從“由人駕駛”到“無人駕駛”

湯淑明

2016年5月23日，中國國際智能交通展覽會在北京開幕。一提到智能交通，就令人不禁想起“無人駕駛”。就在2016年4月12日至17日，中國某自主汽車品牌兩輛無人駕駛汽車從重慶出發(fā)，途經(jīng)四川、陜西、河南、河北后抵達北京，行程近2000公里，這是我國無人駕駛汽車的首次長途路測，代表了我國自主品牌汽車在無人駕駛技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域的最新進展。

“無人駕駛”彌補“由人駕駛”的不足

手握方向盤，目視前方，保持注意力，長時間重復(fù)而乏味的傳統(tǒng)駕駛方式很容易讓駕駛員產(chǎn)生疲勞感，甚至發(fā)生交通事故。無人駕駛汽車研發(fā)人員則致力于從安全、可靠、便利及高效等方面進行突破，彌補人工駕駛的不足，減少交通事故，將駕駛員從繁復(fù)的傳統(tǒng)駕駛方式中解脫出來。

從20世紀70年代開始，美國、英國、德國等國家開始進行無人駕駛汽車的研究，在可行性和實用化方面都取得了突破性的進展。中國從20世紀80年代開始進行無人駕駛汽車的研究，國防科技大學(xué)在1992年成功研制出中國第一輛真正意義上的無人駕駛汽車。特別是在過去的幾年時間里，無人駕駛技術(shù)的研發(fā)如火如荼，越來越多的國內(nèi)外汽車企業(yè)開始涉足這一領(lǐng)域，無人駕駛技術(shù)取得了很大進展。

“無人駕駛”的三大系統(tǒng)

無人駕駛汽車綜合利用自動控制、計算機科學(xué)、人工智能、電子信息和車輛工程等多門學(xué)科相關(guān)技術(shù)，利用車載傳感器（攝像頭、激光雷達、超聲波傳感器、微波雷達、GPS、里程計、磁羅盤等）感知車輛周圍環(huán)境，并根據(jù)感知到的道路、車輛姿態(tài)和障礙物信息，控制車輛的轉(zhuǎn)向和速度，從而使得車輛能夠自主、安全、可靠地在道路上行駛。

無人駕駛汽車是一個綜合系統(tǒng)，整體可分為環(huán)境感知系統(tǒng)、行為決策系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)。

★環(huán)境感知系統(tǒng)

人類在執(zhí)行駕駛?cè)蝿?wù)的過程中，需要實時觀察和分析車輛自身的狀態(tài)、路面、車輛、行人、交通標(biāo)志、交通標(biāo)線和交通信號燈等的狀況，也就是對交通環(huán)境的“感知”。這種“感知”首先是通過感官（主要是視覺，還包括聽覺、觸覺和嗅覺）來獲取信息，然后利用自身經(jīng)驗和邏輯推理來理解信息，并做出決策，力求安全平穩(wěn)地駕駛車輛。

無人駕駛汽車在進行自主行駛的時候也需要對環(huán)境進行感知，進而根據(jù)所得到的有用的環(huán)境信息產(chǎn)生行為決策。無人駕駛汽車是通過車上配備的傳感器來感知環(huán)境信息的，這些傳感器主要包括攝像頭、激光雷達、毫米波雷達、紅外相機、光電編碼器、GPS和慣性測量單元（Inertial Measurement Unit， IMU）等。其中，攝像頭、激光雷達、毫米波雷達以及紅外相機是用于獲取環(huán)境信息，光電編碼器、GPS和IMU是用于獲取車身狀態(tài)信息。

這些傳感器依據(jù)不同的原理獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，獲取數(shù)據(jù)之后，車載單元還需要采用一定的方法提取出數(shù)據(jù)中對于智能行為決策有用的信息，如探測到障礙物、檢測車道線、檢測和識別交通標(biāo)志、定位和姿態(tài)估計等。

★行為決策系統(tǒng)

行為決策是指無人駕駛汽車根據(jù)給定路網(wǎng)文件，獲取的交通環(huán)境信息和自身行駛狀態(tài)，自主產(chǎn)生遵守交通規(guī)則的駕駛決策的過程。無人駕駛汽車行為決策系統(tǒng)主要包含全局路徑規(guī)劃（或任務(wù)規(guī)劃）、行為規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃（或運動規(guī)劃）。

路徑規(guī)劃的目的是在無人駕駛汽車行車之前找到一條“最優(yōu)”的路徑供無人駕駛汽車行駛?！白顑?yōu)”的標(biāo)準(zhǔn)可以是最短行車距離、最少行車時間、最低費用和最少擁堵等，當(dāng)然前提都是保證行駛的安全性和遵守交通規(guī)則。全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃都是屬于路徑規(guī)劃的范疇。全局路徑規(guī)劃為無人駕駛汽車的自主駕駛提供方向性的引導(dǎo)，確定其依次需要通過的路段和區(qū)域序列。行為規(guī)劃是處于全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃中間的層次，行為規(guī)劃根據(jù)全局路徑規(guī)劃確定的路徑和當(dāng)前的道路狀況，確定當(dāng)前無人駕駛汽車應(yīng)該進入什么行駛模式，如路口左轉(zhuǎn)模式、超車模式等。局部路徑規(guī)劃依照行為規(guī)劃確定的當(dāng)前行駛模式，結(jié)合環(huán)境感知獲取的信息計算出局部范圍內(nèi)精確的行駛軌跡。無人駕駛汽車采取的是全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃相結(jié)合的方式。

★運動控制系統(tǒng)

運動控制系統(tǒng)是根據(jù)局部路徑規(guī)劃給出的行駛軌跡和速度規(guī)劃以及無人駕駛汽車當(dāng)前的位置、姿態(tài)和速度，產(chǎn)生對油門、剎車、方向盤和變速桿的控制命令，以跟蹤規(guī)劃出的行駛軌跡。當(dāng)然，油門、剎車、方向盤和變速桿上需加裝底層控制器和執(zhí)行機構(gòu)來執(zhí)行控制操作。

除了增強無人駕駛汽車自身智能行為的能力以外，還可以采用道路交通智能化的方式，通過車與車通信（V2V）和車與交通系統(tǒng)通信（V2X）來獲取車輛速度、實時路況等信息，從而提升整個交通系統(tǒng)的駕駛安全性和交通通行效率。

“無人駕駛”的現(xiàn)有問題

目前，無人駕駛汽車產(chǎn)業(yè)化的瓶頸問題主要有技術(shù)安全問題、過渡風(fēng)險、成本問題、法律法規(guī)等。

1.如何消除強光照、積雪等惡劣行駛環(huán)境對無人駕駛汽車環(huán)境感知系統(tǒng)帶來的影響；在復(fù)雜行駛環(huán)境下，如何感知人類手勢信號，尤其是這些手勢信號與交通信號燈或交通標(biāo)志有沖突時。

2.如何解決無人駕駛汽車和傳統(tǒng)車輛混合行駛階段的轉(zhuǎn)型期問題。

3.如何開發(fā)低成本、穩(wěn)定可靠的傳感器及軟件。

4.市場準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)、保險責(zé)任認定等法規(guī)難題。

雖然目前無人汽車產(chǎn)業(yè)化仍存在各種問題，但無人駕駛汽車實質(zhì)上是建立在汽車主動安全技術(shù)、智能化技術(shù)逐步升級的基礎(chǔ)上的，這些基礎(chǔ)技術(shù)都可以幫助現(xiàn)有汽車帶來技術(shù)上的逐步改進。隨著無人駕駛汽車在高速公路等特定路段的實測成功案例的增多，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展、進步以及法律法規(guī)的不斷完善，相信在不久的將來，無人駕駛汽車就會走入人們的生活，服務(wù)人們的出行。