無(wú)人駕駛汽車(chē)離你近在咫尺

多年以來(lái)，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)涌現(xiàn)出了大量的自動(dòng)化智能技術(shù)，這些技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)巡航定速 (adaptive cruise control)、車(chē)道偏離檢測(cè)、智能安全氣囊系統(tǒng)等特性。下一步，我們將推出具備視覺(jué)功能的汽車(chē)，其不僅可為駕駛員提供建議，甚至還能根據(jù)道路、交通以及天氣狀況的變化自動(dòng)做出反應(yīng)。

目前，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化汽車(chē)所必需的大量技術(shù)已經(jīng)具備。當(dāng)前的挑戰(zhàn)主要在于，如何進(jìn)行產(chǎn)品定義、系統(tǒng)集成，如何構(gòu)建智能汽車(chē)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，以及如何界定汽車(chē)的可靠性和容限要求。不過(guò)，正如汽車(chē)和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在過(guò)去的發(fā)展經(jīng)歷中所表現(xiàn)出的那樣，下一步發(fā)展的主要障礙還是在于缺乏足夠的想象力。

Digital Auto Drive (DAD) 是一家總部位于美國(guó)加利福尼亞州的研發(fā)機(jī)構(gòu)，專門(mén)從事基于視覺(jué)識(shí)別的 3D 影像和導(dǎo)航技術(shù)研究，其研究領(lǐng)域充滿挑戰(zhàn)性和感召力。DAD已經(jīng)采用德州儀器 (TI) 的數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 開(kāi)發(fā)出了無(wú)人駕駛的豐田 Tundra 卡車(chē)，這輛車(chē)能自動(dòng)識(shí)別前方道路，進(jìn)行即時(shí)導(dǎo)航?jīng)Q策，完全無(wú)需人工干預(yù)就能自動(dòng)行駛。

圖 1：DAD 卡車(chē)隊(duì)

DAD 車(chē)隊(duì)將參加美國(guó)國(guó)防部高級(jí)計(jì)劃研究署 (DARPA) 于 2005 年 10 月 8 日在內(nèi)華達(dá)州 Primm 舉行的無(wú)人駕駛汽車(chē)挑戰(zhàn)賽 (DARPA Grand Challenge) ，參賽隊(duì)伍達(dá) 23 支。獲參賽資格的車(chē)隊(duì)必須讓全自動(dòng)越野車(chē)輛在莫哈韋沙漠上行駛約 150 英里，以幫助國(guó)防部 (DoD) 開(kāi)發(fā)無(wú)人駕駛軍用車(chē)輛的新技術(shù)，相關(guān)技術(shù)將用于裝備美軍車(chē)輛。

促進(jìn) DARPA 挑戰(zhàn)賽舉辦的部分原因是，國(guó)會(huì)曾要求到 2015 年前，所有軍用車(chē)輛中三分之一必須實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。在 2004 年的 DARPA 挑戰(zhàn)賽中，無(wú)人駕駛車(chē)輛穿越了約 110 英里的沙漠，從加利福尼亞州的巴斯托直到內(nèi)華達(dá)州的 Primm。觀察2004年挑戰(zhàn)賽的賽道示意圖，我們發(fā)現(xiàn)這條賽道幾乎與從巴格達(dá)到法魯賈的道路一模一樣。“自動(dòng)化”一詞有許多含義，不過(guò)本文中的“自動(dòng)化”是指車(chē)輛必須能夠?qū)崿F(xiàn)完全自動(dòng)導(dǎo)航，即不采用遙控或通過(guò)其他外界方式對(duì)車(chē)輛施加影響。
軍用市場(chǎng)是無(wú)人駕駛車(chē)輛技術(shù)的直接目標(biāo)，這也是 DAD 卡車(chē)隊(duì)的市場(chǎng)對(duì)象，不過(guò)，消費(fèi)類汽車(chē)市場(chǎng)也將受益于上述技術(shù)的進(jìn)步。在挑戰(zhàn)賽車(chē)輛中使用的許多技術(shù)，如障礙檢測(cè)等，甚至?xí)绊懩壳邦I(lǐng)先汽車(chē)制造商正在開(kāi)發(fā)中的防撞系統(tǒng)技術(shù)。

2004 年挑戰(zhàn)賽回顧

首屆挑戰(zhàn)賽于 2004 年 3 月 13 日舉行。賽道長(zhǎng) 142 英里，跨越莫哈韋沙漠沙漠，從加利福尼亞州的巴斯托直到內(nèi)華達(dá)州的 Primm。在到達(dá) 2005 年起點(diǎn)的 15 支車(chē)隊(duì)中，僅 7 輛車(chē)越過(guò)起始門(mén)柵區(qū)，只有 4 輛車(chē)行駛了 5 英里以上。

DAD 車(chē)隊(duì)的挑戰(zhàn)賽歷程開(kāi)始于 QID，車(chē)隊(duì)在此完成了 8 次試車(chē)，次數(shù)超過(guò)所有其他車(chē)隊(duì)。DAD 獲得第四旗位 (pole position)（），于 2004 年 3 月 13 日早上 6:45 開(kāi)始挑戰(zhàn)賽賽程。DAD 卡車(chē)行駛 6 英里后，停車(chē)給拖車(chē)讓行，然后自己撞上了石頭。DAD 車(chē)隊(duì)在路上超過(guò)了其他的一個(gè)車(chē)隊(duì)，這也是兩輛無(wú)人駕駛車(chē)輛間出現(xiàn)超車(chē)行為的首次記錄，最終 DAD 車(chē)隊(duì)的行駛距離在全部參賽者中排名第三。

必須將數(shù)項(xiàng)復(fù)雜技術(shù)進(jìn)行無(wú)縫集成，才能使標(biāo)準(zhǔn)尺寸的輕型載重車(chē)自己在起伏不平的沙漠上行駛。DAD 車(chē)隊(duì)的參賽車(chē)輛經(jīng)過(guò)了數(shù)千人工小時(shí)的設(shè)計(jì)、編程和檢測(cè)工作，該車(chē)包括兩大組件：實(shí)時(shí)立體 3D 影像和車(chē)輛伺服控制。這種自動(dòng)導(dǎo)航的創(chuàng)新技術(shù)采用了最先進(jìn)的 TI DSP 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高級(jí)伺服控制功能和高速立體視覺(jué)系統(tǒng)。此外，DAD 還得益于 TI 廣泛的伺服控制、機(jī)器人、車(chē)載以及電子技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，各方面技術(shù)的完美結(jié)合最終形成了自動(dòng)車(chē)輛。

DAD 車(chē)隊(duì)采用 3D 影像系統(tǒng) (RTI) 進(jìn)行環(huán)境感測(cè)，以避免碰撞到障礙物。該系統(tǒng)采用兩個(gè) CCD 數(shù)碼相機(jī)獲取全面的 3D 地圖，并用其明確辨別在給定的 GPS 路徑中應(yīng)做哪些繞行才能避開(kāi)障礙物。

DAD 車(chē)隊(duì)所用的自動(dòng)設(shè)計(jì)方法過(guò)去和現(xiàn)在都非常簡(jiǎn)明，只要操作三個(gè)開(kāi)關(guān)就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。在車(chē)輛自動(dòng)行駛狀態(tài)下，駕駛員可以坐在車(chē)?yán)?。這種優(yōu)化的設(shè)計(jì)使 DAD 工程師能夠在比賽后坐在卡車(chē)?yán)镏匦略匍_(kāi)過(guò)一遍賽道。

在自動(dòng)模式下確保卡車(chē)能合法上街行駛，并讓所有乘客都感到舒適，這使 DAD 工程師能坐在車(chē)?yán)镞M(jìn)行賽前檢測(cè)。實(shí)際上，DAD 車(chē)隊(duì)就是開(kāi)著參賽卡車(chē)去參加挑戰(zhàn)賽的。

力爭(zhēng) 2005 年獲大獎(jiǎng)——最新技術(shù)概覽

為參加 2005 年挑戰(zhàn)賽，DAD 車(chē)隊(duì)從立體視覺(jué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)而采用激光系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行卡車(chē)自動(dòng)導(dǎo)航。這種創(chuàng)新系統(tǒng)是一種 64 個(gè)元件構(gòu)成的旋轉(zhuǎn) LADAR 地面映射和障礙檢測(cè)系統(tǒng)，用作統(tǒng)一的環(huán)境感測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)擁有 360 度視角、20 度垂直角度功能，能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的實(shí)時(shí) 3D 地形映射，突破了傳統(tǒng)的視覺(jué)系統(tǒng)難以克服的雨天、黑暗和霧天等難題。

激光系統(tǒng)建立在光發(fā)射器和傳傳感二極管基礎(chǔ)之上。為了確定在卡車(chē)行駛道路上的有關(guān)物體的距離，系統(tǒng)會(huì)向物體發(fā)出激光，并測(cè)量激光到達(dá)物體并返回傳感二極管的時(shí)間，從而確定與卡車(chē)的距離。高速重復(fù)上述過(guò)程，我們就能獲得用于詳盡描繪地形圖所需的所有相關(guān)信息，其比此前設(shè)計(jì)的所有系統(tǒng)都更為精確。

系統(tǒng)相機(jī)采用 DSP 等高級(jí)技術(shù)進(jìn)行多次反射辨別，并變化激光強(qiáng)度，采用冗余子相機(jī)設(shè)備等。相機(jī)安裝在車(chē)廂頂部中心位置，能清晰觀察到所有方向，并以 600 RPM 的速度旋轉(zhuǎn)。相機(jī)采用支架安裝，并配備有可匯報(bào)設(shè)備精確轉(zhuǎn)角位置的慣性導(dǎo)航系統(tǒng) (INS)，這樣導(dǎo)航計(jì)算機(jī)就能進(jìn)行精確控制。

圖 2：LADAR 相機(jī)系統(tǒng)

LADAR 相機(jī)系統(tǒng)生成自身所用的光，并用專用濾鏡來(lái)避免光線反射作用，這樣，在各種光線條件下都能正常工作。由于整部相機(jī)不停轉(zhuǎn)動(dòng)，因此能甩掉塵土和雨水。LADAR 相機(jī)系統(tǒng)除可通過(guò)忽略早期反射在霧天和大雨天情況下保持清晰視線外，還集成了動(dòng)態(tài)電源特性，以在不能獲得清晰地面反射的情況下加大激光發(fā)射器的強(qiáng)度。

C6000™ DSP 可處理來(lái)自 LADAR 系統(tǒng)、卡車(chē) GPS 裝置以及 INS 輸入的數(shù)據(jù)。

圖 3：DAD 技術(shù)結(jié)構(gòu)圖

TI DSP 的運(yùn)行頻率高達(dá) 1GHz，能夠根據(jù) RDDF 的要求分析車(chē)輛的占用寬度 (vehicle path) 和速度，并可將路徑導(dǎo)航與 LADAR 提供的地形圖相結(jié)合。如果未發(fā)現(xiàn)可行的路線和速度，系統(tǒng)將尋找偏離中心線的可行路徑。LADAR 系統(tǒng)識(shí)別物體的大小和距離，包括縱向位置和路面本身的曲線。如果物體不是路面本身，那么假定所有物體都是固體，應(yīng)當(dāng)避免碰撞。

在考慮行車(chē)路徑時(shí)，要結(jié)合車(chē)輛通過(guò)路徑的重力因素。有關(guān)信息將用于決定車(chē)輛行駛的最高速度，并相應(yīng)進(jìn)行加速和制動(dòng)操作。在各種情況下，軟件都會(huì)力圖在 GPS 行駛路程點(diǎn)之內(nèi)找到最佳的行駛路面及最快的速度。

我們應(yīng)將激光影像系統(tǒng)提供的信息與預(yù)測(cè)車(chē)輛行駛路徑數(shù)據(jù)以及最終的導(dǎo)航控制數(shù)據(jù)進(jìn)行合成，然后發(fā)送給車(chē)輛伺服控制導(dǎo)航系統(tǒng)，這些都是通過(guò) TI TMS320C2000™ 數(shù)字信號(hào)控制器進(jìn)行的。車(chē)輛伺服控制系統(tǒng)實(shí)際控制車(chē)輛的行駛。該系統(tǒng)主要采用激光影像系統(tǒng)的信息，同時(shí)也依靠?jī)蓚€(gè)不同的高精度 GPS 接收機(jī)、可實(shí)際進(jìn)行卡車(chē)導(dǎo)航的伺服馬達(dá)以及 IMU（內(nèi)部測(cè)量單元）等的信息。

IMU 用陀螺儀和運(yùn)動(dòng)傳感加速計(jì)來(lái)糾正 GPS 信號(hào)的偏差。陀螺儀和里程表系統(tǒng)足以進(jìn)行導(dǎo)航，但在通過(guò)隧道時(shí)需要再次接收 GPS 信號(hào)。不過(guò)，只要 GPS 信號(hào)不穩(wěn)定，系統(tǒng)就默認(rèn)采用 LADAR 系統(tǒng)。

在沒(méi)有部件或風(fēng)扇運(yùn)行的情況下，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的耗電只有幾瓦特。整個(gè) DAD 導(dǎo)航系統(tǒng)純粹就是為賽事而全新設(shè)計(jì)的。因此，我們?cè)谠撓到y(tǒng)中嵌入了所有計(jì)算功能，其占用面積比傳統(tǒng)的計(jì)算系統(tǒng)要小得多。

我們運(yùn)用 SolidWorks公司的 CAD／CAM 系統(tǒng)對(duì) LADAR 地形測(cè)繪和障礙檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了充分的設(shè)計(jì)和建模。整個(gè) PC 板布局都采用 PADS，并針對(duì)所有軟件開(kāi)發(fā)采用 TI 的 Code Composer Studio 程序。所有軟件代碼都用匯編程序語(yǔ)言進(jìn)行內(nèi)部編程。

未來(lái)展望

DAD 吸取首次挑戰(zhàn)賽的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，不斷在車(chē)輛輪胎、布線、硬件安裝和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等各方面加以改善。DAD 車(chē)隊(duì)決心絕不在 2005 年挑戰(zhàn)賽中讓石塊擋住了前進(jìn)的道路。車(chē)隊(duì)還針對(duì)轉(zhuǎn)速偏離于理想轉(zhuǎn)速的情況制定了應(yīng)急方案。這意味著如果卡車(chē)碰上了石塊，它會(huì)加大馬力開(kāi)過(guò)去。

DAD 車(chē)隊(duì)的卡車(chē)是 2005 年 DARPA 挑戰(zhàn)賽中唯一一輛完全依靠 DSP 技術(shù)參賽的車(chē)輛，其自動(dòng)決策功能將對(duì)路面狀況以及超過(guò) 500 英尺的潛在障礙物進(jìn)行評(píng)估，并以每秒超過(guò) 60 次的速度進(jìn)行檢測(cè)。這一處理能力完全能夠滿足以 100 MPH 速度運(yùn)行的車(chē)輛的要求，這對(duì)于其它用用傳感器技術(shù)和視覺(jué)技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手來(lái)說(shuō)，將是一個(gè)顯著的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。此外，由于 DSP 在控制商業(yè)和政府應(yīng)用的關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)方面已擁有數(shù)十年的使用經(jīng)歷，因此具有卓越的可靠性能。

與 2004 年一樣，DAD 參賽車(chē)輛在非自動(dòng)模式下也能像一般車(chē)輛一樣由人來(lái)駕駛。只要打開(kāi)安裝在車(chē)輛頂棚后視鏡上方的三個(gè)開(kāi)關(guān)就能啟動(dòng)自動(dòng)模式，這三個(gè)開(kāi)關(guān)分別用于控制油門(mén)、剎車(chē)制動(dòng)以及轉(zhuǎn)向控制。關(guān)閉這些開(kāi)關(guān)，車(chē)輛就和正常的卡車(chē)沒(méi)什么區(qū)別。嵌入式 DSP 計(jì)算機(jī)占用的空間很小，因此不管車(chē)輛是否采用自動(dòng)模式行駛，都能使乘客舒適駕乘，同時(shí)也利于貨物運(yùn)輸。

許多人都不止一次地這樣想象，如果能在上班的路上讓汽車(chē)自動(dòng)行駛，不用看路、盡管放松休息和享受駕乘樂(lè)趣，那該有多愜意。普通消費(fèi)者想要一邊讀著晨報(bào)一邊讓自己的愛(ài)車(chē)載著自己滿城隨意通行，雖說(shuō)這一美好愿景的實(shí)現(xiàn)尚有待時(shí)日，但自動(dòng)化汽車(chē)技術(shù)的未來(lái)非?？春?，這一美夢(mèng)的實(shí)現(xiàn)會(huì)比大多數(shù)人的想象要快得多。