作，就能够自动完成车辆的驾驶。不同于全自动洗衣机等家用电器，也不同于全自动生产线等工厂设备，自动驾驶车辆所处的行驶环境远比面积有限的家庭环境和以固定设施为主的工厂环境要复杂。其复杂度主要表现为行驶路线的多样性、道路障碍的随机性等，同时交通安全的严肃性更增加了车辆在复杂环境中的行驶挑战。自动驾驶技术的发展目标是完全替代驾驶员操控车辆在复杂环境中行驶并顺利抵达目的地，因此在定义自动驾驶之前，需要先明确驾驶员在传统车辆驾驶中所发挥的作用。

如图1.2所示，传统车辆整体上是一个典型的机电结构，其行驶过程本质上是一个刚性物体在车轮驱动下的运动问题，涉及前进、后退、转向及停止等运动状态。

为实现这些运动状态，车辆安装了复杂的机电部件，其中包括能源转化、动力输出、机械传动、转向控制及刹车制动等一系列的车辆基础机电装置。由于车辆基础机电装置需要由驾驶员进行操控，车辆还要搭载乘客及货物等载荷，因此车辆还需要加装其他相关部件，其中包括座椅、方向盘、油门、刹车和反光镜等驾驶装置，还包括空调、音响、客货仓等辅助装置，如图1.3所示。经过了近一个半世纪的升级换代，传统车辆的基础装置、驾驶装置和辅助装置已经发展得非常成熟。近几十年，传统汽车技术的发展主要集中在降低能源消耗与环保，提升机械性能与效率等方面，更加注重提升驾乘人员的舒适性和安全性体验。

如果隐藏车辆内部复杂的机电系统，将其简化为一个受控的执行对象，那么从控制理论的角度分析，车辆行驶的过程是一个刚性物体在控制系统作用下的移动过程。在这个过程中，如果没有驾驶员的介入，控制系统将处于不稳定的开环状态，换言之，让传统车辆在没有驾驶员的情况下自行上路行驶是极不安全的。如果希望控制系统稳定，通常的做法是为受控对象建立反馈环节并进行闭环控制。因此传统车辆的行驶必须配备驾驶员，通过驾驶员的介入，使车辆的行驶始终处于稳定的闭环控制之中，以达到安全行驶并顺利抵达目的地的最终要求。

如果忽略行驶过程中的路况环境、车辆状态等复杂因素，仅完成按指定路线行进的基本任务，则这个闭环控制系统中的基本参量就是车辆的位置信息。如图1.4所示，对车辆位置的测量反馈将通过驾驶员的“观测”完成，对行驶参照位置的设定将由驾驶员的“决策”完成，对车辆行驶位置的误差消除将由驾驶员的“操控”完成。如果考虑车辆行驶的路线规划、交通规则、随机障碍、车体状态、载荷变化、能耗指标及突发事件等诸多因素，作为闭环控制中枢（控制器）的驾驶员还需要承担“感知”环境，“预测”轨迹等相关任务。

在传统车辆的行驶过程中，驾驶员是控制系统的控制中枢，车辆是控制系统的执行对象，二者以反馈闭环的形式共同应对复杂的交通环境，共同完成行驶任务。由此可见，自动驾驶车辆中的自动驾驶系统必须能像驾驶员一样承担起闭环控制中枢的全部职能。类比驾驶员操作车辆的全过程，自动驾驶系统也需要“观测”车辆位置，“感知”周围路况，“预测”障碍轨迹，“决策”车辆行驶路径，“控制”车辆运动状态。以上这些能力皆应纳入“自动驾驶”功能的定义范畴。

自动驾驶车辆需要保留传统车辆的基础装置和辅助装置，而专为驾驶员配置的驾驶装置理论上可以简化或者完全去除，但由于目前的自动驾驶技术尚未完全成熟，在很多情况下仍需要驾驶员进行干预，因此自动驾驶车辆仍然保留了传统车辆的所有装置，并在此基础上添加了自动驾驶的相关装置。在自动驾驶技术完全成熟落地之前，所谓的自动驾驶车辆都属于过渡产品，其控制中枢的功能逐步从驾驶员向自动驾驶系统过渡。