無人駕駛汽車的起源、現(xiàn)狀及展望

張宇航

摘 要無人駕駛汽車經(jīng)過近50年的研究和發(fā)展，技術(shù)日趨成熟和完善，并將在2020年進(jìn)入爆發(fā)期，交通系統(tǒng)的效率和安全性將得到極大提高。本文對國內(nèi)外無人駕駛汽車的起源和最新發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了回顧，對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，對后續(xù)20年無人駕駛汽車的發(fā)展進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】無人駕駛汽車現(xiàn)狀 關(guān)鍵技術(shù) 展望

無人駕駛汽車是未來智能汽車，主要利用環(huán)境感知系統(tǒng)來感知車輛周圍環(huán)境，并根據(jù)感知所獲得的道路、車輛位置和障礙物信息，控制車速和方向，從而使車輛安全、可靠地在道路上行駛。機(jī)構(gòu)預(yù)測，無人駕駛可減少90%的交通事故、90%的通勤時(shí)間、90%的汽車數(shù)量、90%的能源消耗，每年能幫助減少汽車二氧化碳排放量約3億噸。

無人駕駛汽車是汽車、人工智能與通信高度融合的產(chǎn)物，民用市場前景廣闊，潛在軍用價(jià)值巨大。是國家計(jì)算機(jī)科學(xué)、模式識別和智能控制技術(shù)水平的代表。無人駕駛汽車是影響3個10萬億市場（汽車、出行、社會效益）的革命性產(chǎn)業(yè)，是未來智慧城市最重要的組成部分。

1 國外無人駕駛汽車的起源及現(xiàn)狀

國外無人駕駛汽車的研究始于20世紀(jì)70年代。美國在20世紀(jì)80年代提出ALV（自主地面車輛）計(jì)劃（8輪，駕駛環(huán)境為校園，低速），同時(shí)美國卡耐基·梅隆大學(xué)、麻省理工學(xué)院等都先后開始無人駕駛汽車的研究。由于技術(shù)過于復(fù)雜，加上各種條件的限制，之后各國都將研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到高速公路的民用車輛上。

1995年由美國卡耐基·梅隆大學(xué)研制的無人駕駛汽車，完成了橫穿美國東西部5000多公里的州際高速公路試驗(yàn)，并獲成功。2005年美國國防部舉辦“大挑戰(zhàn)”比賽，美國斯坦福大學(xué)工程師們改裝了一輛大眾途銳多功能車，成功穿越沙漠并通過黑暗的隧道及泥濘的河床，在崎嶇山道上長途跋涉近7個小時(shí)，最先到達(dá)終點(diǎn)。

2014年以來，無人駕駛技術(shù)和道路測試發(fā)展迅猛。2016年9月14日，四輛福特Fusion作為優(yōu)步（Uber）公司無人駕駛汽車載客“首秀”，在美國賓夕法尼亞州匹茲堡市上路測試。2016年谷歌自動駕駛汽車項(xiàng)目獨(dú)立成立新公司W(wǎng)aymo，谷歌Google開發(fā)的自動駕駛汽車（有員工監(jiān)督）在現(xiàn)實(shí)世界中的路測里程累計(jì)已超過200萬英里（約322萬公里）。

2016年10月特斯拉宣布，所有新車的硬件都具備Autopilot 2.0“完全自動駕駛功能”的硬件系統(tǒng)（軟件系統(tǒng)包含多個輔助駕駛功能），包括8個360度攝像頭（視距約合250米），以及12個超聲波傳感器（能探測硬性和軟性障礙物），一個前向雷達(dá)以及一臺隨機(jī)攜帶的新款電腦，其計(jì)算能力是之前電腦的40倍，并且新的前置雷達(dá)可以穿過雨、霧和塵埃進(jìn)行監(jiān)測，且裝備該系統(tǒng)的新車價(jià)格僅增加5000～8000美元。2017年3月，特斯拉推出自動駕駛系統(tǒng)Autopilot 8.1，達(dá)到Level 3級有條件自動駕駛水平。特斯拉汽車在開啟Autopilot模式下累計(jì)已行駛2.22億英里（約3.57億公里）。

2 國內(nèi)無人駕駛汽車的起源及現(xiàn)狀

我國無人駕駛汽車的研究始于20世紀(jì)80年代。1989年國防科技大學(xué)研制出我國首輛智能小車。1992年我國第一輛真正意義上的無人駕駛汽車在國防科技大學(xué)誕生。2000年6月我國第四代無人駕駛汽車在國防科技大學(xué)研制試驗(yàn)成功，最高時(shí)速76km/h。

2010年國防科技大學(xué)和一汽成功聯(lián)合研制出紅旗旗艦無人駕駛轎車，該車裝備了攝像機(jī)、雷達(dá)，可以自己導(dǎo)航，不需要人做任何干預(yù)操作，在高速公路上行駛的最高穩(wěn)定速度為130km/h，最高峰值速度為170km/h。

2015年12月初百度順利完成無人駕駛汽車混合道路上路測試，之后宣布成立自動駕駛事業(yè)部，計(jì)劃三至五年實(shí)現(xiàn)商用化。另外，北汽、廣汽、上汽、長安、比亞迪也涉足無人駕駛汽車多年。

3 無人駕駛汽車的關(guān)鍵技術(shù)

無人駕駛汽車的自動駕駛系統(tǒng)主要包括環(huán)境感知、定位導(dǎo)航和控制三大系統(tǒng)。環(huán)境感知系統(tǒng)相當(dāng)于駕駛員的眼睛，是用攝像頭、超聲波傳感器、雷達(dá)等一系列部件組成的感知模塊，去感知周圍環(huán)境。定位導(dǎo)航系統(tǒng)相當(dāng)于駕駛員的地圖?？刂葡到y(tǒng)相當(dāng)于駕駛員的大腦和手腳，分析和處理收集來的信息，并發(fā)出指令控制速度和方向，正如駕駛員駕駛車輛一樣，找到當(dāng)前道路環(huán)境下的預(yù)瞄點(diǎn)，并控制。另外，無人駕駛汽車還需要車聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)的支持，以實(shí)現(xiàn)高效、安全運(yùn)行。

要實(shí)現(xiàn)真正的無人駕駛，感知技術(shù)的突破是關(guān)鍵。2015年10月特斯拉發(fā)布軟件版本7.0，該版本的自動輔助駕駛是通過圖像識別為主，雷達(dá)只是輔助的手段實(shí)現(xiàn)，但隨之也發(fā)生了兩起自動輔助駕駛沒能避免的致命車禍。隨后軟件版本8.0對感知技術(shù)方案進(jìn)行了徹底改造：改為雷達(dá)識別為主，圖像為輔的方式。感知周邊車輛的能力是原來的6倍，識別前方障礙物的能力大大增強(qiáng)，類似的道路中障礙物事故沒有再次出現(xiàn)。

特斯拉和谷歌代表兩種感知技術(shù)路徑。谷歌的高分辨率地圖，是用其街景車和探測車測繪的，包括整個城市高精確度的經(jīng)緯度以及每個位置的三維信息。之后使用雷達(dá)和高精度地圖對車輛行進(jìn)路線進(jìn)行規(guī)劃，并遵守交通規(guī)則，可以抵達(dá)該城市的任何地方，但僅限于該城市。

盡管感知技術(shù)路徑不同，但目前采用的都是靜態(tài)感知。而自動駕駛一定要預(yù)測下面的幾秒鐘甚至更長時(shí)間里會發(fā)生什么，不然沒有提前量來保障行駛安全。提高感知系統(tǒng)的性能，目前來看主要有兩條路徑，一種是讓方法變得更靈活，即通過技術(shù)攻關(guān)提高對不確定性情況或因素的智能感知水平；另一種是讓經(jīng)驗(yàn)變得更可靠，看到的東西越來越多，能處理的也越來越多，經(jīng)驗(yàn)豐富時(shí)就會判斷更準(zhǔn)確，通過已經(jīng)確定的信息不斷修正不確定的信息。這都有賴于深度學(xué)習(xí)的應(yīng)用，而深度學(xué)習(xí)還沒有進(jìn)入大量應(yīng)用的階段。

4 無人駕駛汽車還需解決的其它問題

除了技術(shù)問題和公路環(huán)境（如電子路標(biāo)）問題，無人駕駛還要面對來自法規(guī)和市場等方面的挑戰(zhàn)。2017年5月德國上議院通過了一項(xiàng)法規(guī)，準(zhǔn)許無人駕駛汽車在德國公路上行駛。不過，這項(xiàng)法規(guī)要求任何時(shí)候都需要有人類駕駛員坐在駕駛席上，以準(zhǔn)備隨時(shí)對車輛進(jìn)行控制。而在美國，已有14個州頒布了自動駕駛法律。

另外，無人駕駛安全性的問題是大家最為關(guān)注的話題。美國機(jī)動工程師協(xié)會SAE L5的基本要求包括動態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)DDT，動態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)支援DDT FALLBACK，設(shè)計(jì)適用范圍ODD。其中爭議最大的莫過于設(shè)計(jì)適用范圍（Operational Design Domain），包括系統(tǒng)安全運(yùn)行道路類型、地理范圍、速度范圍、系統(tǒng)的操作環(huán)境（天氣，白天和夜間等）、其他領(lǐng)域的限制。自動駕駛系統(tǒng)應(yīng)該在設(shè)計(jì)適用范圍能夠安全運(yùn)行，當(dāng)偏離ODD時(shí)，車輛應(yīng)以最小風(fēng)險(xiǎn)的狀態(tài)過渡。

無人駕駛的普及化是一個緩慢的過程，包括技術(shù)的進(jìn)一步突破，法令的通過，以及乘客由于駕駛意外產(chǎn)生的心理陰影的消除。

5 無人駕駛汽車的未來展望

美國機(jī)動工程師協(xié)會SAE將無人駕駛汽車的等級分為5級。0級無自動駕駛功能；1級是對方向盤或加減速中的一項(xiàng)進(jìn)行輔助，如自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)等；2級是對方向盤和加減速中的多項(xiàng)進(jìn)行輔助，但司機(jī)必須隨時(shí)待命，以便在自動系統(tǒng)停止工作時(shí)馬上接管，如交通擁堵或高速公路輔助駕駛等；3級是有條件自動駕駛，人提供適當(dāng)應(yīng)答，如高速公路自動駕駛等；4級/5級才是真正的無人駕駛（其中4級為高度自動駕駛，需限定道路和環(huán)境；5級為完全自動駕駛），無需司機(jī)或乘客的干預(yù)或協(xié)助由出發(fā)地駛達(dá)目的地。

目前所有車企都達(dá)到1級，大部分車企只達(dá)到2級，在無人駕駛汽車領(lǐng)域最為領(lǐng)先的特斯拉和谷歌公司也只達(dá)到3級。

據(jù)預(yù)測，2020年無人駕駛或?qū)⑦M(jìn)入爆發(fā)期。2017年5月特斯拉預(yù)計(jì)其自動駕駛系統(tǒng)將在2年后達(dá)到5級，屆時(shí)特斯拉汽車將能夠自主地從洛杉磯開到紐約，途中“無需人工觸碰”。豐田力爭在2020年左右實(shí)現(xiàn)自動駕駛汽車的商品化。大眾也將在2020年推出輝騰電動版，采用最新的自動駕駛技術(shù)。此外，奔馳、通用、現(xiàn)代、起亞以及中國自主品牌巨頭上汽、長安，都計(jì)劃于2020年推出搭載自己最新自動駕駛技術(shù)的量產(chǎn)車型。寶馬、福特、沃爾沃則將自動駕駛量產(chǎn)車的推出時(shí)間選擇在了2021年，國內(nèi)汽車巨頭一汽、北汽、吉利則將推出時(shí)間點(diǎn)定在2025年。

除此以外，要實(shí)現(xiàn)無人駕駛，還要結(jié)合各種結(jié)構(gòu)化環(huán)境探索商業(yè)發(fā)展路徑，如高速公路環(huán)境、城市環(huán)境和特殊環(huán)境下的應(yīng)用，特別是城市環(huán)境下的無人駕駛將成為下一階段研究重點(diǎn)，摩根士丹利分析師預(yù)測，2030年共享出行市場（租借無人駕駛汽車）的市場規(guī)模有望達(dá)到2.6萬億美元。

6 結(jié)語

無人駕駛汽車是未來汽車發(fā)展的方向，是智能科技發(fā)展的必然產(chǎn)物。無人駕駛汽車尤其適合從事共享汽車（租借無人駕駛汽車）和長途高速運(yùn)輸，可極大地提高交通系統(tǒng)的效率和安全性。

根據(jù)各大車企的研發(fā)計(jì)劃，2020年全球?qū)⒂瓉碜詣玉{駛汽車的爆發(fā)期。美國IHS汽車信息咨詢公司曾發(fā)表報(bào)告指出，到2025年，全球無人駕駛汽車銷量將達(dá)60萬輛，在接下來的10年中銷量將以每年43%的速度持續(xù)增長；到2035年，全球無人駕駛汽車將達(dá)2100萬輛。

參考文獻(xiàn)

[1]陳慧巖等.無人駕駛汽車概論[M].北京：理工大學(xué)出版社，2014.

[2]劉少山等.第一本無人駕駛技術(shù)書[M].北京：電子工業(yè)出版社，2017.

作者單位

武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)第一中學(xué) 湖北省武漢市 430056