最近，百度在北京試點無人駕駛出租車登上熱搜。

有小朋友就問我說：現(xiàn)在到處都在說輔助駕駛、自動駕駛。這到底是一種什么樣的技術呢？汽車難道能和人一樣觀察周圍環(huán)境嗎？想買一輛具有輔助駕駛或者自動駕駛功能的汽車，靠譜嗎？今天我們就來討論一下?自動駕駛?的話題。

一、自動駕駛汽車的分級

汽車發(fā)明至今已經(jīng)有至少一百多年的歷史了。機動車剛剛發(fā)明的時候，開起來其實并不舒服，人們一直在通過各種方法改進汽車的舒適和安全性。

比如在十九世紀末，人們發(fā)明了化油器，它就能將燃油和空氣以不同比例混合，從而在不同情況下提供合適的汽車功率，讓汽車平穩(wěn)順暢的運行?；推麟m然在不停的改進，但是在汽車上一直用到了二十世紀末，也就是用了100年的時間。1980年代，汽車才逐漸從化油器汽車轉化為燃料噴射方式。

其實在1930年代，人類就已經(jīng)開始了自動駕駛汽車的嘗試。不過真正把自動駕駛作為一種汽車的發(fā)展目標，是最近幾十年的事情?，F(xiàn)在，人們把自動駕駛技術劃分為五個等級。

L0：人工駕駛

二三十年前的汽車，所有駕駛操作由人類駕駛員完成，汽車完全不能幫助人類實現(xiàn)任何輔助駕駛功能。1990年之前的汽車基本都是這個樣子。

L1：輔助駕駛

1990年后，計算機、傳感器技術越來越發(fā)達，汽車通過傳感器和計算機系統(tǒng)，對汽車的加速、減速、方向控制等進行較小的修正，以提升駕駛的舒適性和保障駕駛安全。例如：

定速巡航功能——駕駛員在高速公路上定速巡航，腳就不用一直踩著油門了，汽車就能按規(guī)定速度行駛。

ABS防抱死系統(tǒng)——在剎車時駕駛員將剎車踩到底，但是車輪并不立刻抱死，而是間歇性的剎車，以保證汽車不打滑。

ESP車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)——ABS系統(tǒng)的升級版，它可以分配驅動力、剎車力在不同輪子之間的分配關系，保證汽車行駛的穩(wěn)定。

從1990年到2010年之間，汽車通過更新升級，基本實現(xiàn)了L1系統(tǒng)的標配。

L2：高級輔助駕駛或者部分自動駕駛

從2010年到2020年，自動駕駛的概念被提上日程，許多車輛實現(xiàn)了L2級輔助駕駛。它的意思是：在特定道路條件下可以實現(xiàn)車輛的自動加、速減速和控制方向，但是人類駕駛員要隨時監(jiān)測周圍環(huán)境并且準備接管。

現(xiàn)在，許多車輛已經(jīng)配備了L2級的自動駕駛系統(tǒng)，例如一汽大眾新邁騰的IQ drive就是這樣一種系統(tǒng)。

L3：有條件自動駕駛

這是從2020年到2030年之間，無人駕駛汽車的發(fā)展目標。它表示在特定道路下，例如高速路、快速路和部分城市道路上，汽車可以實現(xiàn)加速、減速、剎車、變道等一系列自動駕駛功能，人類駕駛員只需要特殊情況下進行干預即可。

這實際上是輔助自動駕駛向完全自動駕駛的過渡階段。特斯拉、奧迪的自動駕駛汽車都號稱達到了L3級，不過，由于特斯拉汽車出現(xiàn)了幾起事故，也有人認為它只有L2.5級。

L4：高度自動駕駛

在特定道路上能夠實現(xiàn)全部駕駛功能，應對各種突發(fā)情況。人類駕駛員幾乎無需進行任何干預。

L5：完全自動駕駛

在全部道路上實現(xiàn)全部駕駛功能，人類完全無法進行干預。L4和L5級別的自動駕駛汽車可以最大限度的解放人類，同時提升安全性。

到了這兩個級別，如果出現(xiàn)了交通事故，那么事故的責任方就不在人類，而在車輛所屬的自動駕駛系統(tǒng)公司了。馬斯克說：年底就要推出L5級自動駕駛，不知道這個豪言壯語能否實現(xiàn)呢?

二、L2級自動駕駛技術

最近幾年，隨著技術的進步和對可靠性的實踐驗證，大家身邊一些比較熟悉的車，也具有了L2級輔助駕駛系統(tǒng)。我們就以新邁騰的輔助駕駛技術IQ.Drive為例，來介紹它的主要功能。

1、ACC高級自適應巡航

在高速或者快速路上，設定好車速和車距，系統(tǒng)就會自動跟隨前車加速和減速甚至停車，與前方車輛處于安全距離且車輛靜止不超過3秒的情況下還可以自動起步。但駕駛員需要把雙手摸在方向盤上，隨時準備在出現(xiàn)狀況時進行接管。

2、主動車道保持及偏移警示

含兩種車道保持模式，可以幫助駕駛員使得車輛保持在車道范圍內(nèi)，也可以一直保持在車道正中央，如果車輛出現(xiàn)無意中偏離當前車道線的跡象，系統(tǒng)將控制方向盤以反向進行修正，自動控制糾正將車輛歸位。還能輔助駕駛員讓車輛順利通過一些不是很急的彎道。

3、一鍵駕駛輔助

IQ.Drive的核心功能，可以在高速或快速路上實現(xiàn)全速域（0-160km/h）的車道內(nèi)自動跟車、停車和再次跟車，將ACC和車道保持功能進行統(tǒng)籌控制，只需要按一次方向盤左側的Travel assist按鍵便可輕松激活，簡單快捷。

4、變道輔助系統(tǒng)

—般小轎車側后方45度角有盲區(qū)。有了變道輔助系統(tǒng)后，當打轉向而側后方有車時，系統(tǒng)會發(fā)出警報，通過對應側后視鏡旁的警示燈提醒駕駛員。相比一般的盲點監(jiān)測，不但警示標志更明顯，而且探測盲區(qū)的范圍更大，達到110°，距離也更遠，達70米。

5、車輛前后預碰撞系統(tǒng)

如果車輛探測到前方出現(xiàn)障礙物或后方車輛快速接近，并判斷即將碰撞時，車輛會發(fā)出警示聲音和燈光提醒駕駛員，同時電動安全帶自動拉緊，把乘員固定，最大程度提升氣囊和安全帶的保護效果，同時關閉滑動天窗及車窗，防止外界異物進入車內(nèi)，防止乘員甩出車外，將傷害降到最低，同時雙閃燈高頻點亮，警示其他交通參與者。

6、二次碰撞預剎車系統(tǒng)

車輛發(fā)生第一次碰撞后，系統(tǒng)會給予車輛額外制動力，輔助車速降低至駕駛員可控狀態(tài)，防止發(fā)生二次碰撞。

7、方向盤離手監(jiān)測系統(tǒng)

系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)駕駛員雙手離開方向盤一段時間，就會通過聲音、圖像警示駕駛員，提醒其重新把握控制方向盤。如果駕駛員無反應，車輛會緩慢停車，并開啟雙閃待援。

8、停車輔助

在停車位附近按下自動泊車按鍵 ，車輛能自動控制方向盤，駕駛員只要控制擋位、油門和剎車，就能將車停在車位上。

9、后方車流警示系統(tǒng)

如果在倒車出車位過程中，后方或后側方突然出現(xiàn)車輛，系統(tǒng)將會自動將車剎停，避免碰撞。

這些功能也許對一個老司機來講都比較融會貫通，但是它的確可以增加駕駛的舒適感并提高安全性。就好像以前人們開手動擋汽車，后來開自動擋汽車，幸福感提升了許多。

自動駕駛技術其實也是這樣的汽車駕駛方式的進步，會讓人們更加舒適和安全。

三、自動駕駛傳感器技術

那么，計算機系統(tǒng)是如何像人類甚至超越人類駕駛汽車的呢？我們來介紹一下自動駕駛技術的原理?；\統(tǒng)的講，自動駕駛技術應該分為三個部分：感知層面、決策層面和執(zhí)行層面。

感知層面：通過各種各樣的傳感器，讓車輛感知到外界環(huán)境，就好像人有眼睛和耳朵，可以觀察周圍環(huán)境，車輛也需要有眼睛和耳朵，這就是各種各樣的傳感器，它們負責收集周圍的信息。

決策層面：需要對收集的信息進行整理，例如：特斯拉汽車會對攝像頭收集的信息進行人工智能機器學習，判斷前方到底是什么物體，是高懸在空中的廣告牌子，還是藍天白云？還是一輛停著的汽車。然后做出相應的指令——繼續(xù)行駛還是剎車或者變道。

執(zhí)行層面：控制車輛進行加速、減速或者轉向的行為。

對于后兩個層面——機器學習、汽車原理，涉及的問題過于深奧，我也不懂。

今天我們就來討論一下自動駕駛技術的第一層次——汽車傳感器， 它能手機周圍環(huán)境的信息，并將信息送到計算機系統(tǒng)中進行處理。

完全實現(xiàn)自動駕駛所需要的傳感器非常多，例如：

1、定位傳感器——包括衛(wèi)星導航系統(tǒng)、高精度地圖等。

自動駕駛技術需要比普通導航系統(tǒng)更加精確的導航和地圖，通常要達到毫米精度。

2、雷達傳感器——包括激光雷達、毫米波雷達等。

毫米波雷達是最近L2級別自動駕駛汽車全力發(fā)展的傳感器。它會向外發(fā)射波長在mm量級的電磁波，并且接收障礙物反射的回波，通過計算機分析獲知障礙物的距離、速度和角度。

它的測量范圍可以達到200米. 毫米波比可見光波長長，根據(jù)瑞利散射原理，這樣的波不容易被空氣中的雜質散射，云霧天氣也能清楚的看到前方的物體，這一點就比較攝像頭更有優(yōu)勢。

同時，毫米波是電磁波，波速是光速，可以探測高速運動的物體，也比超聲波雷達有優(yōu)勢. 所以L2級別自動駕駛系統(tǒng)中的自適應巡航、車輛碰撞預警系統(tǒng)，多數(shù)都是使用的這種雷達。例如新邁騰就配備了3個毫米波雷達，一個在前，兩個在側后方。

不過，毫米波雷達波長相對較長，如后文所述的原因，有時會出現(xiàn)判斷失靈。比毫米波雷達性能更好的是激光雷達，利用短波長的激光，幾乎可以如蝙蝠一般在計算機中畫出外界三維圖像。

現(xiàn)在許多概念車——例如百度自動駕駛出租車頂棚上可以旋轉的裝置，就是激光雷達。

不過，激光雷達造價高出毫米波雷達數(shù)十倍，這也限制了它的應用范圍。

3、視覺傳感器——攝像頭、紅外線傳感器等。

攝像頭模擬人眼，被動接收光信號。這種傳感器的優(yōu)點在于可以對物體的幾何形狀、顏色進行分析，通過一定算法判斷物體種類、大小和距離，探測范圍可以達到500米左右。

比如特斯拉，全車配備了8個攝像頭，3個向前，2個側向，兩個側后方，還有一個后方。這些攝像頭隨時觀察周圍的景物，并且通過機器學習識別物體，實現(xiàn)自動駕駛。

不過，攝像頭受光線影響很大，而且在特斯拉的幾起自動駕駛事故中，都是因為攝像頭發(fā)現(xiàn)了障礙，卻做出了錯誤的判斷，比如把一個白色的廂式貨車誤判為藍天白云，造成了事故。

4、聽覺傳感器——超聲波雷達

超聲波傳感器。傳感器發(fā)出超聲波，遇到障礙物反射后探知物體的距離。這種技術已經(jīng)非常成熟，價格也很便宜，普遍用于汽車的倒車雷達之中。

但是，它只能對近距離的物體進行探測，而且探測范圍很近，一般在3米以內(nèi)。例如新邁騰的停車輔助系統(tǒng)就是使用的超聲波傳感器。

四、FMCW技術

如果我們再具體一點：毫米波雷達到底是如何工作的呢？怎么就能知道障礙物的距離、速度和角度呢？這就需要介紹一種技術了：??FMCW調(diào)頻連續(xù)波技術?。

首先，雷達會產(chǎn)生一個隨著時間連續(xù)變化的信號，它的頻率會隨著時間變化。比較典型的是三角波的情況。在一個周期T內(nèi)，這個信號的頻率首先升高，隨后再下降恢復到原來的頻率，如此往復，一個周期大約幾十微每秒。

隨后，這個信號被天線發(fā)射出去，成一定的角度向外輻射電磁波信號。電磁波遇到障礙物后會反彈回來，形成一個滯后的回波。系統(tǒng)根據(jù)發(fā)射波與回波的情況，計算機系統(tǒng)就能計算出障礙物的距離、速度和方向了。

具體來講：當電磁波遇到障礙物之后反射回來，被接收天線接收。如果毫米波雷達距離障礙物為s，光速為c，那么回波滯后的時間為

如果能測量這個滯后時間，就能知道物體的距離了。

但是， 這個滯后的時間非常短，不好測量，所以系統(tǒng)會把接收到的信號和此刻正在發(fā)射的信號輸入一個差頻裝置，通過計算機系統(tǒng)計算出二者的頻率差Δf?，顯然，這個頻率差與信號的斜率k和回波滯后時間差Δt有關。

假如物體是靜止不動的，聯(lián)立?(1)?和?(2)?就能計算出障礙物的距離了。

如果障礙物運動起來，情況就要復雜一些，我們首先要回顧一下?多普勒效應?。當火車朝我們開過來的時候，我們會感覺火車發(fā)出的聲音音調(diào)高，火車開走的時候，會感覺火車的音調(diào)低。這就是聲音的多普勒效應。

其實，電磁波信號也有多普勒效應。光源相對于觀察者運動時，觀察者接收到的光波頻率會發(fā)生變化。如果恒星朝我們運動，我們會感覺恒星的光波長變短了，頻率變大了，這就是藍移現(xiàn)象；恒星遠離我們時，我們會感覺恒星的光波長變長了，頻率變小了，這是紅移現(xiàn)象。

我們曾經(jīng)給黑洞拍攝照片，黑洞周圍的吸積盤顏色不同，其實是因為吸積盤在運動，我們看上去兩側的頻率不同。

如果兩個物體相互靠近相對速度是v，而光速是c，由于多普勒效應以及狹義相對論的影響，出現(xiàn)的頻率差為

大家注意看：此時反射波的信號已經(jīng)有了兩個移動，其一是因為往返造成的時間滯后的水平移動，其二是因為多普勒效應造成的上下移動，二者分別造成了Δf?，Δf?的頻率差。而且，在上升沿和下降沿，差頻裝置中獲得的信號頻率分別是

測量上升沿和下降沿的發(fā)出的信號與回波的頻率差，聯(lián)立這個方程，既能夠求出障礙物的距離，也能夠求出障礙物的速度。

那么，毫米波雷達又如何知道物體的方位角呢？

其實，毫米波雷達的接收裝置是一個陣列。如果回波與陣列平面不垂直，那么兩個接收器接收到的回波就會有一個時間差。如下圖所示：如果兩個接收器相距為d，回波方向角為θ，那么兩列波到達的時間就會相差

這個時間差并不是發(fā)射信號與回波的時間差，而是不同接收器接收到的回波的時間差。根據(jù)這個時間差以及系統(tǒng)已經(jīng)知道的d和光速c信息，就能計算出回波的角度θ了。

實際上，在計算角度時，系統(tǒng)并不是通過測量時間獲得，而是通過測量兩個接收器接收到信號的相位差，我們利用時間來說明，方便大家理解。

由此，毫米波雷達就能實現(xiàn)障礙物距離、速度、角度的全面測量。將這些信號送入計算機系統(tǒng)，通過各種算法就能控制車輛的各種行為了。

不過，毫米波雷達也還有一些局限性。如果只有一個障礙物，毫米波雷達完全可以處理。可是如果有多個障礙物，反射波彼此混合，雷達就會出現(xiàn)混亂，它只能獲得障礙物大致的信息。

不過這時候也有些補充的解決辦法，比如新邁騰上除了毫米波雷達，還會有攝像頭進行輔助配合，二者與行車處理器每秒進行多次的數(shù)據(jù)交換，行車電腦綜合雷達信息和圖像信息進行判斷，調(diào)整車輛的行駛狀態(tài)。規(guī)避單雷達傳感器，或單圖像傳感器的可能遇到的問題。

自動駕駛汽車相比與人類駕駛員來講，有許多優(yōu)勢。例如：

• 它有超越人類的感知能力。人類的視覺和聽覺受到很大的限制，但是通過各種傳感器，汽車能夠探知更大范圍的障礙物情況。

• 它通過互聯(lián)網(wǎng)，汽車之間、汽車和交通系統(tǒng)之間共享信息，可以預知前方道路的情況，提前做出判斷。

• 它可以避免人類駕駛員的錯誤。例如酒后駕駛、疲勞駕駛、分心駕駛等等。

• 它還可以緩解城市擁堵。除了可以通過計算機和互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)選擇最佳道路以外，在人類駕駛員離開后，還可以自動駛離擁堵區(qū)，尋找停車位等等。

也許在幾十年后，我們不再需要自己的汽車，任何人隨時隨地都可以攔下一輛無人駕駛汽車，像坐出租車一樣隨心所欲的去城市里的任何角落。甚至于，無人駕駛技術也可以用在未來的城市飛機運輸之中?？茖W技術正在改變我們的生活方式。

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