真正的高科技無人駕駛車，不是沒人碰的老爺車
多年以來，汽車產(chǎn)業(yè)涌現(xiàn)出了大量的自動化智能技術(shù)，這些技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)巡航定速 (adaptive cruise control)、車道偏離檢測、智能安全氣囊系統(tǒng)等特性。下一步，我們將推出具備視覺功能的汽車，其不僅可為駕駛員提供建議，甚至還能根據(jù)道路、交通以及天氣狀況的變化自動做出反應(yīng)。
目前，實現(xiàn)自動化汽車所必需的大量技術(shù)已經(jīng)具備。當(dāng)前的挑戰(zhàn)主要在于，如何進行產(chǎn)品定義、系統(tǒng)集成，如何構(gòu)建智能汽車的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，以及如何界定汽車的可靠性和容限要求。不過，正如汽車和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在過去的發(fā)展經(jīng)歷中所表現(xiàn)出的那樣，下一步發(fā)展的主要障礙還是在于缺乏足夠的想象力。
Digital Auto Drive (DAD) 是一家總部位于美國加利福尼亞州的研發(fā)機構(gòu)，專門從事基于視覺識別的 3D 影像和導(dǎo)航技術(shù)研究，其研究領(lǐng)域充滿挑戰(zhàn)性和感召力。DAD已經(jīng)采用德州儀器 (TI) 的數(shù)字信號處理器 (DSP) 開發(fā)出了無人駕駛的豐田 Tundra 卡車，這輛車能自動識別前方道路，進行即時導(dǎo)航?jīng)Q策，完全無需人工干預(yù)就能自動行駛。
DAD 車隊將參加美國國防部高級計劃研究署 (DARPA) 于 2005 年 10 月 8 日在內(nèi)華達州 Primm 舉行的無人駕駛汽車挑戰(zhàn)賽 (DARPA Grand Challenge) ，參賽隊伍達 23 支。獲參賽資格的車隊必須讓全自動越野車輛在莫哈韋沙漠上行駛約 150 英里，以幫助國防部 (DoD) 開發(fā)無人駕駛軍用車輛的新技術(shù)，相關(guān)技術(shù)將用于裝備美軍車輛。
促進 DARPA 挑戰(zhàn)賽舉辦的部分原因是，國會曾要求到 2015 年前，所有軍用車輛中三分之一必須實現(xiàn)自動化。在 2004 年的 DARPA 挑戰(zhàn)賽中，無人駕駛車輛穿越了約 110 英里的沙漠，從加利福尼亞州的巴斯托直到內(nèi)華達州的 Primm。觀察2004年挑戰(zhàn)賽的賽道示意圖，我們發(fā)現(xiàn)這條賽道幾乎與從巴格達到法魯賈的道路一模一樣。“自動化”一詞有許多含義，不過本文中的“自動化”是指車輛必須能夠?qū)崿F(xiàn)完全自動導(dǎo)航，即不采用遙控或通過其他外界方式對車輛施加影響。
軍用市場是無人駕駛車輛技術(shù)的直接目標(biāo)，這也是 DAD 卡車隊的市場對象，不過，消費類汽車市場也將受益于上述技術(shù)的進步。在挑戰(zhàn)賽車輛中使用的許多技術(shù)，如障礙檢測等，甚至?xí)绊懩壳邦I(lǐng)先汽車制造商正在開發(fā)中的防撞系統(tǒng)技術(shù)。
2004 年挑戰(zhàn)賽回顧
首屆挑戰(zhàn)賽于 2004 年 3 月 13 日舉行。賽道長 142 英里，跨越莫哈韋沙漠沙漠，從加利福尼亞州的巴斯托直到內(nèi)華達州的 Primm。在到達 2005 年起點的 15 支車隊中，僅 7 輛車越過起始門柵區(qū)，只有 4 輛車行駛了 5 英里以上。
DAD 車隊的挑戰(zhàn)賽歷程開始于 QID，車隊在此完成了 8 次試車，次數(shù)超過所有其他車隊。DAD 獲得第四旗位 (pole position)，于 2004 年 3 月 13 日早上 6:45 開始挑戰(zhàn)賽賽程。DAD 卡車行駛 6 英里后，停車給拖車讓行，然后自己撞上了石頭。DAD 車隊在路上超過了其他的一個車隊，這也是兩輛無人駕駛車輛間出現(xiàn)超車行為的首次記錄，最終 DAD 車隊的行駛距離在全部參賽者中排名第三。
必須將數(shù)項復(fù)雜技術(shù)進行無縫集成，才能使標(biāo)準(zhǔn)尺寸的輕型載重車自己在起伏不平的沙漠上行駛。DAD 車隊的參賽車輛經(jīng)過了數(shù)千人工小時的設(shè)計、編程和檢測工作，該車包括兩大組件：實時立體 3D 影像和車輛伺服控制。這種自動導(dǎo)航的創(chuàng)新技術(shù)采用了最先進的 TI DSP 技術(shù)，實現(xiàn)了高級伺服控制功能和高速立體視覺系統(tǒng)。此外，DAD 還得益于 TI 廣泛的伺服控制、機器人、車載以及電子技術(shù)經(jīng)驗，各方面技術(shù)的完美結(jié)合最終形成了自動車輛。
DAD 車隊采用 3D 影像系統(tǒng) (RTI) 進行環(huán)境感測，以避免碰撞到障礙物。該系統(tǒng)采用兩個 CCD 數(shù)碼相機獲取全面的 3D 地圖，并用其明確辨別在給定的 GPS 路徑中應(yīng)做哪些繞行才能避開障礙物。
DAD 車隊所用的自動設(shè)計方法過去和現(xiàn)在都非常簡明，只要操作三個開關(guān)就能實現(xiàn)自動化操作。在車輛自動行駛狀態(tài)下，駕駛員可以坐在車?yán)?。這種優(yōu)化的設(shè)計使 DAD 工程師能夠在比賽后坐在卡車?yán)镏匦略匍_過一遍賽道。
在自動模式下確?？ㄜ嚹芎戏ㄉ辖中旭?，并讓所有乘客都感到舒適，這使 DAD 工程師能坐在車?yán)镞M行賽前檢測。實際上，DAD 車隊就是開著參賽卡車去參加挑戰(zhàn)賽的。
力爭 2005 年獲大獎——最新技術(shù)概覽
為參加 2005 年挑戰(zhàn)賽，DAD 車隊從立體視覺系統(tǒng)轉(zhuǎn)而采用激光系統(tǒng)來進行卡車自動導(dǎo)航。這種創(chuàng)新系統(tǒng)是一種 64 個元件構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)LADAR地面映射和障礙檢測系統(tǒng)，用作統(tǒng)一的環(huán)境感測系統(tǒng)。該系統(tǒng)擁有 360 度視角、20 度垂直角度功能，能實現(xiàn)穩(wěn)健的實時 3D 地形映射，突破了傳統(tǒng)的視覺系統(tǒng)難以克服的雨天、黑暗和霧天等難題。
激光系統(tǒng)建立在光發(fā)射器和傳傳感二極管基礎(chǔ)之上。為了確定在卡車行駛道路上的有關(guān)物體的距離，系統(tǒng)會向物體發(fā)出激光，并測量激光到達物體并返回傳感二極管的時間，從而確定與卡車的距離。高速重復(fù)上述過程，我們就能獲得用于詳盡描繪地形圖所需的所有相關(guān)信息，其比此前設(shè)計的所有系統(tǒng)都更為精確。
系統(tǒng)相機采用 DSP 等高級技術(shù)進行多次反射辨別，并變化激光強度，采用冗余子相機設(shè)備等。相機安裝在車廂頂部中心位置，能清晰觀察到所有方向，并以 600 RPM 的速度旋轉(zhuǎn)。相機采用支架安裝，并配備有可匯報設(shè)備精確轉(zhuǎn)角位置的慣性導(dǎo)航系統(tǒng) (INS)，這樣導(dǎo)航計算機就能進行精確控制。
LADAR 相機系統(tǒng)生成自身所用的光，并用專用濾鏡來避免光線反射作用，這樣，在各種光線條件下都能正常工作。由于整部相機不停轉(zhuǎn)動，因此能甩掉塵土和雨水。LADAR 相機系統(tǒng)除可通過忽略早期反射在霧天和大雨天情況下保持清晰視線外，還集成了動態(tài)電源特性，以在不能獲得清晰地面反射的情況下加大激光發(fā)射器的強度。
C6000" DSP 可處理來自 LADAR 系統(tǒng)、卡車 GPS 裝置以及 INS 輸入的數(shù)據(jù)。TI DSP 的運行頻率高達 1GHz，能夠根據(jù) RDDF 的要求分析車輛的占用寬度 (vehicle path) 和速度，并可將路徑導(dǎo)航與 LADAR 提供的地形圖相結(jié)合。如果未發(fā)現(xiàn)可行的路線和速度，系統(tǒng)將尋找偏離中心線的可行路徑。LADAR 系統(tǒng)識別物體的大小和距離，包括縱向位置和路面本身的曲線。如果物體不是路面本身，那么假定所有物體都是固體，應(yīng)當(dāng)避免碰撞。
在考慮行車路徑時，要結(jié)合車輛通過路徑的重力因素。有關(guān)信息將用于決定車輛行駛的最高速度，并相應(yīng)進行加速和制動操作。在各種情況下，軟件都會力圖在 GPS 行駛路程點之內(nèi)找到最佳的行駛路面及最快的速度。
我們應(yīng)將激光影像系統(tǒng)提供的信息與預(yù)測車輛行駛路徑數(shù)據(jù)以及最終的導(dǎo)航控制數(shù)據(jù)進行合成，然后發(fā)送給車輛伺服控制導(dǎo)航系統(tǒng)，這些都是通過 TI TMS320C2000" 數(shù)字信號控制器進行的。車輛伺服控制系統(tǒng)實際控制車輛的行駛。該系統(tǒng)主要采用激光影像系統(tǒng)的信息，同時也依靠兩個不同的高精度 GPS 接收機、可實際進行卡車導(dǎo)航的伺服馬達以及 IMU(內(nèi)部測量單元)等的信息。
IMU 用陀螺儀和運動傳感加速計來糾正 GPS 信號的偏差。陀螺儀和里程表系統(tǒng)足以進行導(dǎo)航，但在通過隧道時需要再次接收 GPS 信號。不過，只要 GPS 信號不穩(wěn)定，系統(tǒng)就默認(rèn)采用 LADAR 系統(tǒng)。
在沒有部件或風(fēng)扇運行的情況下，計算機系統(tǒng)的耗電只有幾瓦特。整個 DAD 導(dǎo)航系統(tǒng)純粹就是為賽事而全新設(shè)計的。因此，我們在該系統(tǒng)中嵌入了所有計算功能，其占用面積比傳統(tǒng)的計算系統(tǒng)要小得多。
我們運用 SolidWorks公司的 CAD/CAM 系統(tǒng)對 LADAR 地形測繪和障礙檢測系統(tǒng)進行了充分的設(shè)計和建模。整個 PC 板布局都采用 PADS，并針對所有軟件開發(fā)采用 TI 的 Code Composer Studio 程序。所有軟件代碼都用匯編程序語言進行內(nèi)部編程。
未來展望
DAD 吸取首次挑戰(zhàn)賽的經(jīng)驗教訓(xùn)，不斷在車輛輪胎、布線、硬件安裝和現(xiàn)場檢測等各方面加以改善。DAD 車隊決心絕不在 2005 年挑戰(zhàn)賽中讓石塊擋住了前進的道路。車隊還針對轉(zhuǎn)速偏離于理想轉(zhuǎn)速的情況制定了應(yīng)急方案。這意味著如果卡車碰上了石塊，它會加大馬力開過去。
DAD 車隊的卡車是 2005 年 DARPA 挑戰(zhàn)賽中唯一一輛完全依靠 DSP 技術(shù)參賽的車輛，其自動決策功能將對路面狀況以及超過 500 英尺的潛在障礙物進行評估，并以每秒超過 60 次的速度進行檢測。這一處理能力完全能夠滿足以 100 MPH 速度運行的車輛的要求，這對于其它用用傳感器技術(shù)和視覺技術(shù)的競爭對手來說，將是一個顯著的競爭優(yōu)勢。此外，由于 DSP 在控制商業(yè)和政府應(yīng)用的關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)方面已擁有數(shù)十年的使用經(jīng)歷，因此具有卓越的可靠性能。
與 2004 年一樣，DAD 參賽車輛在非自動模式下也能像一般車輛一樣由人來駕駛。只要打開安裝在車輛頂棚后視鏡上方的三個開關(guān)就能啟動自動模式，這三個開關(guān)分別用于控制油門、剎車制動以及轉(zhuǎn)向控制。關(guān)閉這些開關(guān)，車輛就和正常的卡車沒什么區(qū)別。嵌入式 DSP 計算機占用的空間很小，因此不管車輛是否采用自動模式行駛，都能使乘客舒適駕乘，同時也利于貨物運輸。
許多人都不止一次地這樣想象，如果能在上班的路上讓汽車自動行駛，不用看路、盡管放松休息和享受駕乘樂趣，那該有多愜意。普通消費者想要一邊讀著晨報一邊讓自己的愛車載著自己滿城隨意通行，雖說這一美好愿景的實現(xiàn)尚有待時日，但自動化汽車技術(shù)的未來非?？春?，這一美夢的實現(xiàn)會比大多數(shù)人的想象要快得多。
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