自動駕駛原理

自動駕駛就是車輛在無駕駛員操作的情況下自行實(shí)現(xiàn)駕駛，它是車輛的能力。比如掃地機(jī)器人在掃地的時候就是在自動駕駛。自動駕駛有多種發(fā)展路徑，單車智能、車路協(xié)同、聯(lián)網(wǎng)云控等。車路協(xié)同是依靠車-車，車-路動態(tài)信息的實(shí)時交互實(shí)現(xiàn)自動駕駛。聯(lián)網(wǎng)云控更注重通過云端的控制實(shí)現(xiàn)自動駕駛。本文章闡述的是單車智能。

基本原理概述

單車智能實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過傳感器實(shí)時感知到車輛及周邊環(huán)境的情況，再通過智能系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃決策，**通過控制系統(tǒng)執(zhí)行駕駛操作。

這里面有三個環(huán)節(jié)：

? 感知：車輛自身以及環(huán)境信息的采集與處理，包括視頻信息、gps信息、車輛姿態(tài)、加速度信息等等。好比是人類的眼睛、耳朵、皮膚一樣去收集。具體的比如前方是否有車，前方障礙物是否是人，紅綠燈是什么顏色，自車的車速如何，路面情況如何等等信息，都是需要去感知的。

? 決策：依據(jù)感知到的情況，進(jìn)行決策判斷，確定適當(dāng)?shù)墓ぷ髂Ｐ?，制定適當(dāng)?shù)目刂撇呗裕嫒祟愖龀鲴{駛決策。決策主要依賴的是芯片和算法，就好比是人類的大腦?？吹郊t燈，決策需要停止；觀察到前車很慢，決定從右側(cè)超車；有小孩突然闖入道路，進(jìn)行緊急制動。

? 控制：系統(tǒng)做出決策后，自動對車輛進(jìn)行相應(yīng)的操作執(zhí)行。類比人類進(jìn)行的方向盤以及油門、剎車的操作。系統(tǒng)通過線控系統(tǒng)將控制命令傳遞到底層模塊執(zhí)行對應(yīng)操作任務(wù)。如左轉(zhuǎn)5度。

硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)在各層都有。感知層主要是為自動駕駛系統(tǒng)獲取外部行駛道路環(huán)境數(shù)據(jù)并幫助系統(tǒng)進(jìn)行車輛定位。當(dāng)前無人駕駛系統(tǒng)中代表性的傳感器有攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、GNSS/IMU等。它們的工作原理、技術(shù)特性各不相同，決定了適用的場景也不同。當(dāng)前大部分車輛都是采用多種傳感器相融合的方式以應(yīng)對各種可能發(fā)生的情況，保證較好的實(shí)際使用效果。主流傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)參考如下圖。其他還有一些傳感器在一些方案中也會被使用，如麥克風(fēng)陣列，紅外相機(jī)等。

感知層會收集大量的自車和環(huán)境數(shù)據(jù)，決策層需要自動駕駛芯片流暢地處理這些數(shù)據(jù)才能保證系統(tǒng)及時作出正確的決策，從而控制車輛自動行駛并確保安全。智能系統(tǒng)的三大要素是數(shù)據(jù)、算法和算力，而算力的根本就是芯片。芯片是決策層*為重要的硬件。目前能夠量產(chǎn)自動駕駛芯片的主要是Mobileye（英特爾收購）、英偉達(dá)、特斯拉。Mobileye市場規(guī)模**，應(yīng)用于L2的產(chǎn)品有統(tǒng)治級別的市場占有率。英偉達(dá)是傳統(tǒng)巨頭，有算力*強(qiáng)的芯片。Tesla的芯片自產(chǎn)自銷，能夠量產(chǎn)高算力芯片。國內(nèi)也有一家后起之秀地平線，芯片也已經(jīng)量產(chǎn)，奮起直追中。

控制層則相對簡單，主要是線控。線控就是用線（電信號）的形式來取代機(jī)械、液壓或氣動等形式的連接，實(shí)現(xiàn)電子控制，從而不再需要駕駛員的力量或者扭矩的輸入。對于自動駕駛來說，**的三個線控子系統(tǒng)是線控油門、線控轉(zhuǎn)向、線控制動。我們常常聽到自動駕駛各領(lǐng)域都有很多獨(dú)角獸。奇怪的是線控方面資本市場卻少有提及，但它也是自動駕駛生態(tài)中重要的一個環(huán)節(jié)。大概是因?yàn)榫€控技術(shù)直接涉及風(fēng)險(xiǎn)，大家有意無意地忽視。

目前主流的L4&L4+自動駕駛硬件架構(gòu)都是依賴激光雷達(dá)的，包括華為ADS、百度Apollo、Waymo、Mobileye等等。特斯拉的方案則沒有激光雷達(dá)，個人認(rèn)為關(guān)鍵原因是激光雷達(dá)成本高落地難，而視覺方案可以快速落地形成數(shù)據(jù)算法迭代優(yōu)化的閉環(huán)。但激光雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量實(shí)在好，對視覺方案有極大的補(bǔ)充價(jià)值，甚至是主導(dǎo)價(jià)值，而且成本已經(jīng)大幅下降。所以特斯拉可能成也視覺（更快落地）、敗也視覺（效果上限較低）。

軟件系統(tǒng)

我們以業(yè)界某款開源平臺架構(gòu)來理解一下自動駕駛在軟件方面需要具備的能力。

? 地圖引擎（Map）：提供道路、周邊建筑等地圖信息，高精地圖還包含全局車道、曲率、坡度、紅綠燈、護(hù)欄情況等等信息。如地圖可以透出前方右拐急彎曲率及下坡坡度。

? 高精定位（Localization）：定位是一個重要模塊，L3及以上自動駕駛場景需要高精定位，是車輛信息感知的一個重要元素。如定位到車輛在行進(jìn)方向右邊第二車道，該車道只能直行不能右拐。

? 感知（Perception）：感知模塊接受并處理傳感器信息，從而識別自車以及周邊的情況。如感知到車輛的速度，感知到前方50米有一個行人。

? 預(yù)測（Prediction）：預(yù)測模塊主要用于預(yù)測感知到的障礙物的運(yùn)動軌跡。如在行駛中，感知到左側(cè)道路有一輛車，根據(jù)車輛的狀態(tài)和歷史運(yùn)動軌跡，預(yù)測車輛后續(xù)運(yùn)動軌跡，識別是否有碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

? 規(guī)劃（Planning）：根據(jù)感知到的信息，規(guī)劃出一條到達(dá)目的地的行進(jìn)路線，而且還需要規(guī)劃出未來一段時間內(nèi)，每一時刻所在位置的精細(xì)軌跡和自車狀態(tài)。如規(guī)劃軌跡向左偏移并加速，超車后回到道路中心線附近。

? 控制（Control）：如字面意思，通過指令控制車輛硬件進(jìn)行操作，如發(fā)送減速指令到制動器執(zhí)行制動操作。

? 交互界面（HMI）：人類在中控屏幕上看到的人機(jī)交互模塊。如自動駕駛系統(tǒng)通過HMI向乘客實(shí)時展示系統(tǒng)識別到的自車位置及周邊障礙物信息，有助于提升乘客的安全感。HMI在人車共駕的過度階段更有價(jià)值。

? 實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS）：Real Time Operation System 根據(jù)感知的數(shù)據(jù)信息，及時進(jìn)行計(jì)算和分析并執(zhí)行相應(yīng)的控制操作。

自動駕駛在感知、預(yù)測、高精定位等模塊，對機(jī)器學(xué)習(xí)都有很深的應(yīng)用和依賴。自動駕駛在一定程度上也促進(jìn)了機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展。

如下為整個架構(gòu)的數(shù)據(jù)流向圖，從中可以看出各模塊的上下游依賴關(guān)系。感知是預(yù)測的上游；感知、預(yù)測、定位、地圖又是規(guī)劃的上游；而控制則是規(guī)劃的下游；HMI則處于整個系統(tǒng)的下游。從中我們也可以看出，各模塊對于高精地圖都有依賴，可見高精地圖的重要性。高精地圖采集分為集中制圖和眾包制圖兩種，未來*可能普遍采用的方式是集中制圖+眾包更新，也可能是直接全眾包SLAM制圖，夠用就好。

自動駕駛意義

自動駕駛?cè)绱嘶馃幔匀皇且驗(yàn)樗軌蚪鉀Q一些問題。

降低出行成本

自動駕駛可以替代或者部分替代司機(jī)的工作，降低司機(jī)成本的投入。中國卡車司機(jī)就有3000萬，假設(shè)駕駛員1個月工資1萬，那么一年就是3.6萬億。假設(shè)卡車都實(shí)現(xiàn)了無人駕駛，那這里可以節(jié)約多少成本？送快遞、送外賣的從業(yè)人員也是千萬級別，無人物流車替代，可以節(jié)約多少成本？目前用戶打車的錢很大一部分是給司機(jī)的，如果司機(jī)的錢免了，對應(yīng)用戶的乘車成本也會有降低。如果是自己開車也等于是低價(jià)請了個司機(jī)，享受了更高的服務(wù)。如果進(jìn)入到無人駕駛時代，那么連考駕照的錢都可以省了。自動駕駛發(fā)展也會促進(jìn)車輛共享化從而提升車輛利用率以及降低對停車位等資源的占用成本。

提升通行效率

擁堵是出行的**大痛點(diǎn)問題。擁堵的原因有三個方面：

1. 人為因素，如低速占位行駛、路口搶行、路口頂牛等行為造成或加劇了擁堵。

2. 交通設(shè)施不完備，如限速，車道不足，紅綠燈等因素。

3. 車輛故障，如突然無法啟動等問題導(dǎo)致車道阻塞。

三個原因中，人為因素的比重**，交通設(shè)施汽車，車輛故障再次。而自動駕駛可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超人類駕駛的規(guī)范化駕駛。在相同流量的情況下，自動駕駛可以有效減少擁堵，進(jìn)而提升通行效率。

提升出行安全

80%以上的交通事故是人為因素造成的，如酒駕、疲勞駕駛、超速行駛、跟車距離過小、不按規(guī)定讓行等。而自動駕駛可以實(shí)現(xiàn)完全規(guī)范化的駕駛，沒有情緒、100%遵守交規(guī)，從而有效提升出行安全。

提升出行體驗(yàn)

這個價(jià)值主要是針對輔助駕駛部分的功能。不是*終目標(biāo)，但卻是當(dāng)下大家*能夠確實(shí)收獲的好處。自動駕駛的各種功能可以降低駕駛的難度，有效提升駕駛體驗(yàn)。

自動駕駛分級

自動駕駛分級如下表。實(shí)現(xiàn)L2級別自動駕駛的車廠比較多，L3則基本都是期貨。目前行業(yè)在努力攻克的主要是L3和L4級別的自動駕駛。值得注意的是有些廠商并不是L1-L2-L3-L4逐級演進(jìn)的。比如華為進(jìn)入這個領(lǐng)域，更注重從城市道路場景出發(fā)，直接以L4為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)和技術(shù)落地，升維思考、降維打擊。

L1自動駕駛

L0就是無自動駕駛功能，不做闡述。L1表示車輛可以自動完成橫向或縱向操控中的一項(xiàng)，其余所有工作仍然需要人類來完成。雖然比較低級，但卻已經(jīng)很實(shí)用，如ACC、AEB、LKA等。

? ACC：Adaptive Cruise Control 自適應(yīng)巡航控制

ACC是系統(tǒng)通過傳感器監(jiān)測與前車的距離和相對速度，結(jié)合乘坐體驗(yàn)，計(jì)算出合適的油門或者剎車量進(jìn)行車輛縱向的控制，*終實(shí)現(xiàn)自動跟車或定速行駛的輔助駕駛功能。

? AEB：Autonomous Emergency Braking 自動緊急制動

AEB是一種汽車主動安全技術(shù)。AEB通過傳感器持續(xù)監(jiān)測自車與周邊障礙物的距離，如果距離小于警報(bào)距離則發(fā)出警報(bào)，如距離進(jìn)一步小于安全距離，則即使駕駛員沒有操作，AEB也會自動進(jìn)行制動控制，避免碰撞發(fā)生。

? LKA：Lane Keeping Assist 車道保持輔助

LKA是在車道偏離預(yù)警系統(tǒng)（LDW：Lane Departure Warning）的基礎(chǔ)上增加糾正的控制。LKA通過傳感器監(jiān)測自車與車道中心線的相對位置，如果發(fā)現(xiàn)車輛偏離車道，則向駕駛員發(fā)出警告，在特定設(shè)定下可以通過自動轉(zhuǎn)向控制使得車輛重新回到車道**行駛。LCC（Lane Centering Control 車道居中控制 ）也會作為一個**的輔助功能提供。