2-2 无人驾驶汽车的工作过程 无人驾驶汽车的感知、决策与控制执行教案 清华大学版信息科技六年级下册.docx
第二课教案
《无人驾驶汽车的工作过程——无人驾驶汽车的感知、决策与控制执行》
教学时间
2024.xx.xx
教学班级
六年级
课程名称
无人驾驶汽车的工作过程——无人驾驶汽车的感知、决策与控制执行
课时
1课时
教学目标
一、知识与技能
1.了解无人驾驶汽车的工作过程；
2.掌握无人驾驶汽车的工作三大部分：感知、决策和控制执行；
3.理解无人驾驶汽车工作使用的技术。
二、过程与方法
1.通过小组合作的方式，让学生了解无人驾驶汽车的工作过程。
三、情感态度与价值观
1.通过本节课学习，增强学习信息科技知识的趣味和自信心。
重点
1．认识理解无人驾驶汽车工作过程。
难点
1.理解无人驾驶汽车的使用的技术。
教具
WPS软件、教学视频。
教学方法
教学展示、小组讨论、兴趣驱动。
教学过程
教师
学生
一、导入（5分钟）
（互动提问）同学们，你们知道无人驾驶汽车都有哪些能实现自动驾驶的设备吗？
学生思考并回答问题
知识讲解（20—30分钟）
无人驾驶汽车的工作过程
无人驾驶汽车的职责内容就是要在保障安全的前提下，到达指定的目的地。
1.感知：开始执行该任务，无人驾驶汽车会先弄清楚自己现在身处何地，周围有什么；
2.决策：而后根据这些情况，预设接下来会发生什么事，思考出应对方法；
3.控制执行：最后自主完成车辆行驶控制。
（二）感知
感知在无人驾驶汽车工作过程中就是利用各种传感器采集并提取有意义的信息，而后推送至感知子系统以充分了解无人驾驶汽车所处的环境。
1.“传感”子系统
传感器
功?能
优?点
不?足
摄像头
通常安置在汽车前玻璃上，能构建立体图像，可以捕捉图像数据和距离数据，可以检测远处的信号等。
成本低廉，参与摄像头算法的开发人员也比较多，技术相对成熟。
对环境因素敏感，受环境限制比较大；算法复杂。
如果把无人驾驶汽车当成人来看，人是通过感官来观察外界环境，对应的无人驾驶汽车也需要“感官”来对工作时的路况进行观察，而无人驾驶汽车的感官就是雷达、激光雷达、摄像头等感知设备，所以传感子系统就是通过这些设备获取外界信息，并将有价值的信息传递给感知子系统，如图所示。（课堂活动）无人驾驶汽车上的传感器有很多，它们都有什么功能和特点呢?查找相关资料，并汇总到下表中。
“感知”子系统
感知子系统主要完成两个任务：定位、物体识别与追踪。
（1）定位。无人驾驶汽车需要知道自己在环境中的确切位置且定位的误差不能超过10cm，避免发生事故。无人驾驶汽车广泛使用的定位方法是卫星系统定位导航，其中我国自主研发的北斗卫星系统在无人驾驶汽车定位导航中占重要的地位。
（2）物体识别和追踪。无人驾驶汽车要清楚自己周围环境信息，以便对这些物体进行行为预判，做出应对策略。物体识别和追踪可被用来追踪邻近行驶的车辆或者路上的行人，也可对交通标志和信号灯进行识别。该环节就是将传感设备如摄像头、激光雷达等提供的信息，利用人工智能相关技术。
（三）决策
感知环节让无人驾驶汽车知道自己所处的位置、周围存在的事物，就需要无人驾驶汽车像人类驾驶员一样，能够根据已知的情况，预判周围事物的走向，根据定位规划安全的行车路线等。所以在决策阶段，无人驾驶汽车需要对周边车辆进行行为预测、规划安全的行驶路径及对周围障碍物设置避障机制，从而制订出一个较“优美”的行驶策略，控制车辆的运行。
行为预测
车辆驾驶中主要考验的是司机如何应对其他行驶车辆的可能行为，这种预判断直接影响司机本人的驾驶决策，无人驾驶汽车也模拟着这个环节，如何根据周围车辆的行驶状况决策下一秒的行驶行为显得至关重要。
周围车辆行为预测，就是无人驾驶汽车将识别到的车辆及追踪到的相关信息，如车辆行驶方向、速度等与卫星导航系统提供的当前路况信息相融合，通过算法生成相关预测信息，对车辆的行为进行预判，如图所示。
路径规划
在得到卫星导航提供的车辆位置信息和周围车辆行为预测等信息后，无人驾驶汽车可以决定要行驶的路线，规划一条无碰撞且能安全到达目的地的有效路径，按照指标行驶。
路径规划主要工作内容：建立障碍区域与自由区域的环境地图，通过智能算法，在环境地图中快速规划出可行驶的路径，引导车辆从当前位置行驶到达目标位置。无人驾驶汽车行驶路线的规划并非易事，不当的路径规划有可能造成致命的伤害，如图所示。
避障机制
感知阶段提前对障碍物进行识别，决策阶段制订出避障方法，这对于规划安全的行驶策略至关重要。在避障机制中通常使用至少两个层级预判障碍：
（1）前瞻层。避障机制的第一层级是基于路况预测的前瞻层，预测模块根据现有的交通状况如拥堵、车速等，预测出可能发生碰撞的时间、距离等参数，基于这些预测，避障机制将被启动，以重新规划安全路径。
（2）实时反应层。如果前瞻层预测失效，则第二级实时反应层将使用雷达等数据再次进