自動(dòng)駕駛的現(xiàn)狀分析和實(shí)現(xiàn)過(guò)程

黃海川

（南京市第一中學(xué)，南京　210028）

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著高性能計(jì)算、人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的汽車(chē)制造工業(yè)也發(fā)生了嶄新的變革，具有“安全、高效、節(jié)能”特點(diǎn)的自動(dòng)駕駛汽車(chē)將逐步取代傳統(tǒng)的汽車(chē)。由于人們對(duì)此需求的不斷提高，同時(shí)伴隨這自動(dòng)駕駛技術(shù)的日益成熟，所以開(kāi)展對(duì)自動(dòng)駕駛方面的研究具有重要的意義。

1　自動(dòng)駕駛的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1　國(guó)內(nèi)外自動(dòng)駕駛的發(fā)展情況

全球范圍內(nèi)，從當(dāng)前至未來(lái)五年，中、美、德引領(lǐng)自動(dòng)駕駛產(chǎn)業(yè)發(fā)展大潮，日本、韓國(guó)迅速覺(jué)醒。據(jù)思邁汽車(chē)信息咨詢(xún)公司預(yù)測(cè)，至2035年，北美、中國(guó)和西歐將成為自動(dòng)駕駛的三大主要市場(chǎng)，占比將分別達(dá)到29%、24%和20%[1]。

麥肯錫公司指出：在2025年自動(dòng)駕駛技術(shù)在美國(guó)的潛在經(jīng)濟(jì)影響為2000億到1.9萬(wàn)億美元左右。歐盟依托多次框架計(jì)劃對(duì)自動(dòng)駕駛開(kāi)展了長(zhǎng)期持續(xù)的資助，在不同階段解決了不同的技術(shù)與應(yīng)用問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一系列實(shí)驗(yàn)車(chē)型[2]。

與國(guó)外自動(dòng)駕駛研究相比，我國(guó)起步較晚。1992年國(guó)防科技大學(xué)成功研制出中國(guó)第一輛真正意義上的紅旗系列無(wú)人駕駛汽車(chē)，隨后不斷取得突破性進(jìn)展。從2009年開(kāi)始舉辦的“中國(guó)智能車(chē)挑戰(zhàn)賽”對(duì)中國(guó)無(wú)人駕駛車(chē)輛研究起到很大的推動(dòng)作用。預(yù)計(jì)在2025年前后，我國(guó)新生產(chǎn)汽車(chē)中配備有輔助或半自動(dòng)駕駛技術(shù)的比例將達(dá)到30%，到2030年，完全自動(dòng)駕駛車(chē)輛的占有率將接近10%[3]。

1.2　自動(dòng)駕駛的發(fā)展歷程

美國(guó)高速公路安全管理局將汽車(chē)自動(dòng)化定義為5個(gè)層次，分別為：駕駛支援（L1）、部分自動(dòng)化（L2）、有條件自動(dòng)化（L3）、高度自動(dòng)化（L4）和完全自動(dòng)化（L5），目前全球主要處于由L3到L4發(fā)展階段[4，5]。

目前，自動(dòng)駕駛技術(shù)體系基本形成，已實(shí)現(xiàn)部分功能的自動(dòng)化，包括自動(dòng)泊車(chē)、主動(dòng)剎車(chē)等。同時(shí)，在許多高端的豪華車(chē)已經(jīng)安裝了如車(chē)道輔助技術(shù)和自適應(yīng)巡航控制等系統(tǒng)。

1.3　各個(gè)公司目前的技術(shù)水平

Google公司在激光雷達(dá)、定位、算法等方面持續(xù)投入，無(wú)人駕駛技術(shù)成熟度全球領(lǐng)先，當(dāng)前目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)L4和L5等級(jí)的無(wú)人駕駛。特斯拉公司在產(chǎn)業(yè)化道路上的表現(xiàn)最為突出，其當(dāng)前目標(biāo)是在L4等級(jí)上引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展。德國(guó)奔馳汽車(chē)公司投入巨資研發(fā)復(fù)雜環(huán)境下的自動(dòng)駕駛技術(shù)，在新上市的S級(jí)轎車(chē)已搭載其最新的“自動(dòng)駕駛系統(tǒng)”。

由百度深度學(xué)習(xí)研究院主導(dǎo)研發(fā)的無(wú)人駕駛項(xiàng)目于2013年起步，其技術(shù)核心是“AutoBrain”，包括高精度地圖、定位、感知、智能決策與控制四大模塊。百度宣布在2020年之前實(shí)現(xiàn)高速和城市道路全路網(wǎng)自動(dòng)駕駛。

2　自動(dòng)駕駛汽車(chē)的特點(diǎn)與功能

2.1　自動(dòng)駕駛汽車(chē)的特點(diǎn)

（1）更安全：對(duì)周?chē)h(huán)境的反應(yīng)速度非常快，提高了交通安全水平；智能車(chē)輛的可控性增加，而且機(jī)器不會(huì)疲勞、憤怒、酗酒或分心，提高了車(chē)輛行駛的安全性。

（2）出行效率更高：通過(guò)環(huán)境感知系統(tǒng)可以不斷監(jiān)控車(chē)輛周邊動(dòng)態(tài)環(huán)境狀況，并利用自動(dòng)緊急剎車(chē)系統(tǒng)避免因急剎車(chē)造成的追尾事故，減少堵車(chē)情況的發(fā)生，提升了人們的出行效率。

（3）停車(chē)更輕松：利用自動(dòng)泊車(chē)功能可以更輕松的將車(chē)停到車(chē)位上。

（4）開(kāi)車(chē)更自由：自動(dòng)駕駛汽車(chē)的慣性巡邏控制、自由控制路線(xiàn)等特點(diǎn)解放了司機(jī)的雙手，可以讓司機(jī)坐在車(chē)上聽(tīng)音樂(lè)、看書(shū)或者休息。

2.2　自動(dòng)駕駛汽車(chē)的功能

能夠定位車(chē)身的實(shí)際位置，對(duì)目的地進(jìn)行導(dǎo)航，并根據(jù)具體路況隨時(shí)改變路線(xiàn)；能夠可靠實(shí)現(xiàn)車(chē)速調(diào)節(jié)、變換車(chē)道，安全超車(chē)，保持車(chē)距等各種必要基本操作；能夠?qū)M(jìn)行駕駛員狀態(tài)分析，確保駕駛員以及乘客的行駛安全；能夠適應(yīng)不同的氣候環(huán)境，以及行駛環(huán)境。

3　自動(dòng)駕駛汽車(chē)的組成

3.1　中央處理器

中央處理器由邏輯運(yùn)算單元、控制單元、存儲(chǔ)單元組成，是整個(gè)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的核心，對(duì)收集到的各種信息進(jìn)行匯總與處理。

中央處理器通過(guò)傳感器接受輸入信息，例如：交通標(biāo)志與信號(hào)燈、路人動(dòng)物、其他車(chē)輛等，并輸出相應(yīng)的決策控制信息實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的操作。中央處理器同時(shí)還應(yīng)該具備一個(gè)知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，用以存儲(chǔ)各種路況信息，行車(chē)路線(xiàn)，和對(duì)各種緊急的處理方案。例如：當(dāng)自動(dòng)駕駛汽車(chē)通過(guò)十字路口時(shí)，它不但要提醒行人自己的行車(chē)意圖，還應(yīng)該能夠預(yù)判是否有行人會(huì)違背交通規(guī)則闖紅燈等，并采取緊急避讓的措施。

3.2　視頻采集器

視頻采集器主要指利用高清晰單目或多目攝像頭，來(lái)采集汽車(chē)在行駛或者泊車(chē)狀態(tài)下的周?chē)h(huán)境狀態(tài)。例如，位于車(chē)頭處的視頻采集器頭可以識(shí)別交通信號(hào)，車(chē)身周?chē)囊曨l采集器可以采集車(chē)外的物體，如其他車(chē)輛、自行車(chē)和行人等。然后攝像頭將拍攝到的畫(huà)面?zhèn)鬟f到汽車(chē)的控制中心（即中央處理器），在控制中心的指揮下，汽車(chē)可以在行駛中根據(jù)這些情況重新制定行駛路線(xiàn)。

3.3　雷達(dá)傳感器

雷達(dá)傳感器是將感應(yīng)得到的車(chē)輛之間、車(chē)輛與行人之間的距離，傳送給中央處理器，以供其判斷出接下來(lái)的操作。

車(chē)載雷達(dá)可以向車(chē)輛周?chē)陌l(fā)射信號(hào)并接受轉(zhuǎn)換反射回來(lái)的信號(hào)，中央處理器可以根據(jù)這些信息計(jì)算出車(chē)輛周?chē)渌挛锏木嚯x，并根據(jù)測(cè)算出來(lái)的距離，結(jié)合車(chē)速、環(huán)境因素，為汽車(chē)提供控制決策參考。

3.4　定位導(dǎo)航系統(tǒng)

衛(wèi)星定位與導(dǎo)航，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)車(chē)輛的路徑規(guī)劃與控制。目前GPS是使用最普遍的一種導(dǎo)航系統(tǒng)，同時(shí)，中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（COMPASS）發(fā)展逐漸成熟。以GPS為例，高精度的GPS可為自動(dòng)駕駛提供精確的定位服務(wù)，中央處理器就可以借此解算出對(duì)地速度、航向角信息等，為自動(dòng)駕駛在復(fù)雜環(huán)境中的處理提供技術(shù)支持。

根據(jù)以上敘述，自動(dòng)駕駛汽車(chē)的組成如圖1所示。

圖1　自動(dòng)駕駛汽車(chē)的組成示意圖

4　自動(dòng)駕駛汽車(chē)的原理

汽車(chē)自動(dòng)駕駛是汽車(chē)產(chǎn)業(yè)與人工智能、高性能計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。它可以利用多種車(chē)載傳感器來(lái)感知車(chē)輛周?chē)沫h(huán)境，以此來(lái)控制車(chē)輛的速度轉(zhuǎn)向等操作。同時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)路況動(dòng)態(tài)規(guī)劃路徑方案，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)輛自動(dòng)、安全、可靠的行駛。

首先，主要通過(guò)GPS來(lái)初步確定自動(dòng)駕駛汽車(chē)所處的地理位置，再結(jié)合各種傳感器和視頻采集器來(lái)確定車(chē)身周?chē)沫h(huán)境。然后，在行車(chē)的過(guò)程中，依靠激光雷達(dá)、攝像頭等各類(lèi)感應(yīng)器感應(yīng)周邊環(huán)境，如車(chē)輛周?chē)矬w的行動(dòng)軌跡，行動(dòng)速度以及各類(lèi)信號(hào)標(biāo)示，通過(guò)不斷與這些信息的交互決定車(chē)輛的行駛情況。最后，為了提升車(chē)輛對(duì)周?chē)h(huán)境的判斷能力，以及對(duì)各類(lèi)環(huán)境的處理方法，可以通過(guò)軟件進(jìn)行記憶及學(xué)習(xí)，對(duì)不同駕駛的模式進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，進(jìn)而讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)在實(shí)際的路況中也有優(yōu)異的表現(xiàn)。

5　展望及改善

5.1　未來(lái)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)

（1）事故率降低：隨著科技的進(jìn)步，自動(dòng)駕駛車(chē)輛的事故發(fā)生率將不斷降低，最終安全事故可能成為罕見(jiàn)事件。

（2）共享自動(dòng)駕駛汽車(chē)：徹底改變當(dāng)前的交通模式，從私人擁有自動(dòng)駕駛汽車(chē)轉(zhuǎn)向共享，從而按照需求使用汽車(chē)，還可以通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)租借給他人有償使用。

（3）自動(dòng)駕駛出租車(chē)：由于自動(dòng)駕駛減少了傳統(tǒng)出租車(chē)中約占6成的人工成本，將大大降低租車(chē)費(fèi)用，促進(jìn)自動(dòng)駕駛出租車(chē)的發(fā)展。

5.2　當(dāng)前自動(dòng)駕駛存在的問(wèn)題

（1）成本昂貴：當(dāng)前自動(dòng)駕駛汽車(chē)所使用的設(shè)備主要包括激光雷達(dá)、車(chē)載攝像頭、超聲波設(shè)備以及GPS等，制作成本高，導(dǎo)致當(dāng)前自動(dòng)駕駛汽車(chē)整車(chē)價(jià)格偏高。

（2）關(guān)鍵技術(shù)瓶頸：谷歌、特斯拉等頂級(jí)自動(dòng)駕駛研究機(jī)構(gòu)在路況識(shí)別技術(shù)方面，還未達(dá)到自然人的識(shí)別水平；并且，還不能讓自動(dòng)駕駛車(chē)輛完全模仿人的駕駛行為如加減速和轉(zhuǎn)向、應(yīng)對(duì)緊急狀態(tài)等。

（3）法律問(wèn)題：自動(dòng)駕駛車(chē)輛發(fā)生的交通事故責(zé)任認(rèn)定及由此引發(fā)的車(chē)險(xiǎn)理賠等方面的問(wèn)題目前還沒(méi)有明確的法律法規(guī)。

5.3　針對(duì)問(wèn)題的改善方案

（1）提高安全性：通過(guò)發(fā)展大數(shù)據(jù)技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)，進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境的識(shí)別和感知；通過(guò)云技術(shù)在線(xiàn)升級(jí)提高地圖更新的速度；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)及人工智能技術(shù)，形成自我學(xué)習(xí)和決定最優(yōu)解決方案，針對(duì)復(fù)雜的道路環(huán)境做出及時(shí)反應(yīng)和精準(zhǔn)的判斷，提高駕駛的安全性。

（2）降低成本：為了降低自動(dòng)駕駛汽車(chē)的成本，可以通過(guò)開(kāi)發(fā)自動(dòng)導(dǎo)航、成像系統(tǒng)等相關(guān)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)。例如，英國(guó)劍橋大學(xué)開(kāi)發(fā)出低成本的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，不再需要通過(guò)昂貴的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行定位。

[1]孟海華，江洪波，湯天波.全球自動(dòng)駕駛發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)（上）[J].華東科技，2014，（9）：66-68.

[2]陳大明，孟海華，湯天波.全球自動(dòng)駕駛發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)（下）[J].華東科技，2014，（10）：68-70.

[3]范志翔，孫巍，潘漢中等.自動(dòng)駕駛汽車(chē)測(cè)試技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與思考[J].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化，2017，（508）：47-49.

[4]徐西峰，董明芳.面向2020的自動(dòng)駕駛業(yè)態(tài)及我國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策建議[J].現(xiàn)代電信科技，2017，47（1）：34-37.

[5]T.J.Gordon，M.Lidberg.Automated driving and autonomous functions on road vehicles[J].Vehicle System Dynamics，2015，53（7）：958-994.