本文簡(jiǎn)要而全面地概述了自動(dòng)駕駛汽車(chē)（自動(dòng)駕駛系統(tǒng)）的關(guān)鍵組成部分，包括自動(dòng)駕駛水平、自動(dòng)駕駛汽車(chē)傳感器、自動(dòng)駕駛汽車(chē)軟件、開(kāi)源數(shù)據(jù)集、行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者、自動(dòng)駕駛汽車(chē)應(yīng)用程序和正在面臨的挑戰(zhàn)。

引言

在過(guò)去的十年里，在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域發(fā)表了許多研究論文。然而，它們大多只關(guān)注特定的技術(shù)領(lǐng)域，如視覺(jué)環(huán)境感知、車(chē)輛控制等。此外，由于自動(dòng)駕駛汽車(chē)技術(shù)的快速發(fā)展，這樣的文章很快就過(guò)時(shí)了。

在過(guò)去的十年中，隨著自動(dòng)駕駛系統(tǒng)技術(shù)在世界范圍內(nèi)的一系列突破，自動(dòng)駕駛汽車(chē)（自動(dòng)駕駛系統(tǒng)）商業(yè)化的競(jìng)爭(zhēng)比以往任何時(shí)候都更加激烈。例如，2016年，Waymo在亞利桑那州推出了自己的自動(dòng)駕駛出租車(chē)服務(wù)，吸引了廣泛的關(guān)注。此外，Waymo花了大約9年的時(shí)間開(kāi)發(fā)和改進(jìn)其自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，使用各種先進(jìn)的工程技術(shù)，如機(jī)器學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)。這些前沿技術(shù)極大地幫助他們的無(wú)人駕駛汽車(chē)更好地理解世界，在正確的時(shí)間采取正確的行動(dòng)。

由于自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，近十年來(lái)發(fā)表了許多科學(xué)論文，其引用量呈指數(shù)增長(zhǎng)，如圖1所示。我們可以清楚地看到，自2010年以來(lái)，每年的發(fā)表量和被引用量都在逐漸增加，并在去年達(dá)到了巔峰。

圖1 在過(guò)去的十年中，自主駕駛研究的出版物和引文的數(shù)量

一、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)使汽車(chē)能夠在沒(méi)有人類(lèi)駕駛員干預(yù)的真實(shí)環(huán)境中運(yùn)行。每個(gè)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)由兩個(gè)主要組件組成：硬件（汽車(chē)傳感器和硬件控制器，即、油門(mén)、剎車(chē)、車(chē)輪等）及軟件（功能組）。

軟件方面，已在多個(gè)不同的軟件架構(gòu)中建模，如Stanley （Grand Challenge）、Junior （Urban Challenge）、Boss （Urban Challenge）和同濟(jì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。Stanley軟件架構(gòu)包括四個(gè)模塊：傳感器接口、感知、規(guī)劃和控制以及用戶界面。Junior軟件體系結(jié)構(gòu)由傳感器接口、感知、導(dǎo)航（規(guī)劃與控制）、線控驅(qū)動(dòng)接口（用戶接口和車(chē)輛接口）和全局服務(wù)五個(gè)部分組成。Boss采用三層架構(gòu)：任務(wù)、行為和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。同濟(jì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)將軟件架構(gòu)劃分為：感知、決策和規(guī)劃、控制和底盤(pán)。本文將軟件架構(gòu)劃分為感知、定位與映射、預(yù)測(cè)、規(guī)劃與控制五個(gè)模塊，如圖2所示，圖2與同濟(jì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)軟件架構(gòu)非常相似。

圖2 自動(dòng)駕駛系統(tǒng)軟件構(gòu)架

自動(dòng)駕駛等級(jí)劃分

根據(jù)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)（SAE international），自動(dòng)駕駛可以分為六個(gè)等級(jí)，如表1所示。人類(lèi)駕駛員負(fù)責(zé)0－2級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的駕駛環(huán)境監(jiān)測(cè)（DEM）。從第4級(jí)開(kāi)始，人類(lèi)駕駛員不再負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)回傳（DDTF）。目前，最先進(jìn)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)主要在2級(jí)和3級(jí)。業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，要達(dá)到更高等級(jí)的自動(dòng)駕駛水平可能還需要很長(zhǎng)一段時(shí)間。

表1

傳感器安裝在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)上的傳感器通常用于感知環(huán)境。選擇每個(gè)傳感器是為了權(quán)衡采樣率、視場(chǎng)（FoV）、精度、范圍、成本和整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜度。最常用的傳感器有無(wú)源傳感器（如攝像頭）、有源傳感器（如激光雷達(dá)、雷達(dá)和超聲波收發(fā)器）和其他傳感器類(lèi)型，如全球定位系統(tǒng)（GPS）、慣性測(cè)量單元（IMU）。

攝像頭通過(guò)收集反射到三維環(huán)境對(duì)象上的光來(lái)捕捉二維圖像。圖像質(zhì)量通常取決于環(huán)境條件，即不同的天氣條件，不同的光照環(huán)境，都會(huì)對(duì)圖像質(zhì)量產(chǎn)生不同的影響。計(jì)算機(jī)視覺(jué)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法通常用于從捕獲的圖像／視頻中提取有用的信息。

激光雷達(dá)利用脈沖激光照射目標(biāo)，通過(guò)分析反射脈沖，測(cè)量到目標(biāo)的距離。由于激光雷達(dá)具有較高的三維幾何精度，通常用于制作高分辨率的世界地圖。激光雷達(dá)通常安裝在車(chē)輛的不同部位以實(shí)現(xiàn)不同的作用，如頂部、側(cè)面和前部。

雷達(dá)通過(guò)發(fā)射電磁波并對(duì)反射波進(jìn)行分析，可以準(zhǔn)確地測(cè)量出目標(biāo)的距離和徑向速度。雷達(dá)特別擅長(zhǎng)檢測(cè)金屬物體，當(dāng)然雷達(dá)也可以檢測(cè)非金屬物體，比如在短距離內(nèi)檢測(cè)行人和樹(shù)木。雷達(dá)已經(jīng)在汽車(chē)工業(yè)應(yīng)用多年，催生了ADAS功能，如自動(dòng)緊急制動(dòng)，自適應(yīng)巡航控制等。

與雷達(dá)類(lèi)似，超聲波傳感器通過(guò)測(cè)量發(fā)射超聲波信號(hào)到接收回波之間的時(shí)間來(lái)計(jì)算到目標(biāo)的距離，超聲波傳感器通常用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)的定位和導(dǎo)航。

GPS是美國(guó)政府的一種基于衛(wèi)星的無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)，可以為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)提供時(shí)間和地理位置信息。然而，GPS信號(hào)很容易被建筑物和山脈等障礙物阻擋，例如所謂的城市峽谷，GPS在此類(lèi)區(qū)域往往表現(xiàn)不佳。因此，慣性測(cè)量單元（IMUs）通常被集成到GPS設(shè)備中，以確保自動(dòng)駕駛汽車(chē)在“城市峽谷”等地的定位。

硬件控制器

自動(dòng)駕駛汽車(chē)硬件控制器包括轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)向電機(jī)、電子制動(dòng)助力器、電子節(jié)流閥、變速桿和駐車(chē)制動(dòng)。車(chē)輛的狀態(tài)，如車(chē)輪速度和轉(zhuǎn)向角，可自動(dòng)感知，并通過(guò)控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）總線發(fā)送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這使得人類(lèi)駕駛員或自動(dòng)駕駛系統(tǒng)能夠控制油門(mén)、剎車(chē)和方向盤(pán)。