淺談汽車無(wú)人駕駛技術(shù)

黃美宜

摘 要：無(wú)人駕駛系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)感知外界環(huán)境，模擬人的意識(shí)、思維來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車的自動(dòng)行駛，主要包含一個(gè)由傳感器組成的信息采集網(wǎng)絡(luò)、高精度路況三維建模和路線規(guī)劃模塊、以及控制汽車行駛的控制器。信息采集網(wǎng)絡(luò)收集汽車所處位置的周邊信息，將這些信息構(gòu)建出車輛周圍環(huán)境的三維模型進(jìn)行路況分析，再通過(guò)具有機(jī)器學(xué)習(xí)能力的控制器來(lái)規(guī)劃路線和“駕駛”汽車。通過(guò)人工智能的使用，使汽車在處理駕駛路況時(shí)貼近于人的思維，實(shí)現(xiàn)智能駕駛。

關(guān)鍵詞：人工智能 無(wú)人駕駛 傳感器 機(jī)器學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）09（c）-0001-02

人工智能催生的汽車智能化技術(shù)，具有操作簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在如今的汽車系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。與此同時(shí)，無(wú)人駕駛的概念應(yīng)運(yùn)而生，得到很多業(yè)內(nèi)外人士的關(guān)注和追捧。無(wú)人駕駛汽車通過(guò)雷達(dá)、監(jiān)控設(shè)備與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、人工智能計(jì)算模塊之間的相互協(xié)作，由計(jì)算機(jī)對(duì)車輛的駕駛操作進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛[1-2]。

基于高科技研究的無(wú)人駕駛汽車，攜帶各種各樣的傳感器，相當(dāng)于給汽車安裝了無(wú)數(shù)個(gè)“眼睛”，無(wú)論在其安全性還是可靠性方面，都極具發(fā)展?jié)摿?。近期，很多?guó)家和地區(qū)都在進(jìn)一步加快無(wú)人駕駛領(lǐng)域的布局。至2016年，全球無(wú)人駕駛產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模已突破300億元，無(wú)人駕駛產(chǎn)業(yè)正處于蓬勃發(fā)展的階段，相關(guān)的法律法規(guī)也在不斷完善。中國(guó)在《中國(guó)制造2025》中提到，到2025年，要掌握自動(dòng)駕駛總體技術(shù)及各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，建立較為完善的智能網(wǎng)聯(lián)汽車自主研發(fā)體系、生產(chǎn)配套體系及產(chǎn)業(yè)群[3]。

1 無(wú)人駕駛系統(tǒng)的組成和關(guān)鍵技術(shù)

無(wú)人駕駛系統(tǒng)通過(guò)雷達(dá)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等技術(shù)感知外界環(huán)境，通過(guò)各種傳感器了解汽車本身的狀態(tài)。人工智能算法模擬人的思考決策過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車的自動(dòng)行駛。一個(gè)無(wú)人駕駛系統(tǒng)的基本組成如圖1所示。

無(wú)人駕駛汽車主要包含一個(gè)由傳感器組成的信息采集網(wǎng)絡(luò)、三維路況分析模塊和路線規(guī)劃模塊、以及一個(gè)汽車行駛控制器。在典型的無(wú)人駕駛系統(tǒng)中，信息采集網(wǎng)絡(luò)收集汽車所處位置的周邊信息，用這些信息建立汽車所在點(diǎn)周圍環(huán)境模型進(jìn)行路況分析，再通過(guò)具有機(jī)器學(xué)習(xí)能力的控制器來(lái)規(guī)劃路線和“駕駛”汽車。

1.1 智能傳感系統(tǒng)

在無(wú)人駕駛方興未艾的時(shí)代，作為汽車的視覺(jué)感知和外界信息的重要來(lái)源，智能傳感器系統(tǒng)顯現(xiàn)出越來(lái)越重要的作用。目前在無(wú)人駕駛領(lǐng)域?qū)χ車h(huán)境進(jìn)行識(shí)別的主要由視覺(jué)傳感器、激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)等。

采用視覺(jué)傳感器進(jìn)行導(dǎo)航又被稱為視覺(jué)導(dǎo)航，車輛利用裝配的攝像機(jī)拍攝道路周圍環(huán)境的局部圖像，通過(guò)特征識(shí)別、距離估計(jì)等圖像處理技術(shù)，對(duì)汽車周邊環(huán)境檢測(cè)并對(duì)汽車進(jìn)行定位。

激光雷達(dá)是無(wú)人駕駛汽車主要的動(dòng)態(tài)障礙物監(jiān)測(cè)傳感器，它的主要特點(diǎn)是探測(cè)精度高、受光照影響小，直接獲取的障礙物位置信息可以有效的用于動(dòng)態(tài)障礙物的檢測(cè)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)。激光雷達(dá)用來(lái)描繪周圍環(huán)境參數(shù)，包括線數(shù)、點(diǎn)密度、水平垂直視角、檢測(cè)距離、掃描頻率、精度等。除了位置和距離信息，激光雷達(dá)還提供被掃描物體的密度信息，后續(xù)算法據(jù)此可以判斷掃描物體的反射率，再進(jìn)行下一步處理。

毫米波雷達(dá)頻率范圍為30～300GHz，低頻段接近厘米波段，具有厘米波全天候的特點(diǎn)；高頻段具有紅外波的高分辨能力。毫米波雷達(dá)與激光雷達(dá)探測(cè)原理相同，都是通過(guò)物體對(duì)于雷達(dá)波的反射來(lái)檢測(cè)物體的形狀與性質(zhì)。與激光雷達(dá)相比，毫米波雷達(dá)穿透力強(qiáng)，技術(shù)成熟，成本低；缺點(diǎn)是探測(cè)距離受到頻段影響，無(wú)法感知行人，對(duì)目標(biāo)無(wú)法細(xì)化識(shí)別。

視覺(jué)傳感器、激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)的性能對(duì)比如表1所示。在無(wú)人駕駛系統(tǒng)中，采用多種傳感系統(tǒng)，給汽車周圍安裝多雙“眼睛”，是無(wú)人駕駛汽車安全行駛的重要保障。

1.2 路況分析與路徑規(guī)劃

有人駕駛員可以根據(jù)路況自行判斷行駛方式，在無(wú)人駕駛必須依靠高精度三維路況模型，精確計(jì)算汽車與周圍物體的相對(duì)位置、速度等動(dòng)態(tài)特性，才可以保障安全行駛。路況的三維模型幾乎要做到實(shí)時(shí)狀態(tài)，由此產(chǎn)生的龐大的數(shù)據(jù)流量需要高性能的分析計(jì)算能力，因而需要用GPU或分布式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來(lái)獲得大數(shù)據(jù)處理能力。對(duì)于無(wú)人駕駛來(lái)說(shuō)，高精度三維路況圖的實(shí)時(shí)性要靠所有裝備自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的車輛共同收集路況信息來(lái)保證，一般通過(guò)給采集車配備眾多的傳感器、激光測(cè)距雷達(dá)、車內(nèi)慣性雷達(dá)來(lái)采集路面的信息來(lái)實(shí)現(xiàn)。

除了高精度的三維路況圖外，路徑規(guī)劃還需要高精度的定位技術(shù)，使得無(wú)人駕駛系統(tǒng)能時(shí)刻感知自己的位置，按照系統(tǒng)在地圖標(biāo)注好的最優(yōu)路線進(jìn)行行駛，遵守交通秩序，規(guī)避其他車輛發(fā)生摩擦碰撞，最終安全到達(dá)目的地。

路徑規(guī)劃的主要任務(wù)包含三個(gè)方面：第一，根據(jù)整體環(huán)境規(guī)劃車道，計(jì)算機(jī)依據(jù)駕駛?cè)蝿?wù)制定一條路線，使無(wú)人駕駛車設(shè)定去目的地的具體路線信息；第二，車道信息整合，通過(guò)傳感器、算法、導(dǎo)航等多種方式將行駛的車道信息整合，最后選定最穩(wěn)定的車道路線；第三，車道信息理解，采用深度學(xué)習(xí)算法，無(wú)人駕駛系統(tǒng)對(duì)正在行駛的車道上的信息做出正確的判斷，從而對(duì)汽車的行為和運(yùn)動(dòng)做出判斷。

1.3 車輛控制與自動(dòng)駕駛

處于自動(dòng)駕駛狀態(tài)的汽車實(shí)質(zhì)是一種輪式移動(dòng)機(jī)器人，在以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為主的智能駕駛儀的控制下來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。該控制器的作用包含兩個(gè)方面：第一，考慮車輛的動(dòng)力學(xué)性能和車輛配備的傳感器性能的融合，以使車輛性能和傳感器性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，在不犧牲速度的前提下，安全、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛；第二，充分的用車輛的動(dòng)力學(xué)性能和傳感器的識(shí)別性能，使無(wú)人駕駛汽車能夠像經(jīng)驗(yàn)老道的司機(jī)一樣，根據(jù)道路與環(huán)境情況確定最優(yōu)的車速與車距，綜合考慮車輛的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、通過(guò)性、舒適性等，給人帶來(lái)更好的乘坐感受，而不是一會(huì)兒加速行駛，一會(huì)兒緊急剎車。

自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵技術(shù)在于車輛的精準(zhǔn)控制，而控制最重要的目的就是保證人員和車輛的安全，這就對(duì)汽車的制動(dòng)系統(tǒng)提出了新的要求。無(wú)人駕駛汽車中使用的制動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示，當(dāng)汽車遇到突發(fā)事件時(shí)，在智能駕駛控制器的作用下，制動(dòng)系統(tǒng)能迅速做出反應(yīng)，解決突發(fā)狀況。目前絕大部分自動(dòng)駕駛汽車采用的是模擬和分析人為駕駛經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)“學(xué)習(xí)”后，并經(jīng)過(guò)智能駕駛儀的分析與控制，再采取措施。自動(dòng)駕駛的汽車應(yīng)該具備隨時(shí)處理緊急事件的能力，包括未遇到過(guò)的各種復(fù)雜情況，這就需要一個(gè)強(qiáng)大的“大腦”來(lái)做出準(zhǔn)確的判斷。

有了新的制動(dòng)系統(tǒng)的支持，關(guān)鍵還需要準(zhǔn)確的控制算法。算法必須給出足夠的制動(dòng)控制精度和魯棒性。首先應(yīng)考慮的是安全問(wèn)題，人為駕駛根據(jù)每個(gè)司機(jī)的心理承受能力不同，某些場(chǎng)合采取的措施也不一樣，而自動(dòng)駕駛畢竟沒(méi)有人的感情，一切還是以穩(wěn)妥為重；其次是舒適性，自動(dòng)駕駛不能僅僅停留在實(shí)驗(yàn)階段，需要盡快投入市場(chǎng)才可以得到充分的認(rèn)同，所以如何使處理過(guò)程得到最大化的舒適性，也是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。

2 結(jié)語(yǔ)

安全和高效地實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛是目前汽車制造業(yè)和電子信息領(lǐng)域內(nèi)的重要課題之一，也是一大有待攻克的難題。高級(jí)人工智能能有效地規(guī)避部分不必要的和繁瑣的算法，理論上它能和人一樣分析周圍環(huán)境然后做出選擇，在判斷周圍環(huán)境時(shí)不必次次都是精確判斷，它能根據(jù)以前車輛對(duì)同樣環(huán)境做出的動(dòng)作而進(jìn)行“學(xué)習(xí)”，或說(shuō)向前車“學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)”。如果是車第一次遇到的環(huán)境，則需要對(duì)其進(jìn)行精確的分析，選擇最正確的方案，或模糊處理，選擇與此時(shí)環(huán)境相類似的方法，快速選擇方案。

也許在不久的將來(lái)，人工智能將促進(jìn)人類向更具創(chuàng)造性的方向進(jìn)化，在改變?nèi)祟惿罘绞降耐瑫r(shí)也改造人類自身。

參考文獻(xiàn)

[1] 喬維高，徐學(xué)進(jìn).無(wú)人駕駛汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及方向[J]. 上海汽車，2007（7）：40-43.

[2] 端木慶玲，阮界望，馬鈞.無(wú)人駕駛汽車的先進(jìn)技術(shù)與發(fā)展[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2014（3）：30-33.

[3] 潘建亮.無(wú)人駕駛汽車社會(huì)效益與影響分析[J].汽車工業(yè)研究，2014（5）：22-24.endprint