本文簡要而全面地概述了自動駕駛汽車（自動駕駛系統(tǒng)）的關(guān)鍵組成部分，包括自動駕駛水平、自動駕駛汽車傳感器、自動駕駛汽車軟件、開源數(shù)據(jù)集、行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者、自動駕駛汽車應(yīng)用程序和正在面臨的挑戰(zhàn)。

引言

在過去的十年里，在自動駕駛領(lǐng)域發(fā)表了許多研究論文。然而，它們大多只關(guān)注特定的技術(shù)領(lǐng)域，如視覺環(huán)境感知、車輛控制等。此外，由于自動駕駛汽車技術(shù)的快速發(fā)展，這樣的文章很快就過時了。

在過去的十年中，隨著自動駕駛系統(tǒng)技術(shù)在世界范圍內(nèi)的一系列突破，自動駕駛汽車（自動駕駛系統(tǒng)）商業(yè)化的競爭比以往任何時候都更加激烈。例如，2016年，Waymo在亞利桑那州推出了自己的自動駕駛出租車服務(wù)，吸引了廣泛的關(guān)注。此外，Waymo花了大約9年的時間開發(fā)和改進(jìn)其自動駕駛系統(tǒng)，使用各種先進(jìn)的工程技術(shù)，如機(jī)器學(xué)習(xí)和計算機(jī)視覺。這些前沿技術(shù)極大地幫助他們的無人駕駛汽車更好地理解世界，在正確的時間采取正確的行動。

由于自動駕駛技術(shù)的發(fā)展，近十年來發(fā)表了許多科學(xué)論文，其引用量呈指數(shù)增長，如圖1所示。我們可以清楚地看到，自2010年以來，每年的發(fā)表量和被引用量都在逐漸增加，并在去年達(dá)到了巔峰。

圖1 在過去的十年中，自主駕駛研究的出版物和引文的數(shù)量

一、自動駕駛系統(tǒng)

自動駕駛系統(tǒng)使汽車能夠在沒有人類駕駛員干預(yù)的真實(shí)環(huán)境中運(yùn)行。每個自動駕駛系統(tǒng)由兩個主要組件組成：硬件（汽車傳感器和硬件控制器，即、油門、剎車、車輪等）及軟件（功能組）。

軟件方面，已在多個不同的軟件架構(gòu)中建模，如Stanley （Grand Challenge）、Junior （Urban Challenge）、Boss （Urban Challenge）和同濟(jì)自動駕駛系統(tǒng)。Stanley軟件架構(gòu)包括四個模塊：傳感器接口、感知、規(guī)劃和控制以及用戶界面。Junior軟件體系結(jié)構(gòu)由傳感器接口、感知、導(dǎo)航（規(guī)劃與控制）、線控驅(qū)動接口（用戶接口和車輛接口）和全局服務(wù)五個部分組成。Boss采用三層架構(gòu)：任務(wù)、行為和運(yùn)動規(guī)劃。同濟(jì)自動駕駛系統(tǒng)將軟件架構(gòu)劃分為：感知、決策和規(guī)劃、控制和底盤。本文將軟件架構(gòu)劃分為感知、定位與映射、預(yù)測、規(guī)劃與控制五個模塊，如圖2所示，圖2與同濟(jì)自動駕駛系統(tǒng)軟件架構(gòu)非常相似。

圖2 自動駕駛系統(tǒng)軟件構(gòu)架

自動駕駛等級劃分

根據(jù)汽車工程師協(xié)會（SAE international），自動駕駛可以分為六個等級，如表1所示。人類駕駛員負(fù)責(zé)0－2級自動駕駛系統(tǒng)的駕駛環(huán)境監(jiān)測（DEM）。從第4級開始，人類駕駛員不再負(fù)責(zé)動態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)回傳（DDTF）。目前，最先進(jìn)的自動駕駛系統(tǒng)主要在2級和3級。業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，要達(dá)到更高等級的自動駕駛水平可能還需要很長一段時間。

表1

傳感器安裝在自動駕駛系統(tǒng)上的傳感器通常用于感知環(huán)境。選擇每個傳感器是為了權(quán)衡采樣率、視場（FoV）、精度、范圍、成本和整個系統(tǒng)復(fù)雜度。最常用的傳感器有無源傳感器（如攝像頭）、有源傳感器（如激光雷達(dá)、雷達(dá)和超聲波收發(fā)器）和其他傳感器類型，如全球定位系統(tǒng)（GPS）、慣性測量單元（IMU）。

攝像頭通過收集反射到三維環(huán)境對象上的光來捕捉二維圖像。圖像質(zhì)量通常取決于環(huán)境條件，即不同的天氣條件，不同的光照環(huán)境，都會對圖像質(zhì)量產(chǎn)生不同的影響。計算機(jī)視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)算法通常用于從捕獲的圖像／視頻中提取有用的信息。

激光雷達(dá)利用脈沖激光照射目標(biāo)，通過分析反射脈沖，測量到目標(biāo)的距離。由于激光雷達(dá)具有較高的三維幾何精度，通常用于制作高分辨率的世界地圖。激光雷達(dá)通常安裝在車輛的不同部位以實(shí)現(xiàn)不同的作用，如頂部、側(cè)面和前部。

雷達(dá)通過發(fā)射電磁波并對反射波進(jìn)行分析，可以準(zhǔn)確地測量出目標(biāo)的距離和徑向速度。雷達(dá)特別擅長檢測金屬物體，當(dāng)然雷達(dá)也可以檢測非金屬物體，比如在短距離內(nèi)檢測行人和樹木。雷達(dá)已經(jīng)在汽車工業(yè)應(yīng)用多年，催生了ADAS功能，如自動緊急制動，自適應(yīng)巡航控制等。

與雷達(dá)類似，超聲波傳感器通過測量發(fā)射超聲波信號到接收回波之間的時間來計算到目標(biāo)的距離，超聲波傳感器通常用于自動駕駛汽車的定位和導(dǎo)航。

GPS是美國政府的一種基于衛(wèi)星的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，可以為自動駕駛系統(tǒng)提供時間和地理位置信息。然而，GPS信號很容易被建筑物和山脈等障礙物阻擋，例如所謂的城市峽谷，GPS在此類區(qū)域往往表現(xiàn)不佳。因此，慣性測量單元（IMUs）通常被集成到GPS設(shè)備中，以確保自動駕駛汽車在“城市峽谷”等地的定位。

硬件控制器

自動駕駛汽車硬件控制器包括轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)向電機(jī)、電子制動助力器、電子節(jié)流閥、變速桿和駐車制動。車輛的狀態(tài)，如車輪速度和轉(zhuǎn)向角，可自動感知，并通過控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）總線發(fā)送到計算機(jī)系統(tǒng)。這使得人類駕駛員或自動駕駛系統(tǒng)能夠控制油門、剎車和方向盤。