無人駕駛汽車，也被稱為自動(dòng)駕駛汽車，是一種能夠在很少甚至沒有人的情況下駕駛的汽車。一輛完全自動(dòng)駕駛的汽車可以把你從天涯帶到海北，而你只需要坐下來，靜靜享受平穩(wěn)的旅程。

自動(dòng)駕駛汽車最近受到了極大的關(guān)注，很大程度上是由于人工智能（AI）的技術(shù)快速發(fā)展。在過去的幾年里，人工智能已經(jīng)從幾乎被遺忘變成了世界上許多巨頭爭相研發(fā)投資的方向。

簡單地說，人工智能使我們能夠自動(dòng)完成許多以前需要人類知識或技能來動(dòng)手完成的工作。在自動(dòng)駕駛汽車的情況下，人工智能可以幫助汽車的大腦做一些事情，比如自動(dòng)檢測人和車輛周圍的其他汽車，留在車道上，切換車道，跟隨GPS到達(dá)最終目的地。

那么這一切是如何運(yùn)作的呢？科學(xué)家、工程師和軟件開發(fā)人員如何能夠?qū)τ?jì)算機(jī)進(jìn)行編程，使其能夠駕駛汽車？

自動(dòng)駕駛技術(shù)綜述

01.自動(dòng)化程度

當(dāng)談到自動(dòng)駕駛汽車時(shí)，大多數(shù)技術(shù)專家都會提到自動(dòng)駕駛的級別。自動(dòng)駕駛汽車的自主程度是指計(jì)算機(jī)與人之間的駕駛量。級別越高，計(jì)算機(jī)所做的駕駛就越多。具體情況可以看下面的圖。

• 0級：汽車的所有功能和系統(tǒng)都由人控制
• 1級：諸如巡航控制、自動(dòng)剎車或檢測盲點(diǎn)等小事情可以由計(jì)算機(jī)控制，一次一個(gè)
• 2級：計(jì)算機(jī)至少可以同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)自動(dòng)功能，如加速和轉(zhuǎn)向。安全操作和緊急程序仍然需要人
• 3級：在大多數(shù)情況下，計(jì)算機(jī)可以同時(shí)控制汽車的所有關(guān)鍵操作，包括加速、轉(zhuǎn)向、停車、導(dǎo)航和停車。如果他們接到緊急情況的警報(bào)，仍有人駕駛
• 4級：在某些駕駛場景中，該車完全自主，完全不需要人工駕駛。例如，當(dāng)天氣晴朗或多云時(shí)，汽車可以完全自行駕駛，但當(dāng)下雪和車道被覆蓋時(shí)就不行了
• 5級：汽車在任何情況下都完全可以自動(dòng)駕駛

我們今天在新聞中聽到的大多數(shù)自動(dòng)駕駛汽車，如特斯拉和比亞迪的電動(dòng)汽車，都是2級車。他們的水平可以讓他們自己開得相當(dāng)好，但仍然需要一個(gè)人駕駛輔助才能確保車輛的安全運(yùn)行。

02.自動(dòng)駕駛階段

如今的自動(dòng)駕駛汽車使用各種尖端的硬件和軟件技術(shù)來完成駕駛。一個(gè)典型的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)將經(jīng)歷三個(gè)階段來執(zhí)行其駕駛。在本文中，我們將這些稱為感知、理解和控制。

在感應(yīng)階段，相機(jī)和各種傳感器被用來觀察汽車周圍的任何物體，如其他汽車、人、自行車和動(dòng)物。它是汽車的眼睛，360度不間斷地看到周圍的一切。

在理解階段，各種人工智能算法，主要是計(jì)算機(jī)視覺，被用來處理來自傳感器的信息。例如，我們可能有一個(gè)計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)來處理來自汽車周圍攝像頭的視頻，以檢測周圍道路上的所有其他汽車。理想情況下，這樣一個(gè)系統(tǒng)能夠檢測出汽車的位置、大小、速度和行駛方向。實(shí)際上，這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了描繪汽車周圍的整個(gè)環(huán)境。所有這些信息都將輸入到自動(dòng)駕駛的控制階段。

在控制階段，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)將處理計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)能夠提取的所有信息。根據(jù)這些信息，它將控制汽車。通過了解周圍的環(huán)境，汽車周圍是什么，以及它是如何變化的，控制系統(tǒng)的工作就是把汽車安全地移向目的地。如果前面的車減速，它會啟動(dòng)剎車，如果需要退出，它會切換車道，如果下雨，它會打開雨刮器。

接下來，我們將更詳細(xì)地了解每個(gè)階段。

（1） 傳感器

當(dāng)我們?nèi)祟愰_車時(shí)，我們用我們的眼睛看我們周圍的東西。自動(dòng)駕駛汽車也需要眼睛才能看到。自動(dòng)駕駛汽車的眼睛是它的各種傳感器。大多數(shù)自動(dòng)駕駛汽車使用的是三種不同傳感器的一種或幾種組合：攝像機(jī)、雷達(dá)和激光雷達(dá)。

攝像機(jī)

照相機(jī)和我們自己的視力最相似。他們像我們一樣通過鏡頭拍攝連續(xù)的照片，也就是視頻。就像我們自己的視力一樣，如果汽車的攝像頭能夠捕捉到高質(zhì)量的視頻——高分辨率和高幀頻，這對駕駛有很大幫助。

自動(dòng)駕駛汽車的每一側(cè)都會安裝攝像頭：前、后、左、右等等，可以看到周圍的一切，360度全方位。有時(shí)，會使用不同類型的相機(jī)組合——一些廣角相機(jī)可以獲得更寬的視野，一些窄但分辨率高的相機(jī)可以看到更遠(yuǎn)的地方。

使用相機(jī)的好處是它們是世界上最自然的視覺表現(xiàn)。一輛汽車正看到一個(gè)人類司機(jī)將看到的東西，而且更多，因?yàn)樗膬?nèi)部計(jì)算機(jī)可以同時(shí)通過所有的攝像頭。照相機(jī)也很便宜。

缺點(diǎn)是，攝像頭捕捉到的數(shù)據(jù)，即圖像和視頻，并不能讓我們對其他物體離汽車有多遠(yuǎn)或移動(dòng)速度有多快有多少感覺。相機(jī)也很難在夜間使用，因?yàn)槲覀兏究床坏侥敲炊唷?/p>

雷達(dá)

雷達(dá)傳統(tǒng)上被用來探測移動(dòng)物體，如飛機(jī)和氣象編隊(duì)。它的工作原理是以脈沖或脈沖的形式發(fā)射無線電波。一旦這些波擊中一個(gè)物體，它們就會反彈回傳感器，給出物體的速度和位置數(shù)據(jù)。

在自動(dòng)駕駛汽車中，雷達(dá)用于檢測汽車周圍各種物體的速度和距離。這是相機(jī)的完美補(bǔ)充，它可以看到物體是什么，但不能精確地看到它們在哪里（有多遠(yuǎn)）。就像攝像頭一樣，雷達(dá)將在汽車周圍360度范圍內(nèi)使用。

雷達(dá)還可以在光線較暗的情況下補(bǔ)充攝像頭，如夜間駕駛。因?yàn)槔走_(dá)發(fā)出的是一個(gè)信號，所以不管是凌晨3點(diǎn)還是中午，信號都會以完全相同的方式移動(dòng)和反彈。與之形成鮮明對比的是，由于光線的緣故，相機(jī)在晚上的工作效果并不理想。

雷達(dá)的缺點(diǎn)是目前這項(xiàng)技術(shù)的精度有限。目前的雷達(dá)傳感器提供的分辨率非常有限。所以雷達(dá)確實(shí)給了我們一個(gè)關(guān)于其他物體的距離、位置和速度的概念，但是這個(gè)概念有些模糊——沒有我們希望的那么精確。

激光雷達(dá)

激光雷達(dá)代表光探測和測距。它的工作原理是發(fā)出光束，然后計(jì)算光線擊中物體并反射回激光雷達(dá)掃描儀所需的時(shí)間。然后可以用光速計(jì)算到物體的距離，這就是所謂的飛行時(shí)間測量。

激光雷達(dá)傳感器通常放置在汽車頂部，每秒發(fā)射數(shù)千束光束。根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)，可以創(chuàng)建一個(gè)稱為點(diǎn)云的三維表示來表示汽車周圍的環(huán)境。

激光雷達(dá)傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)是其精度。一個(gè)好的激光雷達(dá)傳感器可以識別距離100米外物體只有幾厘米的細(xì)節(jié)。例如，據(jù)說Waymo的激光雷達(dá)系統(tǒng)甚至可以根據(jù)來自激光雷達(dá)的精確三維點(diǎn)云來探測一個(gè)人行走的方向。

激光雷達(dá)的缺點(diǎn)是成本，目前比相機(jī)和雷達(dá)貴得多，成本高10倍。

（2） 計(jì)算機(jī)視覺

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的理解階段是大腦——它是大部分主要處理過程發(fā)生的地方。在理解階段，目標(biāo)是獲取來自傳感器的所有信息并對其進(jìn)行解釋。這一解釋旨在收集有助于安全控制汽車的有用信息。這些信息可以是：

我周圍所有的物體是什么，它們在哪里，它們是如何移動(dòng)的？所以我們的系統(tǒng)可以探測到人、車和動(dòng)物

我在哪里？系統(tǒng)將確定所有車道的位置以及車輛是否完全位于正確的車道上，或者車輛相對于道路上其他車輛的位置（太近、盲點(diǎn)等）

2019年，這些信息主要是通過人工智能獲得的，更具體地說，是通過計(jì)算機(jī)視覺的深度學(xué)習(xí)獲得的。大型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被訓(xùn)練用于圖像分類、目標(biāo)檢測、場景分割和車道檢測等任務(wù)。然后對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，使汽車的計(jì)算單元能夠處理自動(dòng)駕駛所需的實(shí)時(shí)速度。

請記住，自動(dòng)駕駛汽車可能有來自多個(gè)不同來源的數(shù)據(jù)：攝像機(jī)、雷達(dá)和激光雷達(dá)。因此，所有這些常規(guī)的計(jì)算機(jī)視覺任務(wù)都可以應(yīng)用于各種傳感器數(shù)據(jù)，從而以非常全面的方式收集汽車周圍環(huán)境的信息。這也會產(chǎn)生一種冗余——如果一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，另一個(gè)系統(tǒng)仍然有機(jī)會進(jìn)行檢測。

在這些任務(wù)中使用深度學(xué)習(xí)的好處是網(wǎng)絡(luò)是可培訓(xùn)的。我們給他們的數(shù)據(jù)越多，他們得到的越好。公司正在充分利用這一點(diǎn)——自動(dòng)駕駛汽車正與人力司機(jī)一起上路，在那里他們可以不斷收集新的培訓(xùn)數(shù)據(jù)來提高自己。

計(jì)算機(jī)視覺確實(shí)是自動(dòng)駕駛汽車系統(tǒng)的核心。一個(gè)理想的系統(tǒng)將能夠準(zhǔn)確地檢測和量化汽車周圍環(huán)境的每一個(gè)方面——移動(dòng)物體、靜止物體、路標(biāo)、路燈——絕對是一切。所有這些信息都被用來決定汽車下一步該如何行駛。

（3） 控制

一旦計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)處理了來自傳感器的數(shù)據(jù)，自動(dòng)駕駛汽車現(xiàn)在就擁有了它所需要的所有信息。控制階段的作用是根據(jù)在理解階段提取的信息找出如何最好地導(dǎo)航汽車。

描述自動(dòng)駕駛汽車如何在道路上行駛的技術(shù)術(shù)語是路徑規(guī)劃。路徑規(guī)劃的目標(biāo)是利用計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)獲取的信息，在避開障礙物和遵循道路規(guī)則的同時(shí)，將汽車安全地引導(dǎo)到目的地。

汽車將根據(jù)全球定位系統(tǒng)（GPS）了解其目標(biāo)目的地-來自全球定位系統(tǒng)（GPS）的數(shù)據(jù)包含遠(yuǎn)距離路徑的信息。自動(dòng)駕駛系統(tǒng)將首先“規(guī)劃路徑”，即計(jì)算到其目標(biāo)的最理想（讀取：所用時(shí)間最短）路徑，以朝其目標(biāo)移動(dòng)。這意味著要決定走哪條路，開多快。

一旦確定了最佳路徑，系統(tǒng)的下一步就是確定可能的最佳“下一步”。下一步的行動(dòng)將始終基于遵循到目標(biāo)目的地的最佳路徑。下一步可能是加速、剎車、換道或任何其他常規(guī)駕駛動(dòng)作。

同時(shí)，它的任何舉動(dòng)都必須遵守道路規(guī)則，維護(hù)汽車乘客的安全。如果計(jì)算機(jī)視覺檢測到前方有紅燈亮起，則車輛應(yīng)減速或停車（取決于距離有多遠(yuǎn)）。

所有這些控制裝置都直接發(fā)送到汽車的機(jī)械控制裝置。如果汽車需要轉(zhuǎn)換車道，則會向汽車的適當(dāng)部位發(fā)送一個(gè)指令，將車輪轉(zhuǎn)動(dòng)非常特定的量。如果汽車需要?jiǎng)x車，就會發(fā)出一個(gè)指令，以精確的所需壓力來踩剎車，減速到足以沿著最佳路徑行駛，同時(shí)保持安全并遵守道路規(guī)則。

這個(gè)感知、理解和控制的過程必須頻繁和精確地重復(fù)進(jìn)行，直到汽車到達(dá)目的地。

03.自動(dòng)駕駛的獨(dú)角獸

自動(dòng)駕駛行業(yè)有可能成為一個(gè)價(jià)值數(shù)萬億美元的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。機(jī)會大，競爭大，在這個(gè)領(lǐng)域也不乏這樣的機(jī)會，產(chǎn)生了幾個(gè)獨(dú)角獸企業(yè)。

特斯拉

特斯拉，馬斯克上電視時(shí)，經(jīng)常為他們的車不使用激光雷達(dá)相機(jī)而自豪。他們主要依靠汽車周圍的8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)攝像頭，然后他們訓(xùn)練一個(gè)多頭卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）來檢測汽車周圍的一切并相應(yīng)地執(zhí)行導(dǎo)航。

特斯拉自動(dòng)駕駛技術(shù)的真正強(qiáng)在它的軟件。通過軟件更新，對運(yùn)行的車型更新可以快速方便地部署到全球所有特斯拉汽車上。快速簡便的軟件更新意味著特斯拉汽車可以不斷改進(jìn)，而且用戶不需要額外支付任何費(fèi)用或浪費(fèi)時(shí)間。

特斯拉還利用其自動(dòng)駕駛車隊(duì)收集數(shù)據(jù)。所有配備了適當(dāng)攝像頭的特斯拉汽車都用于收集新的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。所有這些數(shù)據(jù)都被用來重新訓(xùn)練模型，并再次部署到整個(gè)流程。這是一個(gè)自動(dòng)的，迭代的通道，用于不斷改進(jìn)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。

Waymo

Waymo是谷歌旗下的一家自動(dòng)駕駛汽車公司。Waymo的一大優(yōu)勢是，他們?yōu)樽约旱钠囍圃鞂Ｓ杏布Ｆ渲邪▊鞲衅鳎〝z像機(jī)、雷達(dá)和激光雷達(dá)）以及用于運(yùn)行計(jì)算機(jī)視覺推斷的定制芯片。這使得Waymo汽車能夠?qū)崿F(xiàn)最好的硬件和軟件優(yōu)化。

通常，激光雷達(dá)的一個(gè)大缺點(diǎn)是成本。然而，Waymo聲稱已經(jīng)開發(fā)了自己的激光雷達(dá)傳感器，比競爭對手便宜90%。據(jù)稱，這種傳感器還能夠探測300米外的物體。如果在這個(gè)范圍內(nèi)保持適當(dāng)?shù)木人剑敲此萒elsa更有優(yōu)勢。因?yàn)槠胀ǖ南鄼C(jī)根本看不到那么遠(yuǎn)。

Waymo還與克萊斯勒、豐田、雷克薩斯和捷豹等大型汽車公司建立了多個(gè)合作關(guān)系。

Uber和Lyft

Uber和Lyft都是非常受歡迎的順風(fēng)車公司，他們完全有能力自主生產(chǎn)自動(dòng)駕駛汽車。他們正在建造自己的自動(dòng)駕駛汽車車隊(duì)，配備了攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)，而在Lyft中，配備了多個(gè)激光雷達(dá)。

與傳統(tǒng)汽車公司必須銷售配備自動(dòng)駕駛的整車（價(jià)格昂貴）不同，Uber和Lyft的目標(biāo)是建立一支自動(dòng)駕駛汽車車隊(duì)，以便為所有人提供共享乘車服務(wù)。這將大大降低對司機(jī)的需求，從而大幅度降低人力成本。任何地方的人都可以打到一輛自動(dòng)駕駛汽車，價(jià)格與打電話給Uber或Lyft差不多，自動(dòng)駕駛變成了一項(xiàng)服務(wù)。

我們離5級自動(dòng)駕駛還有多遠(yuǎn)？

在看到所有這些未來的技術(shù)和正在取得的巨大進(jìn)步之后，有人不禁要問：我們離5級全自動(dòng)駕駛汽車還有多遠(yuǎn)？

這要看情況。

一些人認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)還不到幾年，完全不成熟。而馬斯克則聲稱：“一年后，我們將擁有100多萬輛全自動(dòng)駕駛汽車。”這也是有可能的。

人工智能正以驚人的速度發(fā)展，不斷有巨額的資金投入尖端技術(shù)的研究。用于傳感和計(jì)算的硬件正在改進(jìn)，特別是用于自動(dòng)駕駛的定制硬件。因此，這項(xiàng)技術(shù)正朝著正確的方向飛速發(fā)展。

如果我們從技術(shù)的另一面看，事情會變得更復(fù)雜一些。

為了讓自動(dòng)駕駛汽車在日常生活中被人們所接受和使用，必須做到盡善盡美。當(dāng)另一個(gè)人犯了一個(gè)小錯(cuò)誤時(shí)，我們作為人類會寬容得多，但當(dāng)一臺計(jì)算機(jī)或機(jī)器犯了錯(cuò)誤時(shí)，我們會變得難以容忍。

在所有人的眼中，計(jì)算機(jī)就應(yīng)該在工作時(shí)沒有任何錯(cuò)誤。畢竟它們是機(jī)器，所以期望值要高得多，我們常常期望機(jī)器的數(shù)量級，有可能比我們自己更精確。

除此之外，我們還有法律方面的考慮。可以肯定的是，一旦自動(dòng)駕駛完全上路，新的法律法規(guī)就必須出臺。

發(fā)生事故誰負(fù)責(zé)？既然汽車是自動(dòng)駕駛的，現(xiàn)在應(yīng)該能開得更快嗎？一個(gè)人必須一直在車?yán)飭幔窟@些都是自動(dòng)駕駛汽車在某個(gè)時(shí)候必須要回答的問題，才能在5級時(shí)真正上路。

總的來說，自動(dòng)駕駛汽車是社會的一大利好。當(dāng)汽車變成自動(dòng)駕駛的時(shí)候，減少污染、減少交通、提高效率和更安全的駕駛都是可以期待的。這項(xiàng)技術(shù)正朝著正確的方向發(fā)展，有望帶來光明、自主的未來。