自動(dòng)駕駛的現(xiàn)狀分析與實(shí)現(xiàn)過程

卜藝浦

江蘇省泰興中學(xué) 江蘇省泰興市 225400

1 引言

汽車自動(dòng)駕駛技術(shù)，是依靠計(jì)算機(jī)與人工智能技術(shù)在沒有人為操縱的情況下，完成完整、安全、有效的駕駛的一項(xiàng)前沿科技[1]。在本世紀(jì)，由于汽車用戶的不斷增加，公路交通面臨的擁堵、安全事故等問題越發(fā)嚴(yán)重。自動(dòng)駕駛技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)的支持下，能夠協(xié)調(diào)出行路線與規(guī)劃時(shí)間，從而大程度提高出行效率，并在一定程度上減少能源消耗。自動(dòng)駕駛同時(shí)還能幫助避免醉駕，疲勞駕駛等安全隱患，減少駕駛員失誤，提升安全性。自動(dòng)駕駛也因此成為各國近年的一項(xiàng)研發(fā)重點(diǎn)。

2 自動(dòng)駕駛的發(fā)展歷程

2.1 自動(dòng)駕駛的發(fā)展情況

在本世紀(jì)之前，自動(dòng)駕駛都只在實(shí)驗(yàn)階段，雖然自動(dòng)駕駛的概念最早在1969年就被提出，但實(shí)體應(yīng)用直到本世紀(jì)初才得到初步實(shí)現(xiàn)。2016年9月，美國交通部發(fā)布了《美國自動(dòng)駕駛汽車政策指南》，該指南將自動(dòng)駕駛技術(shù)按照SAE定義做出嚴(yán)格的等級(jí)評(píng)價(jià)。SAE標(biāo)準(zhǔn)將自動(dòng)駕駛技術(shù)分為0、1、2、3、4、5六個(gè)等級(jí)，分別為“非自動(dòng)化”、“輔助駕駛”、“部分自動(dòng)化”、“有條件的自動(dòng)化”、“高度自動(dòng)化”和“全自動(dòng)化”。目前，市面上應(yīng)用的自動(dòng)駕駛汽車大都在第2級(jí)即“部分自動(dòng)化”階段。目前盡管國外很多公司都聲稱已在實(shí)驗(yàn)階段達(dá)到第3級(jí)，而廣泛應(yīng)用卻需達(dá)到4、5兩級(jí)。

2.2 國內(nèi)外科技公司的研發(fā)現(xiàn)狀

2014年谷歌首次展示了其公司第一個(gè)無方向盤、油門剎車踏板的無人駕駛汽車原形，這也是首個(gè)出現(xiàn)在大眾視野的實(shí)現(xiàn)100%自動(dòng)駕駛的汽車。

由于各個(gè)公司的重視與大量投入，自動(dòng)駕駛已經(jīng)累計(jì)大量經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)進(jìn)步也呈高速增長趨勢(shì)。特斯拉宣稱已在硬件上達(dá)到5級(jí)條件，預(yù)計(jì)今年明年間能推出5級(jí)試驗(yàn)車輛；谷歌公司也預(yù)計(jì)將在一兩年內(nèi)實(shí)現(xiàn)5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；日本的豐田普銳斯將在東京2020年奧運(yùn)會(huì)提供自動(dòng)駕駛服務(wù)。中國由于起步較晚，早期實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)不足，在百度啟動(dòng)Apollo平臺(tái)計(jì)劃后，其與國外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的差距也將由于用戶間的共享得到縮小，在今年7月7日宣布其研發(fā)的4級(jí)自動(dòng)駕駛巴士量產(chǎn)，將在北京首先投入應(yīng)用。

3 自動(dòng)駕駛的硬件組成

3.1 控制電腦

自動(dòng)駕駛技術(shù)的內(nèi)容包括定位與路徑規(guī)劃、環(huán)境感知、行為決策與控制。即通過GPS與計(jì)算機(jī)技術(shù)的協(xié)作，進(jìn)行航線的確定，并通過傳感器感知環(huán)境，由控制電腦處理具體事件與總體航行。

在自動(dòng)駕駛車輛中，主控電腦是一項(xiàng)收集信息并作出行為決策的設(shè)備，是自動(dòng)駕駛的核心設(shè)備?？刂齐娔X控制著自動(dòng)駕駛汽車所有行為，在感知設(shè)備提供信息后，電腦會(huì)根據(jù)裝備的軟件算法處理這些信息，并作出相應(yīng)的決策，采取行動(dòng)。自動(dòng)駕駛汽車所接受的所有信息都會(huì)集中到電腦處，電腦需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，然后再作出判斷。在道路行駛中，電腦的功能就是依據(jù)龐大的數(shù)據(jù)庫來辨識(shí)出周圍的環(huán)境元素，再做出相應(yīng)的對(duì)策。電腦由此可以像人類駕駛員一樣，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候發(fā)出指令來提速、減速、轉(zhuǎn)向，以做到躲避障礙，保持在車道內(nèi)行駛，識(shí)別出道路上的交通指示信號(hào)如限速牌指示、紅綠信號(hào)燈等。

過往的自動(dòng)駕駛技術(shù)突破困難，重要的因素就是人工智能的發(fā)展速度過慢，過去人們以為是算法的落后，現(xiàn)在人工智能深度學(xué)習(xí)法其實(shí)更早就已經(jīng)提出了，比如現(xiàn)在其中以Dijkstra算法為代表的圖搜索法在各種優(yōu)化問題中得到了較為廣泛的應(yīng)用，且這種算法是全局最優(yōu)的[2]。但過去的計(jì)算機(jī)由于容量小，運(yùn)行速度慢，這種窮舉式的算法又需要大量數(shù)據(jù)的運(yùn)算，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)本身的性能得到大幅度提高，大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，深度學(xué)習(xí)的高效性才得以體現(xiàn)。高性能計(jì)算機(jī)的重要性不僅體現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用階段，也體現(xiàn)載實(shí)驗(yàn)階段借此來推動(dòng)人工智能技術(shù)的進(jìn)步。

3.2 雷達(dá)

電腦要采取行動(dòng)，必須要有數(shù)據(jù)，雷達(dá)就是充當(dāng)采集數(shù)據(jù)的角色。雷達(dá)分為發(fā)射單元和接收單元，通過多次發(fā)射與接受的時(shí)間差等數(shù)據(jù)感知到周遭環(huán)境中物體的位置，移動(dòng)速度等。車載雷達(dá)一般都是激光雷達(dá)，通過激光掃描雷達(dá)系統(tǒng)或是車上多個(gè)雷達(dá)的共同感知，可以更加精確地確定物體的位置、大小、移動(dòng)情況等。當(dāng)?shù)缆飞嫌卸喾N障礙物時(shí)，就需要高精度的雷達(dá)來更詳細(xì)地向電腦描述障礙物的信息，比如障礙的形狀，這樣電腦就可以依靠這些關(guān)于障礙物的特征數(shù)據(jù)，區(qū)別出障礙物的種類，從而作出更加高效的決策。

3.3 GPS

全球定位系統(tǒng)，在很早以前就作為一個(gè)單獨(dú)的工具被人類駕駛員利用，幫助定位、規(guī)劃和確定行駛路線。對(duì)于自動(dòng)駕駛車輛，GPS的作用同樣是確定車輛的經(jīng)緯位置，在地圖上規(guī)劃車輛行駛路徑，以確保定位以及得知下一步航向，同時(shí)GPS還可以和慣性測(cè)量單元（IMU）協(xié)作提供更精細(xì)的水平轉(zhuǎn)角速度和轉(zhuǎn)角大小信息，幫助主控電腦決策。傳統(tǒng)的GPS導(dǎo)航地圖在經(jīng)過數(shù)據(jù)收集后可以改進(jìn)為高精度地圖。高精度地圖除了更精確的坐標(biāo)位置信息，還包括車道信息和坡度信息等，這也就提高了自動(dòng)駕駛的穩(wěn)定和舒適度，也彌補(bǔ)了當(dāng)下傳感器不僅是測(cè)量范圍的不足，同時(shí)還有測(cè)量精度低的問題。當(dāng)下自動(dòng)駕駛沒有了高精度地圖的輔助其充其量只能是半成品，主要依靠各類傳感器對(duì)路面進(jìn)行監(jiān)測(cè)的自動(dòng)駕駛試驗(yàn)車一旦遇到天氣出現(xiàn)問題，就一定需要高精度地圖輔助[3]。另外，在車聯(lián)網(wǎng)建立后，GPS還能通過更豐富的信息如道路擁堵情況，事故情況等即時(shí)規(guī)劃更優(yōu)的路線。

3.4 視覺傳感器

視覺傳感器（攝像頭），同雷達(dá)一樣，也是主要作用于對(duì)環(huán)境的感知，可以視為自動(dòng)駕駛車輛的“眼睛”。攝像頭通過采集圖像，將圖像信息傳輸給車載電腦處理，如同人臉識(shí)別技術(shù)，根據(jù)圖像的特征識(shí)別出道路上的車輛，行人和建筑物。視覺傳感器的感知精度沒有雷達(dá)強(qiáng)，也更難獲取精確的距離信息。而攝像頭也有著一般雷達(dá)所沒有的能力，比如對(duì)于道路上的交通指示牌，一般的雷達(dá)是很難提供出不同指示牌之間的區(qū)別信息的，攝像頭則能提供指示牌的圖像，這樣電腦就能從數(shù)據(jù)庫中檢索并找到與之對(duì)應(yīng)的圖案，根據(jù)交通指示采取合規(guī)合理的行駛方案。雖然GPS能根據(jù)車輛位置提供所在道路的信息，但因?yàn)槁范蔚恼藁蚴峭话l(fā)事故對(duì)道路進(jìn)行調(diào)整，網(wǎng)絡(luò)信息不一定能及時(shí)更新，以及一些小路段信息的缺失，攝像頭在這方面的作用也是必要的。

4 總結(jié)

4.1 自動(dòng)駕駛的優(yōu)勢(shì)

自動(dòng)駕駛能成為現(xiàn)代的發(fā)展重點(diǎn)之一，顯然是由于其能帶來極大的利益。首先由于其擁有極大的便利性，能夠讓人騰出更多的時(shí)間做別的事情。然后在于其高效性，特別是在物聯(lián)網(wǎng)的幫助下，自動(dòng)駕駛能更好地避免以及解決交通擁堵問題，這對(duì)節(jié)省時(shí)間以及節(jié)約能源減少污染方面都有一定的貢獻(xiàn)。

最重要的一部分就是自動(dòng)駕駛的安全性，自動(dòng)駕駛的存在可以有效避免如酒駕疲勞駕駛和駕駛時(shí)注意力分散等危險(xiǎn)情況，另外機(jī)器的反應(yīng)能力也比人類快更多，機(jī)器與機(jī)器之間的協(xié)調(diào)性也比人與人之間更強(qiáng)，自動(dòng)駕駛顯然能有效降低大小事故的發(fā)生頻率。

4.2 自動(dòng)駕駛的缺陷

但在當(dāng)前，自動(dòng)駕駛還處在簡單的應(yīng)用階段，高完成度的自動(dòng)駕駛還在實(shí)驗(yàn)階段。雷達(dá)，攝像頭的精度不高也是自動(dòng)駕駛的一個(gè)重要缺陷，高精度的儀器現(xiàn)在造價(jià)非常昂貴，是自動(dòng)駕駛普及的一個(gè)障礙。

同時(shí)，現(xiàn)在社會(huì)上對(duì)自動(dòng)駕駛的接受還需一個(gè)過程，自動(dòng)駕駛汽車的推廣也面臨一些問題需要解決：如人們對(duì)自動(dòng)駕駛的不完全信任，對(duì)于自動(dòng)駕駛造成事故后的道德考慮。而由于自動(dòng)駕駛是一個(gè)新興問題，國家對(duì)自動(dòng)駕駛的立法，事故責(zé)任追究都還是很不完善，提前判定可能的問題，盡早進(jìn)行立法的預(yù)案工作，已經(jīng)刻不容緩[4]。

4.3 展望

自動(dòng)駕駛?cè)杂泻艽蟮难a(bǔ)足空間，也面臨推廣的障礙。但根據(jù)近期各開發(fā)公司的情況，高水平的自動(dòng)駕駛保守估計(jì)能在五年內(nèi)得到廣泛的推廣，預(yù)計(jì)SAE五級(jí)自動(dòng)駕駛汽車將在兩年內(nèi)成功上路。自動(dòng)駕駛對(duì)于社會(huì)、交通、環(huán)境方面均有益處，此外，自動(dòng)駕駛技術(shù)作為人工智能技術(shù)的一項(xiàng)重要應(yīng)用，對(duì)于人工智能技術(shù)的研究和開發(fā)應(yīng)用具有很深的經(jīng)驗(yàn)價(jià)值。