作者 | 天堂硅谷信息技術(shù)事業(yè)部 孫濟(jì)洲
汽車行業(yè)歷經(jīng)百年，歐、美、日車企和供應(yīng)商已經(jīng)牢牢占據(jù)汽車市場的關(guān)鍵位置。然而在今天，電動化、智能化為汽車行業(yè)帶來了巨大的變革，也給了中國新生企業(yè)一個前所未有的機遇，得以加入到汽車產(chǎn)業(yè)鏈的競爭中。自動駕駛和高級駕駛輔助系統(tǒng)便是這個變革中最重要的環(huán)節(jié)之一。本文分上下兩部分和大家探討高級駕駛輔助系統(tǒng)：上部關(guān)于高級駕駛輔助系統(tǒng)在自動駕駛中的定位，分析商業(yè)化發(fā)展的趨勢和可能性；下部簡要介紹高級駕駛輔助系統(tǒng)功能實現(xiàn)相關(guān)的軟件和硬件構(gòu)成要素。
01
高級駕駛輔助系統(tǒng)構(gòu)架
高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）一般由四大平臺支撐，它們分別是：云服務(wù)平臺、軟件平臺、硬件平臺、車輛平臺。云服務(wù)平臺給ADAS系統(tǒng)提供軟件升級、地圖更新等服務(wù)，同時也可以存儲車輛行駛中的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于車輛的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)后臺支撐。軟件平臺中是各種算法模塊，是ADAS和自動駕駛的大腦，根據(jù)周圍環(huán)境指揮車輛行駛。硬件平臺中包括各種傳感器，相當(dāng)于我們的眼和耳，用來負(fù)責(zé)觀察感知車輛周圍的事物。最后車輛平臺是車的腿腳，執(zhí)行最終的行動指令。
根據(jù)具體ADAS功能配置不同，整個智能系統(tǒng)構(gòu)成有所差異；主流高速公路ADAS功能一般使用xRxV方案（R-毫米波雷達(dá)，V-攝像頭），比如高速上下匝道功能需要地圖引擎的支持，因為沒有地圖，車輛不知道應(yīng)該在哪個高速口進(jìn)出。代客泊車一般需要激光雷達(dá)幫助獲取周圍環(huán)境更精確信息，一般攝像頭、超聲波雷達(dá)車距不夠準(zhǔn)確，停車容易剮蹭。現(xiàn)有車輛上配置的ADAS功能大多還不支持遠(yuǎn)程升級和數(shù)據(jù)回傳等功能，但是隨著汽車電子電氣架構(gòu)的升級，遠(yuǎn)程升級、數(shù)據(jù)上傳、地圖更新等功能將逐漸完善并成為標(biāo)配。
這四大平臺中所有元素都是ADAS和自動駕駛產(chǎn)業(yè)的上游細(xì)分，每個細(xì)分都有各自領(lǐng)域的專業(yè)知識和特點，各模塊在系統(tǒng)中需要相互配合協(xié)作。因此自動駕駛?cè)瞬艠O度稀缺，此領(lǐng)域需要有在單個或多個領(lǐng)域?qū)＞⑶揖邆涠鄬W(xué)科交叉創(chuàng)新能力的人才。ADAS和自動駕駛是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，為了完成普通道路上A到B點間的簡單駕駛?cè)蝿?wù)，各相關(guān)領(lǐng)域都需要達(dá)到很高技術(shù)門檻，滿足其他模塊需求，不能有技術(shù)短板，這也是ADAS和自動駕駛難落地的原因之一。
部署在車上為自動駕駛功能服務(wù)的硬件和傳感器布局示意如下圖所示：
主機廠的量產(chǎn)ADAS硬件傳感器方案考慮到傳感器感知特性、感知算法技術(shù)能力、算法算力需求、傳感器成本、功耗、體積和車規(guī)量產(chǎn)成熟度等原因，進(jìn)行了對應(yīng)不同車型的開發(fā)和設(shè)計。我們可以看到現(xiàn)在新車上的各種傳感器和攝像頭已經(jīng)在增加，以后傳感器遍布車身將是趨勢。
根據(jù)ADAS功能需求，傳感器數(shù)量和布局會有所不同。如典型的自動緊急制動（AEB）功能，在行駛中前方有車輛行人可能會碰撞時，自動緊急制動會自動剎車防止碰撞。這樣的功能僅需要前向相機、前向毫米波和配套的計算單元就可以實現(xiàn)。要實現(xiàn)更高級復(fù)雜的功能，車輛可能會增加配置前向兩個不同視場角的相機、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)感知不同車速前方交通參與者，周圍多個相機提供環(huán)視功能，側(cè)向毫米波雷達(dá)、攝像頭，后向攝像頭，角超聲波雷達(dá)用于停車、超車和換道等功能。長期看傳感器有融合簡化的趨勢，并且隨著算法完善、計算單元算力增強，感知方案最終或以視覺為主，其他感知設(shè)備作為冗余備份。
下圖為特斯拉Model 3 的ADAS傳感器布局示意圖：
我們可以看到，前向三個不同感知距離和視場角的攝像頭，分別為最大感知距離150m的主攝像頭、一個窄視角最大感知距離250m的攝像頭以及感知距離60m的廣角攝像頭。同時前方還配備了160m感知距離的毫米波雷達(dá)。環(huán)車配有超聲波雷達(dá)感知距離8m，前像側(cè)攝像頭、后向、側(cè)后向攝像頭。這些傳感器覆蓋了車輛周圍50m內(nèi)的幾乎全部區(qū)域，以及前方較遠(yuǎn)距離，為車輛輔助駕駛或自動駕駛提供了必要的環(huán)境信息。
簡略的ADAS系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如下圖所示：
感知設(shè)備收集車輛行駛環(huán)境數(shù)據(jù)，發(fā)送給計算單元中對應(yīng)的軟件模塊。計算模塊經(jīng)過一系列計算處理后將最終車輛行駛控制指令發(fā)送給車輛平臺，車輛平臺執(zhí)行相應(yīng)的行駛動作。其間車輛平臺會實時發(fā)送底盤數(shù)據(jù)給軟件平臺和部分感知設(shè)備，軟件平臺和云平臺有數(shù)據(jù)交互。
02
硬件簡述
攝像頭是ADAS系統(tǒng)的主要感知傳感器，是最為成熟的車載傳感器之一。視覺模塊通過算法識別各種交通參與者、交通標(biāo)志標(biāo)線以及動態(tài)目標(biāo)的速度位姿等，供感知融合與融合定位模塊使用。通俗講就是視覺模塊通過一段實時的視頻錄像，識別里面的車輛和行人，以及他們的位置和速度。
攝像頭提供的視覺信息最接近人類駕駛員的感知方式，并且有數(shù)據(jù)量大、信息豐富、成本低等特點。但是基于相機數(shù)據(jù)的圖像感知方式也有缺點，深度學(xué)習(xí)需要大量全面樣本收集且訓(xùn)練時間長；收集足夠數(shù)據(jù)需要大量真實場景測試以及對應(yīng)的數(shù)平臺支撐。感光原件寬容度相對人眼比較低，調(diào)節(jié)速度和能力有限；在強光照天氣進(jìn)出隧道等場景會有短時失效。
2.2 毫米波雷達(dá)
大多數(shù)前向毫米波雷達(dá)被布置在車頭前方中網(wǎng)位置，角雷達(dá)被布置在保險杠內(nèi)。毫米波雷達(dá)利用發(fā)射波長1-10mm，頻率10-300GHz的電磁波，接收并處理回波數(shù)據(jù)來感知周圍環(huán)境。目前車載毫米波雷達(dá)主要分為24GHz頻段和77GHz頻段，77GHz頻段的距離分辨率更高，體積更小，探測距離更長。車載毫米波雷達(dá)探測距離較長、性能穩(wěn)定，比可見光探測器穿透能力強，比超聲波雷達(dá)分辨率高。車載毫米波雷達(dá)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于距離探測，自適應(yīng)巡航、自動緊急制動、碰撞預(yù)警等ADAS功能中。使用毫米波雷達(dá)方便系統(tǒng)感知到周圍障礙物的距離和速度。
下圖為典型的5毫米波雷達(dá)和一個攝像頭傳感器布置方案示意圖：
毫米波雷達(dá)也存在短板，相對激光雷達(dá)精度低，無法得到描述性強的點云數(shù)據(jù)。可視范圍窄，一般需要多個雷達(dá)配合使用。對行人的反射較弱，對特定表面的金屬反射過強，容易誤識別物體。在狹窄物體多且復(fù)雜的環(huán)境下很難發(fā)揮很好的作用。
超聲波雷達(dá)的工作原理是通過發(fā)射并接收40Hz的超聲波，根據(jù)發(fā)收時間差計算障礙物的距離，測量精度一般為1-3cm。一般我們倒車聽到的聲音提示就是根據(jù)超聲波雷達(dá)測距提供的。超聲波雷達(dá)成本低，短距離測量中有優(yōu)勢，適合應(yīng)用于泊車和低速感知補盲。具有能耗低、測距方法簡單、不受光線條件影響、防水防塵性能好等特點。超聲波雷達(dá)便宜、耐用讓它在家用車上被廣泛使用。
超聲波雷達(dá)一般安裝在汽車的保險杠上稱為UPA（Ultrasonic Park Assist），一般用于測量汽車前后障礙物，探測距離一般在15-250cm。安裝在車身側(cè)面的稱為APA（Automated Parking Assist）用于測量側(cè)方障礙物，是自動泊車輔助系統(tǒng)的核心部件，探測距離較遠(yuǎn)一般在30-500cm，可用作探測車位寬度，獲得車位尺寸及車輛的位置信息，目前有超過700cm探測距離的APA投入應(yīng)用。超聲波雷達(dá)現(xiàn)在已經(jīng)由高端車型下沉至中低端車型，前裝滲透率達(dá)80%左右。自動泊車?yán)走_(dá)系統(tǒng)需要6-12個超聲波雷達(dá)，典型配置由8個UPA 和4個APA組成，感知范圍和布局如下圖：
因為超聲波的特性，雷達(dá)有以下弊端。超聲波散射角大，方向性差，無法精準(zhǔn)描述障礙物位置，也無法遠(yuǎn)距離感知物體。對溫度敏感，波速受溫度影響，在低溫高速行駛下，超聲波測距無法跟上障礙物距離的實時變化。
激光雷達(dá)是光學(xué)雷達(dá)，工作原理是雷達(dá)向目標(biāo)發(fā)射一束激光，然后根據(jù)發(fā)收激光的時間間隔測定目標(biāo)物體的距離。就像我們晚上帶著手電筒照路一樣，激光雷達(dá)是一種自帶光源的傳感器。激光雷達(dá)有方向性好、能量密度高、距離檢測準(zhǔn)確、高線雷達(dá)束分辨率高等優(yōu)點。
激光雷達(dá)分為機械式、半固態(tài)和固態(tài)。機械式技術(shù)成熟度最高，但生產(chǎn)環(huán)節(jié)人工成本高且難過車規(guī)，半固態(tài)和固態(tài)已成為趨勢。半固態(tài)激光雷達(dá)主要原理是激光收發(fā)單位固定，掃描部件運動，運用光的折射來改變射出激光的方向，達(dá)到對環(huán)境的感知。掃描部件根據(jù)原理不同，主流的技術(shù)路線有轉(zhuǎn)鏡式和MEMS微振鏡式。
固態(tài)激光雷達(dá)特點是不包含機械運動部件，主流的技術(shù)方案有OPA相控陣方案、Flash面陣激光方案，技術(shù)難度高、目前成熟度低，長期發(fā)展更符合車規(guī)量產(chǎn)的要求。圖為OPA和Flash激光雷達(dá)原理說明：
應(yīng)用中，激光雷達(dá)受空氣影響比較大，空氣中的水珠和其他懸浮物都會對感知造成影響。現(xiàn)有技術(shù)的產(chǎn)品量產(chǎn)能力弱成本較高，并且勉強應(yīng)對車規(guī)要求。未來全固態(tài)激光雷達(dá)方案值得期待。
計算單元可以理解為功能強大的車載電腦，不管是當(dāng)前的微控制器還是未來的車載中央計算機，該元件主要負(fù)責(zé)ADAS和自動駕駛中獲取到周圍數(shù)據(jù)的接收，處理所需的數(shù)據(jù)計算、圖形圖像計算以及發(fā)送執(zhí)行器控制指令。部分區(qū)域控制器可能要需要充當(dāng)網(wǎng)關(guān)、交換機的角色，負(fù)責(zé)分配數(shù)據(jù)和電力。
當(dāng)前ADAS方案多是分布式架構(gòu)，部件模塊多采用一體機整體方案，比如現(xiàn)有的ADAS攝像頭，主板將鏡頭模組和計算平臺整合在一起。
03
軟件模塊簡述
軟件平臺主要模塊間簡略數(shù)據(jù)流圖如下所示：
這里面高精度地圖（HD Map）提供道路、車道、交通標(biāo)志等信息給定位、感知、預(yù)測和決策規(guī)劃模塊。在車道保持+自適應(yīng)巡航功能中，僅通過攝像頭識別當(dāng)前車道線就可以，不需要HD Map輔助。但是高級別駕駛輔助或自動駕駛功能需要地圖輔助。
融合定位綜合組合導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）數(shù)據(jù)，感知數(shù)據(jù)以及HD Map數(shù)據(jù)確定車輛位置。開闊有定位、差分等信號覆蓋區(qū)域，組合導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供比較精準(zhǔn)的定位（分米級）。但是在樓宇間、大橋下、隧道中，組合導(dǎo)航系統(tǒng)往往不能提供準(zhǔn)確定位。這就需要融合視覺識別到的車道線、GNSS定位，車輛移動信息，甚至建筑相對位置得到準(zhǔn)確定位。
感知傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給各感知模塊進(jìn)行處理，最終由感知融合模塊綜合結(jié)果，得到最終動靜態(tài)障礙物目標(biāo)的位姿、速度和加速度等信息，供預(yù)測和決策規(guī)劃使用。當(dāng)前因為各種感知傳感器都有短板，主流使用多傳感器融合取長補短的方案，長期可能以視覺為主輔以一組其他形式傳感器作為冗余。當(dāng)前視覺方案在移動物體速度、加速度計算，物體位姿精準(zhǔn)識別以及多動態(tài)物體跟蹤方面還有很大進(jìn)步空間。安全方面視覺算法容易被惡意布置的圖形圖像欺騙，比如誤導(dǎo)行駛的車道線影像等。
預(yù)測模塊根據(jù)地圖信息和交通參與者的位姿速度預(yù)測它們可能的行進(jìn)路線以及對應(yīng)的概率分布。決策規(guī)劃模塊根據(jù)現(xiàn)有信息對車輛的行為進(jìn)行決策，對隨后的行駛路線和速度進(jìn)行規(guī)劃。最終決策規(guī)劃的結(jié)果發(fā)送給控制模塊作為行駛依據(jù)。
控制模塊根據(jù)規(guī)劃結(jié)果計算車輛底盤各執(zhí)行器配合行動的指令，下發(fā)給轉(zhuǎn)向、剎車和動力系統(tǒng)等。也就是根據(jù)想行駛的路徑，告訴車輛應(yīng)該方向盤打多少，油門加多少。
04
線控執(zhí)行機構(gòu)簡述
線控Drive-by-wire 或 X-by-wire，即用線（電信號）的形式來取代機械、液壓或氣動等形式的連接，從而不需要依賴駕駛員的力或者扭矩的輸入。這也是從輔助駕駛到自動駕駛進(jìn)程中車輛執(zhí)行器發(fā)展的必然趨勢。線控系統(tǒng)主要有五大子系統(tǒng)：線控轉(zhuǎn)向，線控油門，線控制動，線控懸架，線控?fù)Q擋。其中對于ADAS和自動駕駛系統(tǒng)來說，線控動力、線控轉(zhuǎn)向、線控制動這三個子系統(tǒng)尤其重要。
剎車系統(tǒng)包含下列系統(tǒng)中的一種或幾種：電子穩(wěn)定系統(tǒng)（EPS）、防抱死系統(tǒng)（ABS）、電子駐車制動（EPB）、電子液壓制動（EHB）和電子機械制動（EMB）等。有些功能在新設(shè)計中被合并起來。EHB在傳統(tǒng)液壓制動器基礎(chǔ)上，用一個綜合制動模塊來取代傳統(tǒng)制動器中的壓力調(diào)節(jié)器和ABS等模塊，可以集成TCS（牽引力控制系統(tǒng)）、ESP、ABS、EPB等傳統(tǒng)制動功能，還可以集成胎壓監(jiān)測、EBD（電子制動分配）、AEB等功能。算法彌補部件磨損和變形，使制動力長期處于良好狀態(tài)。不依賴真空源，取代了傳統(tǒng)的真空泵和真空軟管，體積更小，整個制動系統(tǒng)重量更輕，無需消耗能量建立真空源。同時，助力型式不受外界氣壓影響，讓制動系統(tǒng)沒有高原反應(yīng)。
