“實現(xiàn)完全自主無人駕駛是一個令人興奮又望而生畏的挑戰(zhàn)。”在近日舉行的中國智能車大會暨國家智能車發(fā)展論壇上，中國自動化學會理事長、中國工程院院士鄭南寧對無人駕駛的前景謹慎樂觀。

隨著5G、人工智能（AI）、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷發(fā)展，智能車相關(guān)技術(shù)正在謀求技術(shù)融合，探索兌現(xiàn)更多場景應(yīng)用。

鄭南寧表示，盡管目前輔助駕駛，結(jié)構(gòu)化環(huán)境無人駕駛，有明確應(yīng)用背景、針對相關(guān)任務(wù)的無人駕駛技術(shù)已慢慢走向成熟，但對于實現(xiàn)完全自主無人駕駛技術(shù)，我們還面臨著十分艱難的挑戰(zhàn)。

他認為，應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，不僅需要在實驗室里探討新方法，更重要的是把實驗室中的理論研究成果與真實物理世界驗證結(jié)合起來。

“5G＋AI”為智能車帶來邊緣計算

2019年是中國5G商用元年，5G因其超高速率和超低延時的特點，將對人與物和物與物的連接產(chǎn)生革命性影響。

無人駕駛、車路協(xié)同等一方面對自動駕駛汽車智能化要求越來越高；同時，由于自動駕駛汽車受限于低成本要求，對算力、供電等有很高要求。“自動駕駛汽車技術(shù)對自動化的要求是無限的，我們希望最大化利用深度學習方法。”在清華大學AI研究院教授鄧志東看來，這是自動駕駛領(lǐng)域的一個困局。

但在5G環(huán)境下，這一困局有望破解。“5G和AI會催生邊緣計算發(fā)展。5G通過邊緣計算提供算力，連接云端和移動終端。”鄧志東相信，5G和AI的應(yīng)用將為自動駕駛汽車的數(shù)據(jù)源頭提供就近服務(wù)，“邊緣計算可以為自動駕駛汽車提供實時性、智能化服務(wù)操控。”

這首先可以降低自動駕駛移動終端的成本，同時大大加強移動終端邊緣識別能力，而且可以提供周邊范圍公共服務(wù)。這樣就可以把自動駕駛汽車看做是一個傳感器，或是執(zhí)行機構(gòu)。

目前，L4汽車的技術(shù)路線選擇主要有兩個，一是攝像頭視覺為主導，二是激光雷達為主導。無論是二維攝像頭，還是三維激光雷達、毫米波雷達，成像之后都需要依靠計算機視覺，需要AI賦能。

相對于傳統(tǒng)計算視覺方法，在大數(shù)據(jù)與大計算能力的支撐下，視覺的感知智能方法帶來了場景、目標、行為與檢測、定位、跟蹤與識別能力的大幅度提升。該方法目前基本可以應(yīng)用于自動駕駛領(lǐng)域。

深度學習方法，不僅有底層特征，還有中層特征、高層特征、局部特征和全局特征，所有這些特征都通過算法結(jié)構(gòu)從大數(shù)據(jù)中自動學習。“這是最本質(zhì)的問題。” 鄧志東舉例到，傳統(tǒng)計算視覺方法能達到70%～80%的識別率，而深度學習方法可以做到97%、98%，甚至99%。而人的識別率在97%左右。就是說，深度學習在視覺計算方面理論上可以達到甚至超過人的能力。

“對某一個數(shù)據(jù)集來說，這種識別率變得基本可用。” 鄧志東強調(diào)。

多駕駛場景如何實現(xiàn)

“在結(jié)構(gòu)化、封閉化道路上做決策和規(guī)劃相對較容易，但是開放場景、有動態(tài)障礙物的復(fù)雜場景，對智能車的自主決策和規(guī)劃還是非常大的挑戰(zhàn)。”吉林大學汽車工程學院教授高炳釗課題組在汽車控制領(lǐng)域已耕耘20多年，對模型預(yù)測控制在線優(yōu)化方法和手段在自動駕駛各個環(huán)節(jié)中的作用頗有研究。

高炳釗介紹說，人類駕駛員駕駛行為的基本原理是，先進行道路預(yù)瞄和前方場景理解，再根據(jù)環(huán)境當前狀況以及車輛所處狀態(tài)修整駕駛行為。基于此，人類駕駛決策是優(yōu)化和調(diào)整的過程，從控制理論來看，駕駛具有分層架構(gòu)，首先需從感知信息到?jīng)Q策規(guī)劃和控制。其中決策涉及到與其他車輛、其他行人和智能體交互的多方博弈；規(guī)劃要滿足汽車的動力學特性，節(jié)能經(jīng)濟性考慮等。決策規(guī)劃給出一個控制指令，車輛輸出進一步影響周圍和行人，形成一個新環(huán)境，繼而提供新的感知信息。

“模型控制就是在這樣的滾動循環(huán)下做駕駛規(guī)劃和決策。” 高炳釗說。

多駕駛場景的特點在其開放性和復(fù)雜性。“比如在沒有車道線的情況下，很多指令性規(guī)則實際上不足以覆蓋實際需要，還有一個關(guān)鍵因素是中微觀駕駛行為對運動的影響。” 高炳釗解釋到，同樣是一個換道操作，采用不同完成時間和不同加速度，軌跡差距可以達到15米以上，這也對決策的計算量影響提出了要求。

高炳釗團隊提出的辦法是采用參數(shù)化決策方法提取主要運動量。比如動作持續(xù)時間、縱向加速度、終端位置、側(cè)向加速度等一些關(guān)鍵物理量，提取它們的取值范圍，利用組合覆蓋多種不同程度的微觀駕駛行為。

決策輸出最重要的關(guān)鍵參數(shù)是時間、縱向加速度和終端位置。這種決策結(jié)構(gòu)與人的駕駛行為很接近。在設(shè)計模型時，高炳釗團隊首先提取時間、縱向加速度和終端位置作為第一層關(guān)鍵物理量，再用其他參數(shù)保證軌跡規(guī)劃合理，用不同終端約束匹配不同道路，在考慮動力學特性的前提下，一定要使軌跡可行和光滑。

“通過這樣的處理，可以比較快速地把決策和規(guī)劃問題求解出來。” 高炳釗表示，對于決策層，我們可以用在線優(yōu)化和強化學習的方式采取離線訓練；對于規(guī)劃層，可以采用非線性模型預(yù)算控制做光滑軌跡的優(yōu)化和跟蹤控制。

突破無人駕駛大規(guī)模商用難點

談到制約無人駕駛技術(shù)實現(xiàn)大規(guī)模商用的主要難點，鄭南寧團隊成員、西安交通大學博士陳仕韜表示應(yīng)是規(guī)劃和定位問題。

從規(guī)劃角度來看，無人駕駛汽車在正常的結(jié)構(gòu)化道路上可以跑的很好，而面對非結(jié)構(gòu)化道路往往不能很好處理。這時候需要有更好的規(guī)劃幫助無人駕駛汽車適應(yīng)不同場景。

從定位角度來講，目前有全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)等衛(wèi)星導航定位手段，但很多應(yīng)用場景并不具備GPS信號的良好條件，無人駕駛汽車也需要通過地圖或語義的方式確定其位置。

鄭南寧團隊所開發(fā)的無人駕駛系統(tǒng)中使用的定位模塊離不開多傳感器融合。“我們的融合方法不完全依賴GPS信號。” 陳仕韜表示，在各種場景下都能做到精確實時的位置輸出，是他們的最終目標。

當前主流的定位方法，包括二維碼定位和磁感應(yīng)定位。二者現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟地應(yīng)用于AGV小車技術(shù)。除此之外，GPS改進方案也解決了GPS信號多路徑效應(yīng)等問題，這都可以提升定位精度，擴大無人駕駛應(yīng)用場景。

他們目前考慮的是，如何把GPS改進方案綜合在一起，得到一個更加可靠的定位系統(tǒng)。

“現(xiàn)有的GPS改進方案依然解決不了有地庫的場景或者林蔭道下有信號遮擋的場景。” 陳仕韜表示，slam算法雖然在室內(nèi)機器人上得到了成功應(yīng)用，但面對室外的復(fù)雜動態(tài)交通場景，其計算復(fù)雜度會很大，實時性也無法滿足都滿足要求。所以，研究需要去結(jié)合兩者的優(yōu)勢。

由此，鄭南寧團隊希望構(gòu)建的基于多傳感器融合的濾波定位框架有如下幾個特點，首先要強調(diào)弱化GPS在整個系統(tǒng)中的作用。“我們不一味地依賴或否認GPS，它好的時候我們?nèi)ビ茫缓玫臅r候我們也要及時地把它屏蔽掉。”

其次定位需要是高頻率的，“我們希望無人駕駛汽車獲得的位置更新達到每秒100赫茲以上，所以我們也要通過一些融合濾波的方法提高定位的平滑性和實時幀率。” 陳仕韜接著說。

鄭南寧團隊提出的綜合一體化建圖與定位方案認為，從宏觀上來講，無人駕駛汽車就是要在長距離、長過程的定位中不能有累計誤差，并且可以把綜合定位誤差控制在一定范圍內(nèi)。從微觀來看，具體到一個定位的實時位置應(yīng)是連續(xù)和平滑的。

“自動駕駛產(chǎn)業(yè)要想真正落地，就必須獲得大數(shù)據(jù)、大計算能力、5G、云邊端自動駕駛技術(shù)實施，以及核心零部件、高精度地圖、智慧城市、智慧道路、視覺認知道路等的支撐。” 鄧志東表示，自動駕駛產(chǎn)業(yè)的前景是美好的，不過我們還需要通過加速自動駕駛領(lǐng)域的全生態(tài)建設(shè)和技術(shù)融合探索，如此才能推動自動駕駛在中國的快速發(fā)展與產(chǎn)業(yè)落地。
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