无人驾驶系列——概述

无人驾驶行业概述

什么是无人驾驶

A self-driving car, also known as an autonomous car, driver-less car, or robotic car (robo-car),is a car incorporating vehicular automation, that is, a ground vehicle that is capable of sensing its environment and moving safely with little or no human input.
能够感知周围的环境,用很少的人的参与来执行驾驶行为。
自动驾驶:某些情况下可以加入人的参与与监督。
无人驾驶:完全不依赖于人的行为,是为更高级的自动驾驶

无人驾驶能解决什么问题

  1. 提升交通效率
  • 无人驾驶汽车严格遵守交通规则
  • 道路通行更顺畅、拥堵减少、交通事故大大降低
  • 隐形路口问题,通行效率提高45%
  • 减少通勤时间
  1. 车辆利用率提升
  • 缓解停车位紧张
  • 无需停车位,点对点交通运输
  • 共享交通方式将最大化普及
  • 费用降低
  1. 交通事故问题
  • 每年全球超过100万人死于车祸
  • 93%的事故是人为造成的:醉驾、疲劳驾驶、分心驾驶
  • 人类需要每次从零开始学习,总有新手司机上路,错误一遍遍重演
  • 无人驾驶能够互联互通,比人更高效

无人驾驶发展历程

无人驾驶分级

自动驾驶分为6个级别
无人驾驶系列——概述_第1张图片
SAE:美国汽车工程师协会
L0:无自动化,全部人工
L1:巡航定速(Adaptive Cruise Control,ACC),巡航装置可以纵向控制车辆,可以加速减速
L2: 车道保持辅助(Lane Keeping)系统可以纵向控制也可以横向控制汽车,但车是辅助,人才是主导
L2.5: 可以提供简单路况下的变道能力;
L2与L3之间有一个鸿沟:权责问题
L3:在L2基础上提供编导能力,在某一时段内车是责任主体
L4: 相当于全无人驾驶,大部分时间由车来做主导
L5: 驾驶能力上几乎与人类没有关系,车辆上没有接管设备

L4级别无人驾驶

实现思路:

  • V2X:Vehicle to Everything(车路协同)
    • V2V(车辆)
    • V2I(公共设施)
    • V2P(行人)
  • 边缘计算
    • RSU(路侧单元)
    • OBU(车载单元)
  • 5G通信能力
    • LTE-V协议:专门针对车间通讯的协议,可兼容4G-5G
  • 路侧智能:强大的感知能力(百度ACE计划)
  • 主车智能:近些年深度学习填补上了最后一块软件难题
  • 感知能力:高度复杂冗余的传感器
  • 决策能力:大数据下的智能决策
  • 高精地图:丰富的地图信息数据
  • 定位:精准的位置获取能力
  • 权责问题如何处理?
    • RSS模型(Responsibility-Sensitive Safety)责任敏感安全模型
    • 为自动驾驶汽车与人类的责任概念提供具体可衡量的参数,并通过对所有记录在案的交通事故所涉及的行为进行分析和统计,为自动驾驶汽车界定了一个可计量的“安全状态”

无人驾驶技术路径

无人驾驶技术概述

L4自动驾驶系统架构

自动驾驶硬件概述

感知传感器

  • 摄像头:广泛用于物体识别和物体追踪场景,比如车道线检测、交通灯识别等,一般无人驾驶车都安装环视多枚摄像头
  • 激光雷达:用于障碍物位置识别、绘制地图、辅助定位等,准确率非常高,很多方案中将激光雷达作为主传感器使用
  • 毫米波雷达:阴雨天、雾霾天能够辅助感知获取物体的位置和速度,观测距离远但误检较多
  • 超声波:近处高敏感度传感器,常用于作为安全冗余设备检测车辆的碰撞安全问题

定位系统传感器

  • IMU:实时测量自身的姿态,200Hz或更高,包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺仪,加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号,而陀螺仪检测载体相对于导航坐标系的角速度信号
  • GNSS:也是大家常听到的GPS,无人车一般使用RTK(载波相位差分技术)技术来进行定位、频率相对较低10Hz左右

车载计算单元(IPC)

  • 高效连接计算单元内部各计算设备,连接外部传感器的信息输入和存储
  • 冗余设计,以防止单点故障
  • 需要考虑整体的车规、电磁干扰和振动方面的设计以及ISO-26262标准的要求
  • ISO-26262:一个硬件达到了ASIL D级别的要求,那么它的故障率是10FIT,即10亿个小时里面出一次故障,汽车行业在安全方面可以做到的极限

车辆线控系统

  • 自动驾驶线控系统:汽车的控制是由一些简单命令完成的,而不是由物理操作完成。这一部分相当于人的手和脚
  • 传统汽车的这些控制由液压系统和真空助力泵协助完成,自动驾驶汽车的线控主要用电控化的零部件来完成,如电子液压制动系统

自动驾驶软件概述

操作系统OS

  • RTOS:实时操作系统
    • QNX:类Unix系统,具有强实时性,符合车规级的实时操作系统
    • RT Linux:Linux内核补丁,通过软实时进行监控
  • FrameWork:
    • ROS(机器人操作系统)
    • YARP、Microsoft Robotics、MOOS、Cybertron

高精地图 HD Map(High Dimensional)

  • 不同于导航地图,最大的特点就是高纬度和高精度
  • 道路网的精确三维表征,如交叉路口布局和路标位置
  • 地图语义信息,如道路的速度限制、左转车道开始的位置
  • 导航地图只能达到米级精度,高精地图需要达到厘米级精度
  • 高精地图坐标系:WGS84、墨卡托坐标系
  • 高精地图提供其它Level4模块的数据支持
  • 提供了很多准确的静态物体的信息
  • 定位可以用于计算相对位置
  • 帮助传感器缩小检测范围,缩小ROI区域
  • 计算道路导航信息
  • 帮助车辆识别车道的确切中心线

定位Localization

  • 无人车最重要的一步就是知道自己在哪
  • INS:Inertial Navigation System惯性导航系统
  • IMU:获取自身状态(加速度和角速度)后通过状态矩阵递推下一时刻位置
  • 但是如果没有校正信息的话,这种状态递推会随着时间不断累计误差,导致最终位置发散
  • RTK:载波相位差分系统(在GPS中加入了一个基站)
    • GNSS
    • RTK多入了一个静止基站,同样收到定位卫星的信号,无人车与RTK相隔不太远的情况下,对二者之间的干扰信号用差分抹平
    • RTK通过较低的更新频率提供相对准确的位置信息,INS则以较高的频率提供和准确性较差的姿态信息。通过使用卡尔曼滤波整合两类数据获取其各自优势,合并提供出高准确性的实时信息
  • 几何定位
    • 激光雷达、摄像头、高精地图
    • 利用激光雷达或者图像信息,可以通过物体匹配来对汽车进行定位。将检测的数据与预先存在的高精地图之间匹配,通过这种比较可获知汽车在高精地图上的全球位置和行驶方向
    • 迭代最近点(ICP)、直方图滤波(Histogram Filter)

感知 Perception

  • 四大基础任务:
    • 找出物体在环境中的位置
    • 明确对象是什么,比如人、红绿灯等
    • 随时间的持续观察移动物体并保持一致
    • 图像中的每个像素与语义类别进行匹配,如道路、汽车、天空,边界清晰
  • 方式方法
    • 图像、点云、雷达反射值数据:
    • 监督学习、半监督学习、强化学习
    • R-CNN、YOLO、SSD
    • 计算融合问题:
      • 前融合、后融合

预测 Prediction

  • 实时性和准确性
  • 基于状态进行预测
    • 卡尔曼滤波
    • Particle滤波
  • 基于车道序列进行预测
    • 通过机器学习模型化简为分类问题
  • 行人预测:无人车需要非常重视安全问题,其中人的安全最为重要,而行人的意图变化却是最难预测的也是约束最少的,另外对于不同的障碍物也要有不同的理解,比如人和狗

决策 Planning

  • 导航线路规划和精细轨迹表述
  • 数学问题转换:将物理世界的地图转换为数学上的图表达
  • 最优路径搜索:由于其他软件模块已经将不确定性进行了最大程度的消除,而最终决策规划模块又是对稳定性要求极高的模块,因此可以通过数学上的最优路径求解出确定解,遍历最优解是非常耗时的。
  • 需要考虑车辆的体感和安全性

控制 Control

  • 输入信息:目标轨迹、车辆状态;输出:方向盘、油门
    • 实现对无人车的控制,我们需要知道踩刹车和减速的关系、踩油门和加速的关系等,当无人车拿到一些控制学参数后,通过电脑对无人车进行控制
    • 控制是对整个驾驶最后的保障,因此需要在任何情况下对准确性、稳定性和时效性要求都非常高,需要通过对车辆模型精细化描述进行严格的数学表达
    • 传统的控制算法PID可以满足车辆控制要求,但是考虑到体感和一些极限情况,控制算法优化也是目前无人车的一个持续探讨的问题,如LQR、MPC等

总结

我在哪

我周围有什么

他们到哪儿去

我该怎么走

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