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| 本文作者： 大壯旅 | 2018-10-01 16:48 |
雷鋒網(wǎng)新智駕（微信 ID:AI-Drive）按：自動(dòng)駕駛汽車已經(jīng)脫出科幻小說(shuō)的軀殼，成了觸手可及的實(shí)體。各種搭載 ADAS 系統(tǒng)的量產(chǎn)車也成為許多消費(fèi)者的首選，這套系統(tǒng)能控制車速、剎車，大大減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)。
以 ADAS 為基礎(chǔ)，全自動(dòng)駕駛汽車也即將破繭而出，各大公司的測(cè)試車都武裝到了牙齒，在道路上和模擬器中攻克著一個(gè)又一個(gè)難題。本文由雷鋒網(wǎng)新智駕編譯自 VelodyneLiDAR。
雖然我們離完美的自動(dòng)駕駛還很遠(yuǎn)，但該技術(shù)依然有潛力帶來(lái)一場(chǎng)革命，它不但會(huì)改變?nèi)藗儾僮鬈囕v的方式，還會(huì)將整個(gè)交通系統(tǒng)推倒重建，從而從根本上改變我們的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)。
在市場(chǎng)研究公司 IHS Markit 看來(lái)，美國(guó)在自動(dòng)駕駛汽車的生產(chǎn)、部署和接受度上依然是全球范圍內(nèi)的佼佼者，最早 2019 年就能落地，而歐洲和中國(guó)則會(huì)緊隨其后，在 2021 年進(jìn)行大規(guī)模部署。
此外，IHS Markit 還認(rèn)為，自動(dòng)駕駛汽車在面向個(gè)人銷售前，還是會(huì)先以打車服務(wù)的形式落地。到 2040 年，全球自動(dòng)駕駛汽車年銷量將突破 3300 萬(wàn)臺(tái)，而在 2021 年這個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，IHS Markit 的預(yù)測(cè)銷量只有 5.1 萬(wàn)臺(tái)。
過(guò)去幾十年來(lái)，數(shù)字技術(shù)成了各家車廠的寵兒，包括速度、油表、溫度和音響系統(tǒng)在內(nèi)的許多核心功能都已完全電子化，駕駛員的操作效率和用戶體驗(yàn)得以直線上升。
最近幾年，由于 ADAS 的加入，車輛電子系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜。為了降低成本，提升舒適度和安全性，汽車產(chǎn)業(yè)開(kāi)始發(fā)力全自動(dòng)駕駛汽車。
接下來(lái)，我們就詳細(xì)講講什么到底是 ADAS，什么又是全自動(dòng)駕駛。
ADAS：所謂的 ADAS 其實(shí)就是高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)。隨著技術(shù)的逐步成熟，每年廠商都會(huì)將一些 ADAS 功能下放給級(jí)別較低的車型。這些功能你肯定也或多或少聽(tīng)說(shuō)過(guò)，比如自適應(yīng)巡航、自動(dòng)剎車、道路偏離預(yù)警等。ADAS 誕生的意義就在于減少駕駛員操作失誤造成的危險(xiǎn)，以提升車輛安全性。
不過(guò)，即使是最先進(jìn)的 ADAS 功能，也需要駕駛員全神貫注，當(dāng)系統(tǒng)處理不了周圍環(huán)境路況時(shí)，駕駛員需要及時(shí)介入。
麥肯錫指出，市場(chǎng)對(duì) ADAS 的需求還在持續(xù)增長(zhǎng)，不但是因?yàn)橛脩魧?duì)安全功能越來(lái)越重視，也是因?yàn)楸O(jiān)管機(jī)構(gòu)要求的逐步收緊。到 2020 年，美國(guó)和歐盟出售的所有新車都必須配備自動(dòng)剎車和碰撞預(yù)警系統(tǒng)。麥肯錫的調(diào)研還顯示，消費(fèi)者對(duì)自動(dòng)泊車和盲點(diǎn)監(jiān)控等 ADAS 功能也越來(lái)越感興趣。
全自動(dòng)駕駛：被歸為“全自動(dòng)駕駛”的車輛必須能在沒(méi)有人類駕駛員干預(yù)的情況下帶著乘客從 A 地安全行駛到 B 地。由于不再需要人類駕駛員，因此操作失誤也不復(fù)存在，車輛安全性得以大幅提升。
全自動(dòng)駕駛汽車由車載計(jì)算機(jī)控制，輔助它的是一套傳感器系統(tǒng)，其中包括激光雷達(dá)、雷達(dá)和攝像頭三大“主將”，這套系統(tǒng)能感知道路和周圍環(huán)境的風(fēng)吹草動(dòng)。
IHS Markit 預(yù)計(jì)，自動(dòng)駕駛打車服務(wù)是該技術(shù)的第一項(xiàng)應(yīng)用，它不但能讓用戶對(duì)新技術(shù)有個(gè)初步的體驗(yàn)，還能增強(qiáng)他們的信心。波士頓咨詢集團(tuán)（BCG）的研究則顯示，到 2030 年預(yù)計(jì)居住在大城市的 1.75 億美國(guó)人都會(huì)愛(ài)上滿街跑的電動(dòng)自動(dòng)駕駛車隊(duì)。
自動(dòng)駕駛汽車的好處：Gartner 的研究顯示，全自動(dòng)駕駛汽車擁有大量?jī)?yōu)勢(shì)，包括提升燃油經(jīng)濟(jì)性，減少車禍數(shù)量和嚴(yán)重程度，司機(jī)疲勞時(shí)的“貼心小棉襖”，以及騰出時(shí)間來(lái)娛樂(lè)和工作等。BCG 還認(rèn)為，自動(dòng)駕駛汽車是強(qiáng)有力的治理污染神器。
下面，我們就來(lái)詳細(xì)講講自動(dòng)駕駛汽車的好處。
安全：世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)顯示，全球每年因?yàn)榻煌ㄊ鹿蕟拭娜藬?shù)高達(dá) 125 萬(wàn)人，受嚴(yán)重傷害的更是高達(dá)數(shù)百萬(wàn)人。在美國(guó)，2016 年也有 3.7 萬(wàn)人因?yàn)榻煌ㄊ鹿逝c親人永別，而 94% 的事故都與人類失誤有關(guān)，這些事故本可以避免的。自動(dòng)駕駛汽車就是沖著操作失誤這個(gè)軟肋而來(lái)，因此它比有人駕駛汽車更安全。
便捷與舒適的通勤：美國(guó)交通部的一份報(bào)告顯示，每年因交通擁堵問(wèn)題，駕駛員平均要浪費(fèi)掉 42 個(gè)小時(shí)。BCG 則預(yù)計(jì)，到 2030 年美國(guó)有四分之一的交通服務(wù)都會(huì)由電動(dòng)自動(dòng)駕駛車隊(duì)承擔(dān)，它們能為大城市的用戶提供最廉價(jià)、最便捷的交通服務(wù)。乘客甚至能選擇一臺(tái)設(shè)施齊備的車輛來(lái)辦公，或者打一輛車當(dāng)移動(dòng)休息室。
平等的出行權(quán)：自動(dòng)駕駛汽車將提供更為靈活的出行方案，讓不會(huì)開(kāi)車的人、老人和殘疾人能輕松出行。普林斯頓大學(xué)交通項(xiàng)目主管 Alain Kornhauser 博士就認(rèn)為，一個(gè)普及了自動(dòng)駕駛汽車的世界其實(shí)就是“圓了那些出行不便人群的夢(mèng)”。需要注意的是，殘疾人獲得平等的出行權(quán)后，可以釋放更多的就業(yè)機(jī)會(huì)，每年還能節(jié)省 190 億美元的醫(yī)療保健支出（出行不便導(dǎo)致無(wú)法按預(yù)約時(shí)間到達(dá)醫(yī)院）。
態(tài)勢(shì)感知能力是成為一名好司機(jī)的關(guān)鍵。想要順利到達(dá)目的地，駕駛員需要實(shí)時(shí)判斷自己所處的位置并觀察周邊環(huán)境，這樣他們才能自然的完成加速、剎車、變線和避障等動(dòng)作。
全自動(dòng)駕駛汽車也是按這一原理工作的，不過(guò)為它們提供態(tài)勢(shì)感知能力的是傳感器和 GPS。這些技術(shù)緊密合作能為車輛提供實(shí)時(shí)位置和路徑規(guī)劃，同時(shí)判斷車輛周邊環(huán)境，定位行人、車輛、障礙物與他們各自的速度與運(yùn)動(dòng)方向。
這些信息流會(huì)不斷注入車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，后者將給出最安全的行車策略。為了更好的解讀自動(dòng)駕駛汽車上“傳感器天團(tuán)”的工作方式，我們還是得先講講車輛是如何感知自己位置和周邊環(huán)境的。
傳感器能為車輛計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供周邊環(huán)境信息，讓車輛在 3D 世界中安全行駛。這些傳感器采集的數(shù)據(jù)反映了車輛位置和方向的變化。
負(fù)責(zé)為自動(dòng)駕駛汽車導(dǎo)航的是高清地圖，隨著技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)車輛能實(shí)時(shí)生成并升級(jí)高清地圖。這點(diǎn)非常重要，畢竟路況可不是一成不變的，擁堵、事故和建筑工地都可能讓情況變復(fù)雜。類似激光雷達(dá)、攝像頭和雷達(dá)這樣的車載傳感技術(shù)能實(shí)時(shí)感知周邊環(huán)境，為車輛提供精準(zhǔn)的路況數(shù)據(jù)。
通過(guò)這些傳感器繪制出的地圖細(xì)節(jié)相當(dāng)豐富，不但囊括了道路標(biāo)線、人行道、隔離帶和馬路牙子等關(guān)鍵信息，還加入了交通信號(hào)燈、信號(hào)標(biāo)識(shí)和電線桿等信息，而這些信息都是車輛安全行駛不可或缺的因素。
傳感器技術(shù)還能解決其他關(guān)鍵的駕駛要求。舉例來(lái)說(shuō)，Velodyne 的激光雷達(dá)傳感器就能讓自動(dòng)駕駛汽車擁有 360 度全景視野，為車輛安全運(yùn)行保駕護(hù)航。在復(fù)雜的交通環(huán)境中通行，特別是在高速上并線時(shí)，廣視場(chǎng)相當(dāng)重要。
傳感器提供的數(shù)據(jù)讓車載計(jì)算機(jī)能探測(cè)并識(shí)別各式物體，比如車輛、自行車、動(dòng)物和行人等。通過(guò)這些數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)還能測(cè)出物體的位置、速度和運(yùn)動(dòng)軌跡。
在自動(dòng)駕駛測(cè)試中，如何探測(cè)并躲避高速上的輪胎碎屑是個(gè)復(fù)雜的課題。因此，每當(dāng)談到探測(cè)與避障大家都會(huì)想到這個(gè)課題，畢竟對(duì)所有傳感器來(lái)說(shuō)輪胎碎屑都是個(gè)大麻煩，它們體積太小，從遠(yuǎn)處探測(cè)相當(dāng)困難，而且碎屑與路面顏色相同。
所以，傳感器的分辨率必須足夠高才能準(zhǔn)確探知碎屑的位置。在這個(gè)過(guò)程中，它們還得將碎屑與瀝青區(qū)分開(kāi)來(lái)并確定探測(cè)到的物體是否是靜止的（防止與小動(dòng)物混淆）。
也就是說(shuō)，在這種情況下車輛不但要探測(cè)到物體，還要判斷是否需要躲避。隨后車輛還要規(guī)劃最佳躲避線路，避免變線時(shí)與其他車輛或物體發(fā)生親密接觸。為了給車輛足夠時(shí)間變線和加速，整個(gè)規(guī)劃過(guò)程必須在電光火石間完成。在這里，依然是數(shù)據(jù)為王。
為了給自動(dòng)駕駛系統(tǒng)準(zhǔn)備充足的冗余，制造商們用到了傳感器陣列，包括激光雷達(dá)、雷達(dá)和攝像頭三大主將。
激光雷達(dá)是自動(dòng)駕駛汽車傳感器陣列的核心，它能滿足車載計(jì)算機(jī)對(duì)探測(cè)范圍、精度和分辨率的要求。在工作狀態(tài)下，激光雷達(dá)能以極高的頻率向周邊發(fā)射激光脈沖（每秒數(shù)百萬(wàn)束）。通過(guò)計(jì)算激光的“飛行時(shí)間”，就能算出物體與車輛間的距離。由于激光雷達(dá)發(fā)射激光和采集數(shù)據(jù)的頻率都相當(dāng)高，因此借助這些距離數(shù)據(jù)能繪制出點(diǎn)云圖或?qū)囕v周邊進(jìn)行 3D 建模，這就實(shí)現(xiàn)了精確到厘米的車輛定位。
雷達(dá)探測(cè)距離遠(yuǎn)，也能追蹤到其他車輛的速度。不過(guò)，和激光雷達(dá)相比，它在分辨率和準(zhǔn)確度上卻欠點(diǎn)火候。
攝像頭能識(shí)別顏色和字形，所以理解交通信號(hào)、路標(biāo)和標(biāo)線是一把好手。不過(guò)，它也有自己的軟肋。與激光雷達(dá)不同，攝像頭更依賴周邊的光線，夜晚行車時(shí)如果對(duì)面有光線直接照過(guò)來(lái)就容易致盲。激光雷達(dá) 則自帶光源，無(wú)論日夜都能出色完成工作。
鑒于激光雷達(dá)是傳感器“套裝”中的最強(qiáng)者但卻不為人所知，因此下面我們將著重介紹這項(xiàng)傳感器技術(shù)和它的優(yōu)勢(shì)。
為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛汽車的商業(yè)化落地，汽車廠商必須為車輛準(zhǔn)備一套強(qiáng)大的傳感器系統(tǒng)，以便通過(guò)虛擬地圖規(guī)劃出最佳路徑。對(duì)自動(dòng)駕駛汽車來(lái)說(shuō)，激光雷達(dá)毫無(wú)疑問(wèn)是這套傳感器系統(tǒng)的重頭戲，它能提供周邊環(huán)境的高清 3D 信息。
除了定位車輛周邊人和物體的位置，激光雷達(dá)還能同時(shí)評(píng)估他們的速度和路線。有了這些信息，車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就能決定什么才是最安全的駕駛方式。
說(shuō)到激光雷達(dá)，就不得不提激光雷達(dá)的自動(dòng)駕駛挑戰(zhàn)賽，這場(chǎng)比賽也成就了 Velodyne 創(chuàng)始人兼 CEO Dave Hall，正是他認(rèn)識(shí)到了激光雷達(dá)對(duì)自動(dòng)駕駛汽車的重要性。
在比賽中，攝像頭提供的 2D 圖像信息量有限，Hall 干脆發(fā)明了一款旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)以繪制車輛周邊的實(shí)時(shí) 3D 地圖。憑借這款激光雷達(dá)，2007 年的 7 個(gè)參賽車隊(duì)中有 6 個(gè)完成了比賽，而在此前的比賽中，所有參賽車隊(duì)都全軍覆沒(méi)。
作為先行者，Velodyne 有自己的優(yōu)勢(shì)，但激光雷達(dá)行業(yè)并非一潭死水，大量廠商都有獨(dú)特的解決方案。不過(guò)，百家爭(zhēng)鳴的它們也都要實(shí)現(xiàn)幾個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)，而它們恰恰是決定自動(dòng)駕駛汽車成敗的關(guān)鍵因素。
激光雷達(dá)性能指標(biāo)中，最重要的是視場(chǎng)、探測(cè)范圍、分辨率、轉(zhuǎn)速和幀率。它們是自動(dòng)駕駛汽車可靠性和安全性的定海神針，否則想應(yīng)對(duì)復(fù)雜的情況根本沒(méi)戲。
下面，我們對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行深入解讀，看看它們將如何影響自動(dòng)駕駛汽車。
視場(chǎng)：眾所周知，360 度水平視場(chǎng)已經(jīng)成了自動(dòng)駕駛汽車的最佳安全保障，這是人類駕駛員力所不能及的。假設(shè)車輛正從匝道上并入高速，它必須對(duì)自己左側(cè)后方的狀況有個(gè)清楚的了解。除此之外，它還得向后看以判斷并確認(rèn)自己將要并入的車道是否有足夠空間。這個(gè)過(guò)程中，車輛還必須同時(shí)“凝望”前方車輛以防追尾。
因此，如果車輛的視場(chǎng)過(guò)于狹窄，肯定處理不了并線駛?cè)敫咚龠@個(gè)動(dòng)作，這時(shí)就需要激光雷達(dá)登場(chǎng)，360 度的視場(chǎng)在這里簡(jiǎn)直是神器。如果自動(dòng)駕駛汽車用了視場(chǎng)有局限的傳感器，車載計(jì)算機(jī)就必須將多個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)“縫合”在一起，不但浪費(fèi)了算力，還容易有死角（就像你手機(jī)上的全景影像）。
除了 360 度的水平視場(chǎng)，垂直視場(chǎng)也對(duì)激光雷達(dá)“輔佐”自動(dòng)駕駛汽車至關(guān)重要。激光雷達(dá)需要清晰的“看到”道路才能識(shí)別可駕駛區(qū)域，躲避障礙物和各種碎片，保持現(xiàn)有車道、變線或在十字路口轉(zhuǎn)彎。
此外，激光雷達(dá)還必須將光束射向高處，防止車輛被“砍頭”，同時(shí)識(shí)別高處的路標(biāo)。需要注意的是，垂直視場(chǎng)對(duì)車輛進(jìn)出地庫(kù)也非常重要。
探測(cè)范圍：激光雷達(dá)的探測(cè)范圍一直是業(yè)內(nèi)的熱門討論話題。對(duì)自動(dòng)駕駛汽車來(lái)說(shuō)，看得越遠(yuǎn)就能爭(zhēng)取越長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，車輛也就更安全。對(duì)在高速路上飛奔的車輛來(lái)說(shuō)，200 米的探測(cè)范圍是個(gè)及格線。雖然在城市里行駛速度要低得多，但頻發(fā)的意外情況（如玩手機(jī)的行人、橫穿的動(dòng)物、卡車上掉落的垃圾等）卻要求更快的反應(yīng)速度。無(wú)論哪種情況發(fā)生，車載傳感器都需要為車輛提供足夠的時(shí)間差來(lái)決定到底要作何反應(yīng)并果斷采取行動(dòng)。
另一個(gè)與探測(cè)范圍息息相關(guān)的因素是反射率。所謂的反射率指的是物體將光線反射回傳感器的傾向，顏色淺的物體會(huì)比顏色深的反射更多光。許多傳感器能遠(yuǎn)距離探測(cè)到高反射率的物體，但反射率一降下去，探測(cè)范圍就會(huì)大打折扣。
分辨率：高分辨率激光雷達(dá)對(duì)各種速度下的目標(biāo)探測(cè)和碰撞預(yù)防都非常關(guān)鍵。更高的分辨率讓傳感器能更精確的判斷物體的大小、形狀和位置。眼下市場(chǎng)上最先進(jìn)的激光雷達(dá)已經(jīng)能探測(cè)到小于 3 厘米的物體了，2 厘米的“紅線”也近在咫尺。這樣的分辨率表現(xiàn)甚至超過(guò)了高清雷達(dá)，讓車輛視力飆到了 2.0。
說(shuō)起分辨率的重要性，還是要拿輪胎碎屑來(lái)舉例。激光雷達(dá)系統(tǒng)不僅需要探測(cè)目標(biāo)，還得識(shí)別它們是什么。這項(xiàng)工作意義重大，因?yàn)楹诤诘穆访嫱ǔ?huì)附著一些黑色的障礙物。當(dāng)然，面對(duì)這類有了“隱蔽色”的物體，激光雷達(dá)一點(diǎn)都不怕，畢竟它能繪制 3D 圖像，但分辨率的高低卻能決定物體識(shí)別的準(zhǔn)確性，這對(duì)車輛的判斷相當(dāng)重要。
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