L2级别自动驾驶 软件架构设计

L2 级自动驾驶（按 SAE 标准定义，为 "部分自动化"）的核心是在结构化道路（如高速、城市快速路）中同时实现纵向（加速 / 减速）和横向（转向）控制，但需驾驶员持续监控环境并随时接管。其软件架构需围绕这一目标，平衡功能实现、安全性、成本与用户体验，整体可分为感知、定位与建图、预测、规划、控制、人机交互（HMI）、系统管理及安全保障八大核心模块。

一、架构设计核心原则

L2 级架构需满足以下原则，以适配其应用场景（结构化道路、低复杂度环境）和功能定位（辅助驾驶而非替代驾驶）：

• 场景聚焦：核心支持高速巡航、车道保持、交通拥堵辅助等结构化场景，不覆盖复杂城市道路（如无保护左转）。
• 成本可控：依赖摄像头 + 毫米波雷达（而非激光雷达），无需高精地图，降低硬件成本。
• 人机协同：明确驾驶员为责任主体，需设计驾驶员监控、接管提醒等机制，避免系统 "越权"。
• 功能安全：符合 ISO 26262（功能安全）和 ISO 21448（预期功能安全），确保系统故障或性能不足时可安全降级。

二、核心模块及功能设计

1. 感知层：环境信息采集与解析

感知层是系统的 "眼睛"，负责实时获取车辆周围环境数据，为后续决策提供输入。

• 核心目标：检测关键环境要素（如车辆、车道线、障碍物），输出其位置、速度、类别等信息。

• 传感器配置 ：

  • 摄像头：负责识别车道线、交通标志、行人、近距离障碍物（依赖图像识别算法）。
  • 毫米波雷达：主力传感器，负责检测远距离（150-200 米）前车、侧方车辆，不受雨雪雾等天气影响。
  • 超声波雷达：辅助近距离（<5 米）检测（如低速跟车时的近距离障碍物）。
  • 注：L2 级通常不搭载激光雷达（成本高），且对环境感知精度要求低于 L3+。

• 关键算法 ：

  • 目标检测（基于深度学习的摄像头目标识别、雷达点云聚类）；
  • 车道线检测（基于边缘检测 + 深度学习，输出车道线位置和曲率）；
  • 数据融合（融合摄像头与雷达数据，弥补单一传感器缺陷，如摄像头易受光照影响，雷达缺乏类别信息）。

2. 定位与建图层：车辆自身位置感知

L2 级无需高精地图（HD Map），仅需实现车道级粗略定位，支持车道保持和跟车功能。

• 核心目标：确定车辆在当前车道内的位置（如距离左右车道线的距离）和行驶方向。

• 技术方案 ：

  • 多源融合定位：GNSS（GPS / 北斗）提供全局位置，结合 IMU（惯性测量单元）、轮速计修正短时间漂移；
  • 车道线辅助定位：通过感知层输出的车道线位置，直接计算车辆在车道内的偏移量（核心依赖，因结构化道路车道线稳定）。

• 特点：定位精度要求低（米级即可），无需依赖高精地图的精细语义信息（如车道属性、坡度）。

3. 预测层：周围目标行为预判

预测层需预判周围目标（如前车、侧车）的短期行为，为规划层提供决策依据。

• 核心目标：预测 1-3 秒内目标的运动轨迹（如前车是否减速、是否变道）。
• 场景适配 ：L2 级场景为结构化道路（高速、快速路），目标行为模式简单（如车辆变道少、以跟车为主），因此预测逻辑较简单：
  • 前车行为预测：基于历史速度、加速度，预判其是否保持匀速、减速或加速；
  • 侧方车辆预测：结合转向灯信号（若感知到），预判是否会切入本车道。

4. 规划层：行驶轨迹与速度决策

规划层是 L2 功能的 "大脑"，根据感知、预测结果和驾驶员输入（如巡航速度），生成安全、舒适的行驶方案。

• 核心功能 ：

  • 纵向规划（对应 ACC 自适应巡航）：根据前车距离、速度及驾驶员设定的巡航速度，决策加速、减速或匀速（确保与前车保持安全距离）；
  • 横向规划（对应 LCC 车道居中控制）：根据车道线位置，规划车辆在车道内的居中轨迹（避免偏移）；
  • 功能组合：支持 "ACC+LCC" 联动（如高速巡航时同时保持跟车和车道居中），或交通拥堵辅助（TJA，低速时自动跟车 + 车道保持）。

• 约束条件：需满足安全性（不追尾、不压线）、舒适性（避免急加速 / 转向）、合法性（不超速）。

5. 控制层：执行器指令转化

控制层将规划层的决策转化为车辆执行器（油门、刹车、转向）的具体操作，是 "手脚"。

• 核心目标：精准执行规划的速度和轨迹，同时响应驾驶员接管（如驾驶员踩油门 / 打方向盘时，系统退出）。
• 关键技术 ：
  • 纵向控制：通过调节油门开度（加速）或刹车压力（减速），实现目标速度；
  • 横向控制：通过控制转向电机角度，实现车道居中（需考虑转向系统延迟和车辆动力学特性）；
  • 权限管理：实时检测驾驶员操作（如方向盘扭矩、踏板信号），优先级高于系统控制（确保驾驶员可随时接管）。

6. 人机交互（HMI）：驾驶员与系统的沟通桥梁

HMI 负责向驾驶员传递系统状态，同时接收驾驶员指令（如激活 / 退出功能、设定巡航速度）。

• 核心功能 ：
  • 状态显示：在仪表盘 / 中控屏显示 "ACC 激活""车道保持中""与前车距离""系统即将退出" 等信息；
  • 提醒机制：通过声音（蜂鸣）、震动（方向盘 / 座椅）或视觉（图标闪烁）提醒驾驶员接管（如车道线丢失、传感器故障）；
  • 操作入口：提供物理按键（如方向盘巡航按钮）或触屏，支持功能开关、速度调节。

7. 系统管理模块：功能激活与状态监控

负责 L2 功能的 "开关控制" 和健康管理，确保系统在合适场景下工作。

• 核心功能 ：
  • 激活 / 退出逻辑：仅在满足条件时激活（如车速 60-130km/h、车道线清晰、前方有可检测目标）；当条件不满足（如车道线丢失、恶劣天气导致感知失效）时，逐步退出并提醒驾驶员；
  • 故障诊断：监控传感器、算法、执行器状态，若发现故障（如雷达无信号），立即降级或退出；
  • 日志记录：存储系统运行数据（如感知结果、控制指令），用于后续故障分析。

8. 安全保障模块：风险防控核心

L2 级需通过多重机制确保安全，避免因系统缺陷或驾驶员疏忽导致事故。

• 核心模块 ：
  • 驾驶员状态监测（DMS）：通过摄像头检测驾驶员注意力（如是否注视前方、眨眼频率），若注意力分散，逐级提醒（警告→系统退出）；
  • 功能安全（ISO 26262）：硬件层面设计冗余（如关键传感器备份），软件层面通过 "watchdog" 监控程序运行，确保故障时进入安全状态（如减速至停车）；
  • 预期功能安全（SOTIF）：针对感知算法局限性（如暴雨天车道线识别失效），提前定义边界场景，触发时主动提醒接管。

三、L2 架构与高等级自动驾驶的差异

维度	L2 级架构	L3 + 级架构
传感器	摄像头 + 毫米波雷达（低成本）	增加激光雷达 + 高精地图（高成本）
定位依赖	车道线 + GNSS（无需高精地图）	高精地图 + 多源融合（厘米级定位）
驾驶员角色	持续监控环境，随时接管	特定场景下系统主导，需接管时提醒
功能场景	结构化道路（高速、快速路）	覆盖复杂城市道路
算法复杂度	低（规则 + 简单深度学习）	高（多模态融合 + 强化学习）

总结

L2 级自动驾驶软件架构以 "结构化道路辅助驾驶" 为核心，通过感知（摄像头 + 雷达）、定位（车道线辅助）、预测（简单场景）、规划（ACC+LCC）、控制（执行器协同）五大模块实现功能，并依赖 HMI、系统管理和安全模块确保人机协同安全。其设计重点是成本控制、场景适配和驾驶员监控，为高等级自动驾驶奠定基础。