自動駕駛的現(xiàn)狀分析與實現(xiàn)過程

卜藝浦

江蘇省泰興中學(xué) 江蘇省泰興市 225400

1 引言

汽車自動駕駛技術(shù)，是依靠計算機與人工智能技術(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。自動駕駛同時還能幫助避免醉駕，疲勞駕駛等安全隱患，減少駕駛員失誤，提升安全性。自動駕駛也因此成為各國近年的一項研發(fā)重點。

2 自動駕駛的發(fā)展歷程

2.1 自動駕駛的發(fā)展情況

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

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無方向盤、油門剎車踏板的無人駕駛汽車原形，這也是首個出現(xiàn)在大眾視野的實現(xiàn)100%自動駕駛的汽車。

由于各個公司的重視與大量投入，自動駕駛已經(jīng)累計大量經(jīng)驗，技術(shù)進步也呈高速增長趨勢。特斯拉宣稱已在硬件上達(dá)到5級條件，預(yù)計今年明年間能推出5級試驗車輛；谷歌公司也預(yù)計將在一兩年內(nèi)實現(xiàn)5級標(biāo)準(zhǔn)；日本的豐田普銳斯將在東京2020年奧運會提供自動駕駛服務(wù)。中國由于起步較晚，早期實驗經(jīng)驗不足，在百度啟動Apollo平臺計劃后，其與國外實驗數(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級自動駕駛巴士量產(chǎn)，將在北京首先投入應(yīng)用。

3 自動駕駛的硬件組成

3.1 控制電腦

自動駕駛技術(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與計算機技術(shù)的協(xié)作，進行航線的確定，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。

在自動駕駛車輛中，主控電腦是一項收集信息并作出行為決策的設(shè)備，是自動駕駛的核心設(shè)備。控制電腦控制著自動駕駛汽車所有行為，在感知設(shè)備提供信息后，電腦會根據(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。自動駕駛汽車所接受的所有信息都會集中到電腦處，電腦需要對這些數(shù)據(jù)進行綜合分析，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)庫來辨識出周圍的環(huán)境元素，再做出相應(yīng)的對策。電腦由此可以像人類駕駛員一樣，在適當(dāng)?shù)臅r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，識別出道路上的交通指示信號如限速牌指示、紅綠信號燈等。

過往的自動駕駛技術(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]。但過去的計算機由于容量小，運行速度慢，這種窮舉式的算法又需要大量數(shù)據(jù)的運算，現(xiàn)在計算機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)。高性能計算機的重要性不僅體現(xiàn)在實際應(yīng)用階段，也體現(xiàn)載實驗階段借此來推動人工智能技術(shù)的進步。

3.2 雷達(dá)

電腦要采取行動，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)射與接受的時間差等數(shù)據(jù)感知到周遭環(huán)境中物體的位置，移動速度等。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、移動情況等。當(dāng)?shù)缆飞嫌卸喾N障礙物時，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單獨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。對于自動駕駛車輛，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GPS還可以和慣性測量單元（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，這也就提高了自動駕駛的穩(wěn)定和舒適度，也彌補了當(dāng)下傳感器不僅是測量范圍的不足，同時還有測量精度低的問題。當(dāng)下自動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路面進行監(jiān)測的自動駕駛試驗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，也是主要作用于對環(huán)境的感知，可以視為自動駕駛車輛的“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，如同人臉識別技術(shù)，根據(jù)圖像的特征識別出道路上的車輛，行人和建筑物。視覺傳感器的感知精度沒有雷達(dá)強，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，但因為路段的整修或是突發(fā)事故對道路進行調(diào)整，網(wǎng)絡(luò)信息不一定能及時更新，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 自動駕駛的優(yōu)勢

自動駕駛能成為現(xiàn)代的發(fā)展重點之一，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，自動駕駛能更好地避免以及解決交通擁堵問題，這對節(jié)省時間以及節(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駕駛的安全性，自動駕駛的存在可以有效避免如酒駕疲勞駕駛和駕駛時注意力分散等危險情況，另外機器的反應(yīng)能力也比人類快更多，機器與機器之間的協(xié)調(diào)性也比人與人之間更強，自動駕駛顯然能有效降低大小事故的發(fā)生頻率。

4.2 自動駕駛的缺陷

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

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

4.3 展望

自動駕駛?cè)杂泻艽蟮难a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，高水平的自動駕駛保守估計能在五年內(nèi)得到廣泛的推廣，預(yù)計SAE五級自動駕駛汽車將在兩年內(nèi)成功上路。自動駕駛對于社會、交通、環(huán)境方面均有益處，此外，自動駕駛技術(shù)作為人工智能技術(shù)的一項重要應(yīng)用，對于人工智能技術(shù)的研究和開發(fā)應(yīng)用具有很深的經(jīng)驗價值。