3. 自动驾驶系统总览

工程机械自动驾驶系统并不是把摄像头、雷达、控制器简单堆叠到一台挖掘机或矿卡上，而是一个由感知、定位、决策、规划、控制、执行、通信与安全等模块共同构成的闭环系统。理解各模块的职责边界与协同关系，是后续学习传感器标定、路径跟踪、远程接管和功能安全的基础。本章从系统总览出发，先建立模块地图，再说明数据如何在模块之间流动，最后给出典型作业场景与常见误区。

一、核心原理：八模块职责分工

工程机械自动驾驶系统可以按“环境输入—状态估计—任务决策—轨迹生成—动作执行—安全保障”的主线划分为八个模块。每个模块既有独立职责，又必须通过统一的时间基准和坐标系统协同工作。

• 感知模块：通过激光雷达、毫米波雷达、摄像头、超声波等传感器获取周围障碍物、人员、车辆、料堆、边坡和作业面信息，输出目标列表、可通行区域和语义地图。
• 定位模块：融合GNSS/RTK、IMU、轮速计、激光SLAM和视觉里程计，给出车辆在全局坐标系与作业坐标系中的位置、姿态和速度。
• 决策模块：根据任务目标、交通规则、作业约束和安全状态，决定“做什么”，例如继续装载、等待避让、请求接管或紧急停车。
• 规划模块：把决策转化为可执行的路径或轨迹，包括全局路径规划、局部避障规划和作业轨迹规划，输出带时间戳的轨迹点序列。
• 控制模块：根据轨迹与当前状态偏差，计算转向角、油门、制动和作业装置控制量，常用纯跟踪、模型预测控制或PID控制。
• 执行模块：由线控转向、线控制动、电控油门、液压比例阀和作业机构控制器组成，把控制指令转化为机械动作。
• 通信模块：负责车内有线/无线网络、V2X、远程遥控链路和云端任务下发，保证低时延、高可靠的数据传输。
• 安全模块：贯穿全系统，负责故障检测、降级策略、急停链路、安全域隔离和人员接近保护。

二、方法流程：数据流与协同关系

从数据流角度看，各模块按固定周期运行，并通过消息中间件交换数据。感知和定位通常运行在10～50Hz，决策与规划运行在5～20Hz，控制运行在50～100Hz，执行机构响应在毫秒级。时间同步和坐标统一是协同的前提，否则会出现“看得见但停不准”的问题。

图中实线表示主数据流，虚线表示反馈与监控。感知与定位并行输入决策，决策产生行为意图，规划把意图转成轨迹，控制把轨迹转成执行指令，执行机构驱动车辆和作业装置。通信模块承担车端与远程操作台、云端调度系统之间的桥梁作用，安全模块则以监控者身份贯穿所有环节。

三、案例场景：矿卡装载循环中的模块协同

以露天矿无人矿卡装载循环为例：车辆接近装载区时，感知模块识别电铲位置、料堆边界和人员活动区；定位模块提供厘米级位姿，确保车辆停在电铲指定装料点；决策模块判断是否满足装载条件，若人员进入危险区则触发等待；规划模块生成倒车入位轨迹和装载后驶离轨迹；控制模块控制转向和车速，使车辆沿轨迹精准停靠；执行模块完成举斗、装载和行驶动作；通信模块把装载进度和车辆状态回传调度中心；安全模块持续监测急停按钮、人员接近和通信链路质量，一旦异常立即降级或停车。

四、常见误区与复盘

第一个误区是“重感知、轻定位”。很多团队把大量资源投入目标检测，却忽视定位漂移和坐标变换误差，导致规划轨迹与实际作业面错位。第二个误区是“决策与规划边界不清”，把避障逻辑同时写在决策和规划中，造成行为冲突。第三个误区是“安全模块后置”，把急停和降级当作最后补丁，而不是从架构设计阶段就纳入。