自動駕駛的核心技術(shù)是什么----一篇文章帶你揭開自動駕駛的神秘面紗
2022-04-29 14:00:07

1.自動駕駛發(fā)展歷史

早在1925年，世界上就誕生了第一輛自動駕駛汽車，不過，依照我們當(dāng)下的技術(shù)水準(zhǔn)來看，那時的自動駕駛，或者只是在炒概念。

因為當(dāng)時的自動駕駛，就是駕駛員通過無線電操控汽車，什么意思呢，打個簡單比方，就是小孩子玩的遙控賽車，但是也具有其深刻的現(xiàn)實意義，比如軍事領(lǐng)域中，遙控?zé)o人機的應(yīng)用，在大型災(zāi)害現(xiàn)場展開搜救，使用無人監(jiān)控器進(jìn)入到人和搜救犬無法進(jìn)入的地方進(jìn)行探測。

而隨著電腦和電子信息技術(shù)的發(fā)展，類似于電子脈沖信號反饋，雷達(dá)監(jiān)測的技術(shù)逐漸應(yīng)用，才開始出現(xiàn)自動駕駛應(yīng)該有的模樣，比如，探測裝置監(jiān)測到汽車周邊障礙物，及時反饋到行車電腦，隨后系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)必然指令，傳導(dǎo)至轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，這樣我們就看到了方向盤自己轉(zhuǎn)動的情形了。

2.自動駕駛的核心技術(shù)

提到智能車(Intelligent vehicle)，我想大家都不會陌生，智能車是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中運用了計算機、現(xiàn)代傳感、信息融合、通訊、人工智能及自動控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體，自動駕駛便與之有著異曲同工之妙。自動駕駛的核心技術(shù)依次可以分為環(huán)境感知、行為決策、路徑規(guī)劃和運動控制四大部分。

1.環(huán)境感知

環(huán)境感知能力通俗來講就是需要知道和感應(yīng)到周圍的環(huán)境，和人類的眼睛一樣，這個輪式機器人也有它自己的眼睛，用來識別周邊的車輛、障礙物、行人等路上的情況。

我們眼睛的主要構(gòu)成部分是眼球，通過調(diào)節(jié)晶狀體的彎曲程度來改變晶狀體焦距來獲得實像。那自動駕駛的眼睛是由什么構(gòu)成的呢？答案是傳感器。包括攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)，還有紅外線、超聲波雷達(dá)等。

你可能會驚訝，需要這么多眼睛？沒錯，它是長滿了眼睛的小怪獸，通常擁有10+只眼睛。

其中，最常用的是攝像頭，幾乎是毫無爭議地被所有開發(fā)者采用。它和人類的眼睛最接近，可以看清有顏色的標(biāo)識、物體，看得懂字體，分得清紅綠燈。但是缺點也不少，比如在夜晚或惡劣的天氣下視力就嚴(yán)重下降，也不擅長遠(yuǎn)距離觀察。

其次是頗富爭議的LiDAR，即激光雷達(dá)。比較常見的是在車頂，像是頂不停旋轉(zhuǎn)的帽子。原理很簡單，就是通過計算激光束的反射時間和波長，可以完成繪制周邊障礙3D圖。而短板則是無法識別圖像和顏色。

毫米波雷達(dá)也不得不提一提，因為它的全能–可以全天候工作，這使得它不可或缺，即便它無法識別高度，分辨率不高，也難以成像。但它憑借其穿透塵霧、雨雪的硬本領(lǐng)，站穩(wěn)一席之地。

可以通過下面這個性能對比表格，了解主流傳感器的優(yōu)勢和軟肋。

如此多各式各樣的眼睛，那她的視力一定很好咯？那也未必。你以為星多天空亮，可它們之間能夠互補還好，但也難免會產(chǎn)生矛盾。這么多只眼睛你要優(yōu)先選擇相信誰，這也是一個課題叫Sensor Fusion，傳感器融合。根據(jù)每種傳感器的優(yōu)缺點來綜合評判信息的準(zhǔn)確度，得到更可靠的最終結(jié)果。傳感器融合的另一個優(yōu)點是，換來一定程度的冗余，即便某只眼睛暫時失明，也不會影響它安全前行。

2.行為決策

通過眼睛識別得到了周邊環(huán)境，接下來就要充分利用這些信息進(jìn)行理解分析，決定自己該如何走下一步。要完成這項任務(wù)的就是最強大腦。

決策層是自動駕駛技術(shù)的腦力擔(dān)當(dāng)，而大腦的重要性自然不言而喻了。傳感器會對周圍環(huán)境進(jìn)行充分感知，從而生成龐大的數(shù)據(jù)信息，而決策層需要在接受這些信息后，從安全性、舒適性、節(jié)能性等多個方面綜合考慮，從而找住最優(yōu)、最合理的駕駛決策，然后將指令發(fā)送至執(zhí)行層，實現(xiàn)車輛的自動駕駛。

無論是提高車輛對環(huán)境的感知精度，還是底層執(zhí)行系統(tǒng)的控制精度，都是優(yōu)化自動駕駛的性能，但是決策層的研究才是決定自動駕駛能否實現(xiàn)的關(guān)鍵所在。如果決策不合理，即便一款車對環(huán)境的感知再精準(zhǔn)，對駕駛動作的執(zhí)行再迅速，最終必然會存在風(fēng)險，威脅駕駛的安全性。只有當(dāng)決策合理時，駕駛性能的優(yōu)越性才能夠體現(xiàn)。正因為如此，目前自動駕駛技術(shù)的發(fā)展瓶頸也聚焦于這里。

自動駕駛技術(shù)說到底是多個系統(tǒng)協(xié)同工作實現(xiàn)的，缺乏任何一個方面都不可能實現(xiàn)。但是，從影響的層級來說，決策在這當(dāng)中顯得更為重要，因為其他層面的技術(shù)是為了讓車跑得更快，跑得更好，但是決策能力的高低關(guān)鍵在于這輛車能不能跑，跑得安全不安全，這是自動駕駛技術(shù)真正能上路使用的前提。

跟人類的大腦一樣，我們不是天生就會開車，也不是拿到駕照就成老司機了。需要一定的知識積累，自動駕駛機器人也同樣需要。完成大腦中的知識庫有兩種方式：專家規(guī)則式和AI式。

專家規(guī)則式，英文叫rule-based。即提前編寫好規(guī)則，當(dāng)需要做決定的時候必須嚴(yán)格遵守這些規(guī)則。舉個栗子，當(dāng)準(zhǔn)備超車變道時，需要滿足以下條件（這是一個假專家，僅供參考）：道路半徑大于500R（彎道不變道）；跟目標(biāo)車道上的前后車的距離都在20m以上；比后車的車速慢不超過5km/h；等等等等。…以上N個條件同時滿足時，即可超車變道。通過AI式積累知識庫，會讓她的反應(yīng)更加靈活。專家也難免有疏忽，更何況交通瞬息萬變，沒有靈活的大腦如何應(yīng)對我大中華的路況呢？

3.路徑規(guī)劃

首先來說明三個概念，路徑規(guī)劃、避障規(guī)劃、軌跡規(guī)劃。路徑規(guī)劃通常指全局的路徑規(guī)劃，也可以叫全局導(dǎo)航規(guī)劃，從出發(fā)點到目標(biāo)點之間的純幾何路徑規(guī)劃，無關(guān)時間序列，無關(guān)車輛動力學(xué)。

避障規(guī)劃又叫局部路徑規(guī)劃，又可叫動態(tài)路徑規(guī)劃，也可以叫即時導(dǎo)航規(guī)劃。主要是探測障礙物，并對障礙物的移動軌跡跟蹤（Moving Object Detection and Tracking ，一般縮寫為MODAT）做出下一步可能位置的推算，最終繪制出一幅包含現(xiàn)存碰撞風(fēng)險和潛在碰撞風(fēng)險的障礙物地圖，這個潛在的風(fēng)險提示是100毫秒級，未來需要進(jìn)一步提高，這對傳感器、算法的效率和處理器的運算能力都是極大的挑戰(zhàn)，避障規(guī)劃不僅考慮空間還考慮時間序列，在復(fù)雜的市區(qū)運算量驚人，可能超過30TFLOPS，這是無人車難度最高的環(huán)節(jié)。未來還要加入V2X地圖，避障規(guī)劃會更復(fù)雜，加入V2X地圖，基本可確保無人車不會發(fā)生任何形式的主動碰撞。

軌跡規(guī)劃則源自機器人研究，通常是說機械臂的路徑規(guī)劃。在無人車領(lǐng)域，軌跡規(guī)劃的定義感覺不統(tǒng)一。有人將避障規(guī)劃與軌跡規(guī)劃混淆了。軌跡規(guī)劃應(yīng)該是在路徑規(guī)劃和避障規(guī)劃的基礎(chǔ)上，考慮時間序列和車輛動力學(xué)對車輛運行軌跡的規(guī)劃，主要是車縱向加速度和車橫向角速度的設(shè)定。將設(shè)定交給執(zhí)行系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向、油門、剎車。如果有主動懸掛，那么軌跡規(guī)劃可能還要考慮地形因素。

三大規(guī)劃是無人車最復(fù)雜的部分，算法多不勝數(shù)，讓人眼花繚亂，這也是百度、谷歌和蘋果科技巨頭要切入無人車領(lǐng)域的主要原因，這些科技巨頭最擅長的就是算法的優(yōu)化整合。當(dāng)然傳統(tǒng)車廠如福特和豐田，擁有對車輛動力學(xué)的絕對優(yōu)勢，在此領(lǐng)域?qū)嵙Σ⒉槐瓤萍季揞^要差，尤其是豐田，從開源SLAM到KITTI，軟件實力絲毫不次于谷歌。

4.運動控制

簡單地說，運動控制主要包括線控制動、轉(zhuǎn)向和油門。某些高級車上，懸掛也是可以線控的。線控執(zhí)行中制動是最難的部分。

線控油門相當(dāng)簡單，且已經(jīng)大量應(yīng)用，也就是電子油門，凡具備定速巡航的車輛都配備有電子油門。電子油門通過用線束（導(dǎo)線）來代替拉索或者拉桿，在節(jié)氣門那邊裝一只微型電動機，用電動機來驅(qū)動節(jié)氣門開度。一般而言，增減油門就是指通過油門踏板改變發(fā)動機節(jié)氣門開度，從而控制可燃混合氣的流量，改變發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和功率，以適應(yīng)汽車行駛的需要。傳統(tǒng)發(fā)動機節(jié)氣門操縱機構(gòu)是通過拉索或者拉桿，一端聯(lián)接油門踏板，另一端聯(lián)接節(jié)氣門連動板而工作。但這種傳統(tǒng)油門應(yīng)用范疇受到限制并缺乏精確性。電子油門的主要功能是把駕駛員踩下油門踏板的角度轉(zhuǎn)換成與其成正比的電壓信號，同時把油門踏板的各種特殊位置制成接觸開關(guān)，把怠速、高負(fù)荷、加減速等發(fā)動機工況變成電脈沖信號輸送給電控發(fā)動機的控制器ECU，以達(dá)到供油、噴油與變速等的優(yōu)化自動控制。

電子油門控制系統(tǒng)主要由油門踏板、踏板位移傳感器、ECU（電控單元）、數(shù)據(jù)總線、伺服電動機和節(jié)氣門執(zhí)行機構(gòu)組成。位移傳感器安裝在油門踏板內(nèi)部，隨時監(jiān)測油門踏板的位置。當(dāng)監(jiān)測到油門踏板高度位置有變化，會瞬間將此信息送往ECU，ECU對該信息和其它系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行運算處理，計算出一個控制信號，通過線路送到伺服電動機繼電器，伺服電動機驅(qū)動節(jié)氣門執(zhí)行機構(gòu)，數(shù)據(jù)總線則是負(fù)責(zé)系統(tǒng)ECU與其它ECU之間的通訊。在自適應(yīng)巡航中，則由ESP（ESC）中的ECU來控制電機，進(jìn)而控制進(jìn)氣門開合幅度，最終控制車速。博世和大陸都有全套的電子油門系統(tǒng)出售。

線控轉(zhuǎn)向也已經(jīng)得到實際應(yīng)用，這就是日產(chǎn)旗下的英菲尼迪Q50。實際目前的電子助力轉(zhuǎn)向（EPS）非常接近線控轉(zhuǎn)向了。EPS與線控轉(zhuǎn)向之間的主要差異就是線控轉(zhuǎn)向取消了方向盤與車輪之間的機械連接，用傳感器獲得方向盤的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，然后ECU將其折算為具體的驅(qū)動力數(shù)據(jù)，用電機推動轉(zhuǎn)向機轉(zhuǎn)動車輪。而EPS則根據(jù)駕駛員的轉(zhuǎn)角來增加轉(zhuǎn)向力。線控轉(zhuǎn)向的缺點是需要模擬一個方向盤的力回饋，因為方向盤沒有和機械部分連接，駕駛者感覺不到路面?zhèn)鲗?dǎo)來的阻力，會失去路感，不過在無人車上，就無需考慮這個了。在Q50L上線控轉(zhuǎn)向還保留機械裝置，保證即使電子系統(tǒng)全部失效，依然可以正常轉(zhuǎn)向。

線控制動是最關(guān)鍵的也是難度最高的。要了解線控制動，首先要了解汽車的剎車原理。輕型車通常采用液壓制動。

傳統(tǒng)制動系統(tǒng)主要由真空助力器、主缸、儲液壺、輪缸、制動鼓或制動碟構(gòu)成。當(dāng)踩下剎車踏板時，儲液壺中的剎車油進(jìn)入主缸，然后進(jìn)入輪缸。

輪缸兩端的活塞推動制動蹄向外運動進(jìn)而使得摩擦片與剎車鼓發(fā)生摩擦，從而產(chǎn)生制動力。

當(dāng)駕駛者踩下制動踏板時，機構(gòu)會通過液壓把駕駛?cè)四_上的力量傳遞給車輪。但實際上要想讓車停下來必須要一個很大的力量，這要比人腿的力量大很多。所以制動系統(tǒng)必須能夠放大腿部的力量，要做到這一點有兩個辦法： · 杠桿作用 · 利用帕斯卡定律，用液力放大。制動系統(tǒng)把力量傳遞給車輪，給車輪一個摩擦力，然后車輪也相應(yīng)的給地面一個摩擦力。

在我們討論制動系統(tǒng)構(gòu)成原理之前，讓我們了解三個原理：

·杠桿作用 ·液壓作用 ·摩擦力作用

杠桿作用已經(jīng)無需贅言，大家想必已經(jīng)爛熟于心，在杠桿的左邊施加一個力F，杠桿左邊的長度（2X）是右邊（X）的兩倍。因此在杠桿右端可以得到左端兩倍的力2F，但是它的行程Y只有左端行程2Y的一半。剎車踏板就是個杠桿?？紤]到踏板的傾斜度，一般踏板的設(shè)計行程不超過18厘米。液壓原理需要特別說明，液體是無法被壓縮的，密閉容器里的液體的壓力有個特點：不論是液體內(nèi)部、還是壓向容器壁的力，到處都一樣大。——即：如果一平方米上有一噸的力量，那么在所有的地方，一平方米上的力都是一噸。這叫帕斯卡定理。由于液體無法壓縮，所以這種方式傳遞力矩的效率非常高，幾乎100%的力傳。液壓傳力系統(tǒng)最大的好處就是可以以任何長度，或者曲折成各種形狀繞過其他部件來連接兩個圓桶型的液壓缸。還有一個好處就是液壓管可以分支，這樣一個主缸可以被分成多個副缸。液壓的另一個作用就是放大力矩。如果主缸的直徑是1寸，輪缸的直徑是3寸，那么給主缸上面施加任何一個力，就會在輪缸上放大9倍。不過主缸的活塞推動9厘米，輪缸的活塞推動距離只有1厘米，能量守恒。通常轎車的主缸直徑是22毫米，前輪缸直徑是32毫米，后輪缸直徑是28毫米。

不同的材料表面，有不同的鋸齒結(jié)構(gòu)；舉例來說：橡皮與橡皮之間就比鋼與鋼之間更難滑動。材料的類型決定了摩擦系數(shù)。所以摩擦力與物體接觸面上的正壓力成正比。例如：如果摩擦系數(shù)為0.1，一個物體重100磅，另一個物體重400磅，那么如果要推動他們就必須給100磅的物體施加一個10磅的力，給400磅的物體施加一個40磅的力才能克服摩擦力前進(jìn)。

ESP與ABS非常接近，與ABS最大的不同在于ESP可以在沒有踩剎車踏板的情況下向輪缸輸出制動壓力，ABS只能在踩下剎車踏板后從主缸向輪缸輸出壓力。壓力生成器就是電機和柱塞泵， 與ABS比多了4個柱塞泵，4個電磁閥，也就是VLV和USV。

3.目前自動駕駛待解決問題

1）技術(shù)問題：雖然技術(shù)已經(jīng)發(fā)展很快，但是不可否認(rèn)的是，自動駕駛汽車搭載的人工智能系統(tǒng)在高風(fēng)險的環(huán)境中（比如暴風(fēng)雪的山路，人流密集的鬧市區(qū)）仍然達(dá)不到實用要求。

2）成本問題：激光雷達(dá)成本居高不下，64線束的激光雷達(dá)價格高達(dá)10萬美元，亟待量產(chǎn)。

??LIDAR的成本降低，它使用光線和雷達(dá)來測量距離，與普通的RGB相機相比具有許多優(yōu)點。目前有不少于500美元的LIDAR設(shè)備。

3）安全問題：如何在技術(shù)上保證自動駕駛比人駕駛更安全，如何能讓普通人相信自動駕駛技術(shù)比人駕駛更安全，相比技術(shù)上的提升，信任的提升更難。

4）立法問題：各國法規(guī)的制定仍嚴(yán)重滯后于技術(shù)發(fā)展。特斯拉汽車事故給人們敲響了警鐘。一旦類似車禍發(fā)生，現(xiàn)有法規(guī)并未明確交通事故發(fā)生后的責(zé)任認(rèn)定。

4.總結(jié)

在當(dāng)下飛快發(fā)展的時代下，自動駕駛已經(jīng)是大勢所趨，自動駕駛技術(shù)不需要人為操作，僅僅通過GPS、慣導(dǎo)、雷達(dá)等感知設(shè)備即可達(dá)到自動導(dǎo)航及行駛的目標(biāo)。實現(xiàn)完全的自動駕駛和智慧交通是一個注定艱難的過程，無論是人工智能、環(huán)境感知、智能決策這類新技術(shù)，還是運動控制、遠(yuǎn)程通信這些基礎(chǔ)技術(shù)，甚至基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、法律法規(guī)……自動駕駛領(lǐng)域有太多技術(shù)等待我們?nèi)ネ黄?，太多山峰等待我們?nèi)シ健?/p>

這一未來必將造福全人類的技術(shù)正在各行各業(yè)的努力下快速發(fā)展著，我們不同領(lǐng)域的人員也要學(xué)著運用自己的優(yōu)勢，基于對這個行業(yè)的理解貢獻(xiàn)這一份自己的力量！