汽车自动驾驶系统实现及原理

　　21世纪如果还不谈自动驾驶似乎就显得有些OUT了，韩寒曾在《我所理解的生活》里这样写道：时代总裹着你往前走，无论你多么喜欢诺基亚，你总会用上苹果；无论你多么喜欢胶卷，你总会用上数码；很多人喜欢老款汽车的经典与韵味，品玩一番，赞不绝口，然后开着新款车回家。无论你承认还是不承认，自动驾驶的时代已经逐渐来临了。
　　我们可以憧憬一个怎样的自动驾驶世界
　　1。自动驾驶可以显著的减少人为因素导致的车辆交通事故
　　国内交通安全管理网上有文章提到，造成交通事故的十大杀手主要有：开赌气车；疲劳驾驶；酒后驾驶；超速驾驶；雨雪天气；视线不良；轮胎不良；转向失灵；制动失灵；麻痹大意，这其中超过90的事故类型都直接或间接由驾驶员导致。而在美国的一项数据统计中指出，平均来看，每20万英里，人类驾驶员就会出现一次非致命性碰撞，全球每年有超过百万人死于交通事故。根据世卫组织的报告，车祸是导致全世界15～29岁的青年人早逝的最大因素，同时也是造成各年龄组人群死亡的第二关键因素，这些车祸中的大部分并不是汽车某部件失灵造成的，而是由本可避免的人为因素导致（醉酒、吸毒、嗑药、走神），也就是说，只要方向盘还在手中，车祸就永远存在且可能持续上升。
　　好消息是，未来的自动驾驶汽车拥有全面的驾驶感知系统，可以识别道路交通标志、汽车、行人、路况等外部人和物，智能的决策系统对感知的信息快速处理和分析，执行系统精确的执行加速、制动、停车、转向等命令，未来的自动驾驶汽车不会闯红灯；不会酒驾；不会超速；不会疲劳；不会赌气；将会在很大程度上降低道路交通风险，每年可以挽救数十万人的生命。
　　2。道路交通出行问题将会得到改善
　　当前的国内交通出行主要问题有交通拥堵、车辆利用率不高、找停车位难以及环境污染等问题，如果将未来街道上行驶的数百万辆汽车都换成自动驾驶车辆，车辆与车辆之间会利用信息互通，识别即将到来的车流信息，提前作出驾驶决策，改变路线以规避拥堵，车辆在送乘员到达目的地后可返回住所地供其它家庭成员使用车辆，提高家庭车辆的利用率，这样一来，每个家庭对私家车的需求量也将同步降低，自动驾驶汽车在到达目的地后可智能搜素附近的空余停车位，自动泊车，可以节约出行时间。
　　更可观的是，哥伦比亚大学的一项研究报告指出，因为按需调配的自动驾驶汽车以及因无需购买汽车而省去的大额开销这些因素汇聚起来得到的结论是，未来的自动驾驶汽车可以大幅减少个人交通出行费用，如果不选择买车而选择使用自动驾驶出租车，每英里的花费可以减少75，而便利性却没有比买车而降低。
　　3。未来的N多想象空间
　　自动驾驶汽车可能不再局限于现有的车辆造型，可以是一个移动的办公室，上班的人群可以在乘车过程中就投入到工作中；可以是一个移动的小卖部，本地没有的东西便可以呼叫小卖部；可以是一个移动麻将厅，出行的新朋好友围在一起打的好不自在，旅途也不在无聊烦闷。
　　未来的自动驾驶如何去实现
　　实际上，世界上第一辆无人驾驶车辆大约是在1912年出现的，它有一个响亮的名字战争狗，发明家约翰哈蒙德和本杰明梅森纳利用一个电子回路和一对光感性硒光电管组装了一辆自动引导型小车，当车上的光感性电管受到光线照射时，第一个底层控制系统会拖拽小车的方向盘‘进行转向，使小车朝向光源方向，以实现两侧光感电管的平衡，小车自然会朝着光源前进。尽管从今日的标准来看，战争狗的设计略显粗糙，但却是工程控制学早期的成功应用案例，后面的热导飞弹，定速巡航控制系统从本质上讲也是应用了同一种算法逻辑，同时也是现代自动驾驶汽车的简化模型，即感知、决策、执行系统。
　　自动驾驶的感知系统：自动驾驶系统利用多种传感器与软件数据收集外部环境信息，相当于人类驾驶员的眼睛与耳朵，但自动驾驶汽车的眼睛和耳朵‘可以看到听到更多更复杂也更远的东西，来自千里之外的信息都可以通过互联实现，真正的实现千里眼与顺风耳‘功能。
　　GPS系统、视觉传感器以及高清数字地图可以让自动驾驶汽车知道路况、位置以及方向，甚至可以精确到道路或十字路口的表层静态数据，比如车道线、路口交叉点、施工地段以及道路标志等。数码相机、激光雷达以及毫米波雷达可以帮助自动驾驶汽车绘制出周边动静态的环境信息，计算出驾驶所需要的位置、距离等信息，超声波传感器根据物体反射回来的时间、频率以及声波形状等信息检测位置和速度。各类传感器的相互协作与配合使自动驾驶汽车能全面探测周边的行驶环境。
　　自动驾驶的决策系统人工智能：人工智能相当于将深度学习后的计算机机器人安装在车内，机器人‘依靠感知系统提供的大数据和深度学习后的分析能力作出制动、转向、加速、刹车等行为决策，此时的计算机机器人就当于一个加强版的人类驾驶员，他看的更高更远，更聪明，更灵敏，反应更迅速。
　　自动驾驶的执行系统：执行系统即汽车的制动、加速、转弯等行车系统，未来的系统控制与命令传输不仅限有线传输，系统与系统之间的无线传输将成为可能。
　　当前自动驾驶汽车产业发展情况
　　美国告诉公路安全管理局（NHTSA）将智能汽车划分为5个层次，主要包括：
　　（1）无自动驾驶（level0）：完全由驾驶员时刻操控汽车的行驶，包括制动、转向、油门以及动力系统。
　　（2）具有特定功能的自动驾驶（level1）：具有一个或多个特殊控制功能，如电子稳定系统（ESC）、自动紧急制动系统（AEB），车辆通过控制制动帮助驾驶员重新掌控车辆或是更快速的停车。现阶段市面上车型绝大多数已配备电子稳定系统，该项配置和ABS一样，几乎默认成了消费者的必选。
　　（3）具有复合功能的自动驾驶（level2）：该层次汽车具有将至少两个原始控制功能融合在一起。
　　实现的系统（如自适应巡航控制与车道保持融合一体），完全不需要驾驶员对这些功能进行控制，但驾驶员需要一直对系统进行监视并准备在紧急情况时接管系统。目前可实现L2级别的车型主要集中在一些传统豪华车型、B级车及新势力车型中，下图为威马汽车EX5的L2级别驾驶功能：
　　（4）具有限制条件的无人驾驶（level3）：该层次汽车能够在某个特定的驾驶交通环境下让驾驶员完全不用控制汽车，而且可以自动检测环境的变化以判断是否返回驾驶员驾驶模式，驾驶员无需对系统进行监视，可称之为半自动驾驶。而谷歌推出的无人驾驶汽车WAYMO基本处于这个层次。
　　（5）全工况无人驾驶（level4）：该层次系统完全自动控制车辆，全程检测交通环境，能够实现所有的驾驶目标，乘员只需提供目的地或者输入导航信息，在任何时候都不需要成员对车辆进行操控，可称之为全自动驾驶无人驾驶。
　　自动驾驶汽车是汽车产业与人工智能、物联网、高性能计算机等新一代信息技术深度融合的产物，能够以高度智能化方式实现自主环境感知、行驶规划决策和车辆控制功能，是当前全球汽车市场交通出行领域智能化和网联化发展的主要方向，已成为各国家战略争抢的制高点，它将显著的提升汽车产业竞争力，加快构建智能交通体系。
　　早在20世纪70年代，美国、欧洲、日本等发达国家已经开始进行无人驾驶智能汽车的研究，而进入21世纪后，L2级别的辅助驾驶技术和半自动驾驶技术已经得到广泛应用，并成为提升汽车档次和市场竞争力的重要手段。而沃尔沃率先量产了第一个L3级别的自动驾驶技术堵车辅助系统，此外诸如奥迪、凯迪拉克、日产、丰田等都计划推出诸如自动转向、加减速、车道引导、自动泊车等更加具有智能化和更高层次级别的车型，谷歌作为自动驾驶的先行者，截至2014年，其自动驾驶里程已累计达70万英里。
　　近几年国内关于自动驾驶的研究也在逐步加快步伐，截至2019年7月，北京已开放自动驾驶测试道路44条123公里，自动驾驶测试汽车安全行驶里程达到63万公里，自动驾驶路测牌照已达59张。同时上海、重庆等多地都在进行自动驾驶路测以及相关的研究与准备，关于自动驾驶的测试方法与评价标准也在不断的完善。国内的OEM厂商纷纷摩拳擦掌，此前一汽集团就斥资5000万成立独立人工智能公司，以加快自动驾驶的研究步伐，无独有偶，今年5月，威马汽车低调宣布将在成都打造55亿全球研发中心，着重加大5G人工智能领域的研发，我们可以试想这样一个场景：
　　早上8点出门，你的威马EX12自动驾驶车辆已经停在门口等待，人脸识别，汽车启动，座椅后视镜调至最舒服的位置，驾驶舱里默认放起最喜欢的音乐，导航仪为你显示最便捷驾驶路径，并提醒你今天下雨，记得带伞，早上还有些倦意，躺在车里睡了个30分钟的回笼觉，准点到达公司门口；
　　下午5点下班，手机一键发送车主即将下班指令，车辆已开至公司楼下，车内一切准备就绪，座椅已调至最后最下位置，你躺上去后自动驾驶已开启，提醒你专心睡觉，半小时后可到家，下车时提醒你别落东西；
　　周六上午8点出门旅游，你需要释放驾驶激情荷尔蒙，车载系统综合全面分析附近的路况、人员信息，提醒你某市某地可按多少的速度激烈驾驶，并提醒你目的地还有3分钟到达；
　　周六上午10点到达目的地，车内播报今日温度，景区人流量、最佳观景区、最佳观景时间；
　　周六下午17点返程，车内温度调至合适，车内座椅自动调整至麻将模式，一家人开启回城搓麻时刻，自动驾驶开启，车辆速度缓慢，可放心打牌