李軻

擎天柱、大黃蜂、威震天……等等這些我們耳熟能詳?shù)拿?，伴隨著一代人的成長(zhǎng)，成為我們永難遺忘的回憶。這些《變形金剛》的機(jī)器人，他們能變成各種車輛，能夠擁有他們，就是我們兒時(shí)的夢(mèng)想。如果有一天，人類或許也能創(chuàng)造出這些人工智能機(jī)器人，將會(huì)是怎樣一幅場(chǎng)景？

事實(shí)上，隨著科技的發(fā)展，科學(xué)家一直沒(méi)有停止人工智能的研究，“人工智能”一詞最初在1956 年Dartmouth學(xué)會(huì)上提出后，研究者發(fā)展了眾多理論和原理，人工智能的概念也隨之?dāng)U展，世界各國(guó)也相繼開(kāi)發(fā)智能移動(dòng)機(jī)器人研究，我國(guó)也不例外。智能移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃與決策、執(zhí)行與行為控制等多功能于一體的綜合系統(tǒng)，集中了傳感器技術(shù)、機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)化控制工程以及人工智能等多學(xué)科的研究成果，是機(jī)電一體化的最高成就，也是目前科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。

攻堅(jiān)克難千磨萬(wàn)擊

如果你看到電影中智能汽車那瀟灑的身影令你嘆為觀止，你會(huì)覺(jué)得這輛車酷極了，讓“汽車自己開(kāi)”使無(wú)數(shù)人向往，但無(wú)人車還是被認(rèn)為離市場(chǎng)太遠(yuǎn)。但在去年10月，財(cái)力雄厚的網(wǎng)絡(luò)巨頭谷歌透露，該公司的自動(dòng)駕駛樣車已經(jīng)不聲不響行駛了14萬(wàn)英里，卻又令人看到了希望。上世紀(jì)80年代起，國(guó)外就開(kāi)始研究無(wú)人駕駛技術(shù)了，在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)是較早開(kāi)始智能車研究的單位之一，自1986年以來(lái)，清華大學(xué)便開(kāi)始了相關(guān)技術(shù)的研究。1998年，清華大學(xué)何克忠教授在清華大學(xué)智能技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持下著手THMR-V的研制。何克忠教授還先后承擔(dān)了國(guó)家科技重點(diǎn)項(xiàng)目等20余項(xiàng)；設(shè)計(jì)和研制成多型室內(nèi)智能移動(dòng)機(jī)器人THMR-I、THMR-II、THMR-IIA和室外智能移動(dòng)機(jī)器人THMR-III、THMR-V；成功開(kāi)發(fā)了多項(xiàng)總線式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)TH-STD-7800、TH-IPC-7800、TH-104-7800以及嵌入式測(cè)控機(jī)模板TH-MCS-7855、TH-MCS-7816、TH-MCS-7845，并已分別應(yīng)用于各類控制系統(tǒng)中。為THMR-V的研發(fā)成功奠定了重要的基礎(chǔ)。

2003年，何克忠教授課題組的研究取得了突破性進(jìn)展，清華智能車THMR-V能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的車道線自動(dòng)跟蹤，準(zhǔn)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的道路跟蹤，復(fù)雜環(huán)境下的道路避障、道路停障以及視覺(jué)臨場(chǎng)感遙控駕駛等功能。在車道線自動(dòng)跟蹤研究中，THMR課題組提出了基于擴(kuò)充轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)的道路理解技術(shù)和基于混合模糊邏輯的控制方法，實(shí)現(xiàn)了車道線的自動(dòng)跟蹤，平均時(shí)速為每小時(shí)100公里，最高時(shí)速達(dá)到每小時(shí)150公里。THMR-V駛出了全球極速，并被評(píng)選為2003年公眾最關(guān)注的中國(guó)十件科技大事之一，鑒定專家委員會(huì)認(rèn)為該智能車在車道線自動(dòng)跟蹤技術(shù)研究方面處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

這一切成果與以何克忠教授為代表的THMR-V課題組的努力是分不開(kāi)的，何克忠教授夜以繼日、不辭辛苦，將畢生心血專注到智能車研究之中，著手解決關(guān)于智能車研發(fā)之中眾多難題。智能車THMR-V車速每小時(shí)150公里相當(dāng)于40m/s，因此對(duì)車道線識(shí)別技術(shù)、車體的控制技術(shù)以及方向盤轉(zhuǎn)角的檢測(cè)技術(shù)提出了快速、精確、靈敏的極高要求。

針對(duì)車道線的識(shí)別技術(shù)，何克忠教授率領(lǐng)課題組進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，提出了基于擴(kuò)充轉(zhuǎn)移網(wǎng)絡(luò)的道路理解技術(shù)。這種方法大幅度降低了道路圖像處理和車道線識(shí)別的計(jì)算量，提高了整個(gè)車道檢測(cè)過(guò)程的速度，保證了車道檢測(cè)和道路環(huán)境理解的實(shí)時(shí)性，而且能夠有效避免路面上其它車道標(biāo)志的干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在車道線跟蹤階段全部計(jì)算過(guò)程的周期縮短到不足20毫秒，完全可以滿足高速移動(dòng)機(jī)器人自主行駛的實(shí)時(shí)性需求。

對(duì)于車體控制技術(shù)，課題組把傳統(tǒng)的PID控制與模糊邏輯控制的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，提出了混合模糊邏輯控制算法，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，該算法具有很高的實(shí)時(shí)性，控制精度和魯棒性，滿足了智能車高速自主導(dǎo)航的需要。而關(guān)于方向盤轉(zhuǎn)角的檢測(cè)，何克忠教授選擇了精密的絕對(duì)光碼盤、設(shè)計(jì)了合適的傳動(dòng)比以及配置了精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。THMR-V能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的車道線自動(dòng)跟蹤、準(zhǔn)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的道路跟蹤、復(fù)雜環(huán)境下的道路避障、道路停障以及視覺(jué)臨場(chǎng)感遙控駕駛等功能。

一分耕耘一分收獲

盡管目前世界上已經(jīng)有不少無(wú)人車跑出了不錯(cuò)的成績(jī)，但在對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性、運(yùn)行的可靠性以及成本控制等方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，而這些恰恰是無(wú)人車在正式推向市場(chǎng)時(shí)必須面對(duì)的重要問(wèn)題。無(wú)人車上路最重要的是可靠性和安全性，尤其是方向、油門、剎車等控制系統(tǒng)和攝像機(jī)、激光雷達(dá)等檢測(cè)部件。眾所周知，汽車的工作溫度要求十分苛刻，從零下數(shù)十度到零上數(shù)十度，而常用的傳感器如攝像機(jī)、工控機(jī)等的工作溫度一般也就在零度到50度之間，遠(yuǎn)不能滿足可靠性要求，急需采用新技術(shù)、新方法和新材料。

因此，何克忠教授在THMR-V在車體控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中精益求精，采用分層遞階的體系結(jié)構(gòu)，分為智能級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)，都選用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。智能級(jí)是根據(jù)起始點(diǎn)位置、目標(biāo)點(diǎn)位置和電子地圖進(jìn)行全局路徑規(guī)劃，規(guī)劃出－條最佳的路徑。當(dāng)全局路徑發(fā)生變故，無(wú)法行進(jìn)時(shí)，智能級(jí)將進(jìn)行全局路徑的重規(guī)劃，兩種規(guī)劃的結(jié)果發(fā)送給協(xié)調(diào)級(jí)。協(xié)調(diào)級(jí)接受執(zhí)行級(jí)各個(gè)傳感器傳來(lái)的位置信息和車體的狀態(tài)信息，對(duì)相應(yīng)的信息進(jìn)行融合建立車體的狀態(tài)模型和環(huán)境模型，協(xié)調(diào)級(jí)根據(jù)上述兩種模型和智能級(jí)送來(lái)的規(guī)劃路徑進(jìn)行局部路徑規(guī)劃，并據(jù)此進(jìn)行軌跡規(guī)劃，向執(zhí)行級(jí)發(fā)出車體動(dòng)作命令。執(zhí)行級(jí)接受協(xié)調(diào)級(jí)發(fā)來(lái)的車體控制命令，控制車體動(dòng)作，并向協(xié)調(diào)級(jí)發(fā)送各個(gè)傳感器采集到的車體狀態(tài)信息和車體的環(huán)境信息。執(zhí)行級(jí)包括車體（方向、油門、剎車、檔位、啟停等）控制系統(tǒng)、激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)、攝像機(jī)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)、GPS車體定位系統(tǒng)、磁羅盤-光碼盤位置速度測(cè)量系統(tǒng)等。

分層遞階的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了功能的分散，用多臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)各自不同的功能，避免了一臺(tái)計(jì)算機(jī)功能過(guò)多、過(guò)于集中帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，具有實(shí)時(shí)性、快速性，編程的簡(jiǎn)便、安全、可靠方面也有很大的優(yōu)點(diǎn)。

為了提高智能車的可靠性，THMR課題組在車體控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采取了許多措施，如選用工業(yè)級(jí)元器件、信號(hào)隔離技術(shù)、電源及信號(hào)濾波、電路板的精心設(shè)計(jì)、系統(tǒng)連接線的精心安排、計(jì)算機(jī)軟件的可靠性設(shè)計(jì)等方面，保證了智能車的安全可靠性。

一分耕耘一分收獲，何克忠教授課題組的努力是值得的，THMR-V無(wú)疑是國(guó)內(nèi)智能車的杰出代表，其所達(dá)到的國(guó)際先進(jìn)水平也昭示著我國(guó)智能車研發(fā)的超速進(jìn)展。但無(wú)人車的推廣卻是一個(gè)重要的問(wèn)題，就當(dāng)前科學(xué)技術(shù)水平而言，何克忠教授認(rèn)為逐漸將無(wú)人車研制過(guò)程中形成的科技成果轉(zhuǎn)化為對(duì)現(xiàn)有汽車的部分改進(jìn)，是一個(gè)比較恰當(dāng)?shù)耐緩?。手?dòng)擋到自動(dòng)擋的轉(zhuǎn)變、倒車?yán)走_(dá)、基于車載攝像機(jī)的道路檢測(cè)等汽車輔助駕駛技術(shù)都已經(jīng)相繼在商用汽車上獲得了成功應(yīng)用。輔助駕駛系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，將有利于無(wú)人車零部件提高產(chǎn)量、降低成本。而且隨著這些技術(shù)的逐漸應(yīng)用，無(wú)人駕駛將在潛移默化中成為現(xiàn)實(shí)，人們會(huì)覺(jué)得無(wú)人駕駛汽車是一件正常的事情。

盡管何克忠教授已經(jīng)退休，但他為了中國(guó)的人工智能事業(yè)發(fā)展，依然沒(méi)有停止科研的腳步，發(fā)揮著自己的光和熱，一如既往的在智能車領(lǐng)域努力，他十分樂(lè)觀地估計(jì)，十余年之后，我們可以看到無(wú)人車真正上路。