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matolv
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自动驾驶之简述

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  •   matolv · 2021-01-20 13:02:06 +08:00 · 788 次点击
    这是一个创建于 491 天前的主题,其中的信息可能已经有所发展或是发生改变。
    自动驾驶是一门新技术,从 2013 年以后广泛开发,是现在车企共同研发的方向。英语叫做 ADAS ( Advanced driver-assistance systems ),中文学名是高级辅助驾驶系统。自动驾驶( self-driving )只是其中的一个特性( feature )。而 SAE 车企联合制定的自动驾驶级别又分为 L0-L5 。
    以下引用 wiki 的
    L0: 系统会自动警告并可能干预车辆,但不会持续干预
    L1 (操控驾驶 "hands on"):驾驶员和自动系统共享车辆控制。例如,驾驶员控制转向的系统,定速巡航( CC )或自适应巡航( ACC )控制车速和制动。有(自动打方向盘的)自动泊车。L1 还包含车道保持和紧急制动。L1 状态下,驾驶员要随时接管方向盘
    L2 (脱手驾驶 "hands off"):自动系统可以完全控制车辆,包括加速,制动和转向。系统失效时,驾驶员需要接管。L2 的 hanfs off 不是真的能脱离方向盘,而是允许短时间脱离,长时间驾驶还是需要驾驶员的手保持和方向盘接触,摄像头也会监控驾驶员的眼睛,确保驾驶员集中注意力。
    L3 (闭眼驾驶 "eys off"):驾驶员可以安全地将注意力从驾驶任务上转移开,例如驾驶员可以发短信或看电影。车辆将处理任何突发情况,如紧急制动。但司机仍必须准备在厂商预设的一些特殊情况时进行干预。当司机自己驾驶时,可以把自动系统当作一个协助的副驾驶,会提示各种信息。比如交通堵塞,自动车道保持系统
    L4 (无脑驾驶 "mind off"):和 3 级类似,但是驾驶员不需要考虑安全问题,可以直接睡觉或者离开主驾驶座。但是,仅支持在有限的空间区域(围栏)或特殊情况下进行自动驾驶。在这些区域或情况之外,如果驾驶员没有重新控制,车辆必须能够安全地中止行程,例如减速并停车。例如,机器人出租车或机器人递送服务,它覆盖特定区域中特定时间和特定区域。
    L5 (放向盘可选 "steering wheel optional"):无需人工干预。例如,机器人车辆,工作在各种各样的路面,在任何地点,时间和天气下。所以甚至包含无道路和越野。
    这里最大的变化是 L2->L3,因为 L3 人类就不需要监控环境了,动态驾驶完全可以交付自动系统,可以称为全自动。但是 L3 会要求驾驶员干预一些无法处理的情况,L4 就不需要了。L5 永远不需要驾驶员介入。

    但车企发现要达到 L3 很困难,因此诞生了 L2.5 的说法,从 L2->L3 过度。为什么要有这个过度呢?主要是因为很多国家法律是不允许在双脱手驾驶的,根据我国道路交通安全法,这个属于“等妨碍安全驾驶的行为”。那么主机厂为了避免和法律过不去,就把 L3 叫成 L2.5,本质上技术雷同。而自动驾驶动态部分在开发过程中会分两部分,一部分是高速公路 highway,一部分是城市工况 city traffic,L2.5 主要对 highway 提出更高的需求。

    主机厂会不会宣称自己的车辆是 L4 呢?传统厂商不会做,因为当 L4 以后,如果出现交通事故,则由主机厂负责,因为他们允许司机不控制车辆。这相当于司机不用考驾照也不用买保险,交通事故由车厂负责。没有主机厂那么傻去承担如此大的售后成本,也没有胆量如此宣传,所以他们不会官宣自己 L4

    Q1 那么车辆的自动驾驶真的需要算力强劲的 CPU 和 GPU 吗?
    不需要,车辆上大多数芯片依旧都是 8bit 或者 16bit 的单片机,现在的 cpu 都是 64bit 的芯片,内存寻址和计算速度都不在一个级别上

    Q2 那么如此低计算能力的芯片能搞定自动驾驶吗?
    能,大多数传统车厂的水平在 L2->L3 之间,它们并不宣传自己的辅助驾驶是 L 几。很多公司将其作为选装包打散在车辆配置中,合起来就是 L2 或者 L2.5,而这些配置的总称是 ADAS 而不是 self-driving 。汽车各控制芯片内部总线使用的是两到三路的 canbus,高速 can 仅 512kbps,是千兆网线的万分之五

    Q3 有没有被强制增加的 ADAS 功能?
    算是有。如 ABS,ESC 一样,电控的主动安全一直在增加。如果需要达到 eu ncap,c ncap,iihs 五星的话,行人保护和紧急制动是必须的,否则分不够达到五星。而 FCW (前碰预警)和 AEB (主动刹车)就是 ADAS 功能,属于主动安全。它有效防止女司机因慌乱导致油门当刹车踩。

    Q4 ADAS 和自动驾驶的等级有什么关系?
    自动驾驶的等级只是一种客户驾驶时的情景描述,具体要在工程上如何实现呢?就是把道路上所有能遇到的情景考虑进去,然后把他们转化成工程语言,就是 ADAS 功能了

    Q5 ADAS 功能有哪些?
    ADAS 功能有很多,有些你可能听说过,这里依旧引用 wiki,并注明依赖的主要硬件。对于广泛应用的功能,我标记为 a,少量开发是 b,几乎没有是 c
    a. Adaptive cruise control (ACC)自适应巡航。就是能调节车速的跟车。核心硬件:毫米波雷达,前视摄像头,ECM,TCM/电机
    c. Alcohol ignition interlock devices 酒精监测装置。用于阻止醉驾。核心硬件:不知道
    a. Anti-lock braking system 刹车防抱死。提升制动性能的主动安全,美国是法规必选项。核心硬件:ABS 模块
    a. Automatic parking 自动泊车。现在都是以全自动为主,侧方位停车和车位寻找已经比大多数人自己停了更好了。核心硬件:超声波雷达,360 摄像头,电子换挡机构,ECM,轮速及转向传感器,仪表,显示屏
    b. Automotive head-up display 自动抬头显示。这就是宝马上面高大上的 HUD 。核心硬件:前挡风玻璃,HUD 模块
    a. Automotive navigation system 导航系统。2020 年以后车企全面转向了 android 系统,淘汰老旧的 wince 或各家自己的系统。核心硬件:同手机,即显示屏+arm 芯片
    b. Automotive night vision 夜视功能。主要用于晚上开车行人保护的。核心硬件:带红外的前视摄像头
    a. Backup camera 备用摄像头。这个其实是 360 度摄像头了,现在大多数都有全景了。核心硬件:4 个摄像头构成 360 度全景,显示屏
    a. Blind spot monitor 盲点监测。后视镜看不到的区域检测。核心硬件:超声波雷达,360 摄像头,仪表,显示屏
    a. Collision avoidance system (Pre-crash system) 避免碰撞系统。核心硬件:毫米波雷达,前视摄像头
    c. Crosswind stabilization 风中稳定系统。通过分析车辆的倾斜速率、转向角度、横向加速度和速度传感器,横风稳定有助于防止车辆在强风击中其侧面时翻车。核心硬件:ESC/ECM/BCM,轮速转向传感器
    a. Cruise control 定速巡航,他的升级版本是自适应巡航。核心硬件:ECM
    b. Driver drowsiness detection 驾驶员疲劳检测。核心硬件:BCM,仪表
    b. Driver Monitoring System 驾驶员监控系统,上述的升级版本,使用红外传感器和摄像头通过眼动追踪来监控驾驶员的专注。核心硬件:虹膜摄像头或眼动仪,仪表
    a. Electric vehicle warning sounds 电动车低速行驶警告。由于电动车低速行驶很安静,所以需要发出警告方便引起行人注意,但国内大多数电动车没有。核心硬件:喇叭,ECM
    a. Electronic stability control ABS 的升级版本,电控制动的全面介入,防止转向不足和转向过度。 核心硬件:ESC 模块
    c. Emergency driver assistant 紧急驾驶辅助。监控司机睡没睡着,是不是长期不踩油门,不踩刹车,不打方向,然后警告和紧急停车。核心硬件:ECM/BCM/ESC,仪表
    a. Forward Collision Warning 前碰预警。和前车相撞,只发图形或声音警告,不会主动介入操作。核心硬件:前视摄像头,毫米波雷达,仪表
    a. Intersection assistant 路口辅助。十字路口辅助使用前保险杠和车侧的两个雷达传感器来监控交叉路口、高速公路出口或停车场是否有迎面而来的汽车。核心硬件:超声波雷达,仪表,显示屏
    a.Glare-free high beam and pixel light 自适应大灯。开远光不会对迎面而来车辆及所跟车辆的司机造成炫目。奥迪广为应用,自称矩阵大灯。车灯主要供应商有小糸和海拉等。核心硬件:前大灯总称,毫米波雷达,前视摄像头
    a. Hill descent control 陡坡缓解。很多 SUV 标配。核心硬件:坡度传感器,ECM/TCM,仪表,物理按钮
    c. Hill-Start Assist 爬坡辅助
    a. Intelligent speed adaptation or intelligent speed advice (ISA) 智能速度自适应。它和 ACC 的最大区别是,根据地图信息或者路标限速,进行车速调整。核心硬件:导航地图,前视摄像头,仪表
    a. Lane centering 车道居中。顾名思义,越中间越好,会自动打方向。核心硬件:前视摄像头或 360 摄像头,电控方向盘,轮速转向传感器
    a. Lane departure warning system 变道警告。如果不打灯变道,发出警告。wiki 上说不介入操作,但有的车会施加方向阻力的。核心硬件:前视摄像头或 360 摄像头,电控方向盘,仪表
    a. Lane change assistance 变道辅助。通过雷达,摄像头等采集周边环境及盲区信息给驾驶员。核心硬件:毫米波雷达,360 摄像头,仪表
    a. Parking sensor 泊车雷达。核心硬件:毫米波雷达,显示屏
    a. Pedestrian protection system 行人保护。核心硬件:毫米波雷达,前视摄像头,ESC,发动机舱盖,前保泡绵等
    a. Rain sensor 自适应雨刮。核心硬件:雨量传感器,轮速传感器
    a. Omniview technology 全景功能。核心硬件:360 摄像头,显示屏
    a. Tire Pressure Monitoring 胎压监测。核心硬件:胎压传感器,仪表
    a. Traction control system 牵引力控制系统。防止转向过度不足,轮胎打滑,轮胎腾空,车身失控等。核心硬件:ECM,ESC
    a. Traffic sign recognition 道路标志识别。识别红绿灯,禁止通行,转向,限速等表示。核心硬件:前视摄像头,仪表
    b. Vibrating Seat Warnings 座椅(方向盘)震动警告,一般用于违规驾驶和疲劳驾驶。核心硬件:方向盘 /座椅,导航地图,虹膜摄像头等

    你可以看到功能非常多,非常细,有些是另一些的升级版本,你难以分辨好坏。但精简下其实并不负载,你只需要关注几个核心硬件

    第一套系统——高速辅助
    硬件:前视摄像头+毫米波雷达是辅助驾驶的核心,它控制 acc tsr aeb fcw 一大堆功能,也是最贵的两个零件,为合 /外资供应商。大家只需要知道主机厂的降本工作是精确到分的,能省则省,更别提高成本零件。前视摄像头位于前玻璃上部中间,毫米波雷达位于前保险杠上(他是一个球状物体),一般也在中间。
    原理:前视摄像头是能看前方 100m+距离的高速摄像头,毫米波雷达能监视 200m 的前方物体。两者构成车辆动态驾驶
    核心。如果遇到天气好的时候,可以以前视摄像头为主,如果遇到夜晚或者雨雪天气时,可以以毫米波雷达为主。

    应用:一般主机厂都是单前视摄像头+单毫米波雷达方案。奥迪的 ADAS 用的是双毫米波雷达+前视摄像头方案,宝马,奔驰和特斯拉低配用的是单前视摄像头方案,高配则安装毫米波雷达。特斯拉一直致力于宣传它的图形技术优秀,前期采用 nv 定制芯片,后期用 jim keller 自研的,辅助算法好,这的确是事实。但前视摄像头芯片并不是 GPU,而是 NPU,它通过事先进行好的机器学习成果,将特征向量训练结果的数据导入到 ROM,让 NPU 对当前采集图形进行分析,之后进行比对即可。BMW 的方案一样也不错,而这个算法是 T1 供应商的技术。

    举例:最简单的场景就是有人横穿马路。
    step1. 前视摄像头捕捉到画面( [email protected]
    step2. NPU 对当前画面进行分析,找到像素点构成,1 个头,2 条腿,2 个手,其特征符合人
    step3. 前视摄像头通知 BCM 有人通过,并且从 BCM 得到车速信息计算出距离告知 BCM
    step4. BCM 选择制是否动力,如果全力制动,ABS 介入防抱死
    step5. 车在与人碰撞之前停止
    期间摄像头和 BCM 多次交互数据

    难点:作为 IT 从业人员,他们的工作就是寻找好的算法,尽量科学地制定特征向量,涵盖更多的情况,降低硬件需求。能做的仅是图形识别领域的事,其他都是传统车厂自己的事

    局限:前视摄像头最大问题就是夜晚和雨雪天气,图形无法正确捕捉时,辅助驾驶功大打折扣。在给特斯拉跑中国测试的司机,晚上是不敢开辅助驾驶的,因为钱虽然要赚,但命更重要

    争议:至于对技术可靠度的态度,体现传统厂商和 IT 公司的巨大差距。IT 公司喜欢宣传自己 L4,如何先进。但同为交通工具,波音公司仅掉下两架 737-max,全球停飞。而 737 国内飞了那么多,没有事故,原因是早有对策。很简单就是重启飞机操作系统,因为飞机上有两套系统,当失速时,你关掉其中一套,切换到另一套,然后重启就行了。可见 737 又不是不能飞,你坐不坐?同理特斯拉辅助驾驶事故并不止两起,wiki 上已知 5 死 4 伤,但又不是不能用,你买不买?这里没有绝对黑白,也没有唯一答案

    法规:据我所知,目前开通 L4 驾驶合规公共道路仅上海市嘉定区一条,李彦宏使用 jeep 自由光在北京演示的 baidu 自动驾驶被交通部门罚款。而主机厂一般在各家自己的试验场内进行 ADAS 开发测试

    第二套系统——低速辅助
    硬件:360 摄像头+超声波雷达。这一套有国 /台产供应商。超声波雷达在前后保险杠上,是圆形纽扣状,顶配一般前 4 后 6,10 个左右。360 摄像头侧面两个一般在后视镜下面,前后各一个。

    原理:摄像头的大数据机器学习我国走在前列,尤其低速下的 360 全景方案。4 个摄像头+拼接算法已经很成熟了,成本也很低,十几万的车都有配置。配合超声波雷达可以进行更好地自动泊车,即地上画线用摄像头寻找车位,地上没画线用雷达。这方面国产方案是不错的,可以说要比 BBA 更好,但目前我看到最好方案是台湾公司的,他们有更好的融合算法。

    应用:解决女司机停车难的问题。360 摄像头会在车辆低速转向的时候自动激活,提供盲区视角,非常不错。有的公司甚至用来做车道保持,但这个属于省成本方案,用是可以用,但供应商自己都不保证质量。

    基本上有这两套系统,就能够实现 L3 级别自动驾驶,目前 BBA 都做了不错,而 telsa 号称自己全球领先,但实际上 2017 年就实现 L4 的 google waymo 更好,它是设计目标是 L4/L5,使用的是巨大的激光雷达,算法自然和现有硬件方案不同。他的早期问题在于激光雷达过于敏感,有人穿马路,一只脚刚踏出人行道,它车就停了,所以算法一直在调整,永远处于 demo 中。它和特斯拉的区别在于只是他的方案不能量产,仅搭载在克莱斯勒的大捷龙上进行测试,但特斯拉可以,也敢于量产仅用一个前视摄像头的辅助驾驶。

    而事实上目前 T1 供应商就那么几家,除了豪华车,主机厂的采购对象选择有限,各自在 L2->L3 路线上慢慢演进,有些公司已经做了不错,基本上也算达到 L3 。不过有些公司就不太行,尤其高速工况。而辅助驾驶除了硬件需要主机厂标定和自己动力总称进行配合,意思即使一样的电子硬件,因为动力总成不同,你体验差距会很大,所以电机或变速箱很有讲究,很多时候开启 ACC 会比自己踩油门更省油。从自动化来说,电车在这点上比燃油车更简单,也就有成本优势。

    在 2021 年,奥迪全系没有标配 ADAS,即便 A4/A6 最高配,你还需要你选配。宝马倒是有,不过是最高配。奔驰的 GLC 和 GLE 辅助驾驶完全两个水平,可以参考懂车帝视频。也就是说,即便一家公司能作出差距巨大的产品,因为产品定位和硬件不同。

    综上所述,2020 年以后,大部分车企进行了中期改款,除了动力开发以外,研发费用主要投在了辅助驾驶和车机互连上。你买车不单单是发动机变速箱的事了,而是主动安全和舒心驾驶。如果在在 2022-2023 年购车,务必考虑辅助驾驶功能,就是认准上述四大硬件。至于车机互连更直观,Radio 换成大屏+安卓,自带 sim 卡。但这方面特斯拉的确更强,因为它是 IT 企业,当然副作用就是省去一切实体按键,增加操作繁琐度,且没有仪表(HUD)不方便司机观察。而辅助驾驶,则需要你自己去试驾,很多宣传神乎其神,实际则故障多多。尤其在夜晚和雨雪天气,更考核 ECM/ESC 的工作协同。

    名词解释:
    ECM——动力总成控制模块,负责指导发动机工作
    TCM——变速箱控制模块,负责换挡逻辑
    BCM——车身控制模块,类似主板,负责 i/o,雨刮,电尾门,摄像头与 ECM 传输通信等都由它负责
    ESC/ABS——一个连着制动油管的方形模块,集成了泵和单片机
    1 条回复    2021-02-19 09:55:32 +08:00
    hoko1814
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    hoko1814  
       2021-02-19 09:55:32 +08:00
    Musk:我非常有自信的是特斯拉将在明年达到 L5,对此非常有信心,100%(的信心)。via http://finance.eastmoney.com/a/202101081767541760.html
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