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為什么說(shuō)自動(dòng)駕駛的硬件系統(tǒng)是最復(fù)雜的系統(tǒng)工程？
2021-02-25 12:43:26· 來(lái)源：無(wú)人車情報(bào)局
1.自動(dòng)駕駛發(fā)展簡(jiǎn)述首先，給大家分享個(gè)小故事。2004年，DARPA舉辦了第一屆 DARPA挑戰(zhàn)賽（無(wú)人車挑戰(zhàn)賽）。根本沒有一支參賽隊(duì)伍完成這次比賽任務(wù)，這件事對(duì)來(lái)自
1.自動(dòng)駕駛發(fā)展簡(jiǎn)述
首先，給大家分享個(gè)小故事。
2004年，DARPA舉辦了第一屆 “DARPA”挑戰(zhàn)賽（無(wú)人車挑戰(zhàn)賽）。根本沒有一支參賽隊(duì)伍完成這次比賽任務(wù)，這件事對(duì)來(lái)自斯坦福大學(xué)的Sebastian Thrun刺激很大。
于是，他在2005年組建了自己的無(wú)人車隊(duì)，并且成為這項(xiàng)挑戰(zhàn)賽上的第一支完賽隊(duì)伍，獲得獎(jiǎng)金200萬(wàn)美元。這筆獎(jiǎng)金雖然巨額，但事實(shí)上Sebastian Thrun在這個(gè)項(xiàng)目的投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于200萬(wàn)美金。
看到上面的照片，人們的第一反應(yīng)，或者說(shuō)最引人矚目的，就是車頂上的一排傳感器，當(dāng)時(shí)采用的激光雷達(dá)傳感器品牌是Sick（施克）。
這是Sebastian Thrun當(dāng)時(shí)在無(wú)人車后備箱工作的一張圖片，這些大大小小的設(shè)備體現(xiàn)了自動(dòng)駕駛對(duì)于計(jì)算能力和信號(hào)處理的需求。
Sebastian團(tuán)隊(duì)另外一大貢獻(xiàn)就是在完成挑戰(zhàn)賽后，發(fā)表了一篇著名的paper（論文）《Stanley: The Robot that Won the DARPA Grand Challenge》，我相信幾乎每位自動(dòng)駕駛的從業(yè)者都看過(guò)這篇paper。
2007年，DARPA舉辦了另一種路況的挑戰(zhàn)賽——在城市的道路中完成自動(dòng)駕駛。最后，這場(chǎng)比賽的冠軍由來(lái)自卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的團(tuán)隊(duì)摘得，他們的無(wú)人車使用的激光雷達(dá)傳感器變成了Velodyne。
自動(dòng)駕駛行業(yè)發(fā)展到今天，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)世界做自動(dòng)駕駛主流的人才很多都來(lái)自這些高校。
了解了自動(dòng)駕駛簡(jiǎn)單背景，接下來(lái)，我們可以看看不同公司制造的自動(dòng)駕駛汽車。
這是Google（Waymo）早期的一輛自動(dòng)駕駛車，它的頂部采用的傳感器也是來(lái)自Velodyne。
這是Google在2014至2017年間制造的一輛真正的“無(wú)人車”——Firefly（螢火蟲），它沒有駕駛艙和方向盤，但是由于當(dāng)時(shí)實(shí)現(xiàn)真正“無(wú)人”的困難，所以Google后來(lái)就不使用了這款車型了。
上圖則是Google現(xiàn)在的自動(dòng)駕駛車，他們的硬件技術(shù)思路是，硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)都自主完成。其中硬件部分包含傳感器、計(jì)算平臺(tái)、信號(hào)方案、供電等等，都是Google自主定制的。
綜合自動(dòng)駕駛車外形變化歷史來(lái)看，普通車和自動(dòng)駕駛車最大的區(qū)別就是自動(dòng)駕駛車上裝載了各種各樣的傳感器。
一輛自動(dòng)駕駛車輛(Autonomous Driving Vehicle, ADV) 一般都配有以下這些傳感器：Lidar 激光雷達(dá)， Video Cameras 相機(jī)， GNSS/IMU 定位系統(tǒng)。
相機(jī)大家都見過(guò)，我就不介紹了。下面我簡(jiǎn)單說(shuō)一下Lidar和GNSS/IMU這兩種傳感器。
激光雷達(dá)（Lidar）是做自動(dòng)駕駛必備的傳感器，上圖展示了Velodyne HDL64 掃描的結(jié)果。這是一款機(jī)械式激光雷達(dá)，總共會(huì)有64條掃描線，它具備測(cè)量精確距離的能力。
比較常用的GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)包括：GPS、BeiDou、Galileo、GLONASS，由于GNSS更新速率較慢，單獨(dú)使用無(wú)法滿足要求，所以還需要有IMU（慣性測(cè)量單元）支持，它的更新速率較快。GNSS和IMU結(jié)合，可以滿足自動(dòng)駕駛要求。
至于計(jì)算平臺(tái)，根據(jù)計(jì)算量的不同，計(jì)算平臺(tái)的復(fù)雜程度也各不相同。另外，越復(fù)雜的計(jì)算平臺(tái)耗電量越大，所以也需要安裝散熱系統(tǒng)。
下面兩幅圖，分別展示了Google和Uber自動(dòng)駕駛車輛所采用的傳感器等硬件設(shè)備，包含激光雷達(dá)、相機(jī)、毫米波雷達(dá)、散熱系統(tǒng)等。
2.自動(dòng)駕駛硬件技術(shù)上的挑戰(zhàn)
正如前面所說(shuō)，一輛實(shí)現(xiàn)L4級(jí)自動(dòng)駕駛功能的無(wú)人車無(wú)法離不開硬件技術(shù)的支持。也因此，自動(dòng)駕駛是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，除了出色的軟件系統(tǒng)，也需要關(guān)注硬件設(shè)備在機(jī)械方面和電子方面的要求和挑戰(zhàn)。
機(jī)械方面
首先是自動(dòng)駕駛車的“顏值”，這是人們?cè)谝曈X上最直接的反饋。如果一輛車的外觀不夠吸引人和賞心悅目，它在市場(chǎng)上就可能缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。
其次，傳感器的增加需要滿足尺寸和重量的限制。例如，絕大多數(shù)地下停車場(chǎng)限高2.2m，這就要求車頂加裝雷達(dá)后的車輛高度最好不要超過(guò)2.2米。絕大多數(shù)車頂承重不能超過(guò)50-60公斤，以及后備箱空間也有限制等等。
第三，溫度范圍也有要求。因?yàn)檐噧?nèi)溫度的變化比較大，所以對(duì)車載電子設(shè)備的溫度適應(yīng)能力要求比較高。在儀表盤上使用的設(shè)備溫度要求范圍是-40攝氏度到+90攝氏度，而在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的要求是-40攝氏度到+125攝氏度。
第四，熱量管理。這既包括散熱問(wèn)題，也要考慮嚴(yán)寒天氣的適應(yīng)能力和另外加熱的問(wèn)題。
第五，沖擊和振動(dòng)。車輛在行駛的過(guò)程中，免不了會(huì)產(chǎn)生的或弱或強(qiáng)的沖擊和振動(dòng)，這也成為硬件技術(shù)需要解決的任務(wù)。
最后一點(diǎn)，防水與環(huán)境防護(hù)。自動(dòng)駕駛對(duì)精度和敏感度的要求極高，這也要求硬件團(tuán)隊(duì)能夠針對(duì)各種類型天氣和環(huán)境采取相應(yīng)的解決方案，提高應(yīng)對(duì)能力，以達(dá)到安全和穩(wěn)定性的要求。
這些天氣和環(huán)境包含：
◆ 鹽的腐蝕性（例如海濱城市內(nèi)吹拂的海風(fēng)中往往含有鹽份，并具有腐蝕性。）
電子方面
自動(dòng)駕駛采用的硬件設(shè)備在電子方面也有許多注意事項(xiàng)和要求。
首先，溫度條件?；谟布O(shè)備類型，一般可以分為五種溫度要求：
◆ 軍用級(jí)：-55℃~125℃
其次，應(yīng)對(duì)惡劣的環(huán)境，包括沖擊、振動(dòng)、防水、自然環(huán)境等。
第三，供電能力有限的挑戰(zhàn)。絕大部分車輛的供電功率少于1KW，好一點(diǎn)的車型可以做到1.5KW，除非像Waymo一樣自己改造供電，可以做到3KW供電能力。
最后，惡劣的電磁環(huán)境的挑戰(zhàn)。這種環(huán)境下，自動(dòng)駕駛的硬件技術(shù)需要做好抗干擾。
3、自動(dòng)駕駛相關(guān)工程領(lǐng)域
前面也提到過(guò)，自動(dòng)駕駛是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。除了與感知、地圖、定位、規(guī)劃與控制有關(guān)的軟件模塊，了解與自動(dòng)駕駛有關(guān)的工程領(lǐng)域，能更好幫助從業(yè)者認(rèn)識(shí)這個(gè)行業(yè)。
第一個(gè)領(lǐng)域自然是機(jī)械工程，涉及以下幾個(gè)重要領(lǐng)域：
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 熱管理，即把產(chǎn)生的熱量排出去 沖擊和振動(dòng)防護(hù) -
防水/環(huán)境防護(hù)（灰塵、濕度、鹽等）
第二個(gè)相關(guān)領(lǐng)域是電氣工程，包括：
設(shè)計(jì)電子器件和電路
電力供應(yīng)：配電、故障檢測(cè)和保護(hù) -
EMI/EMC（電磁干擾/兼容性）
第三是車輛工程與控制工程領(lǐng)域，一般涉及：
DBW（Drive By Wire）：線控驅(qū)動(dòng) 通信/CAN（控制器局域網(wǎng)總線）協(xié)議 Vehicle Kinetics and Dynamics（車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)） -
動(dòng)力系統(tǒng)
4、小馬智行自動(dòng)駕駛系統(tǒng)PonyAlpha
了解了整個(gè)自動(dòng)駕駛硬件技術(shù)的背景和挑戰(zhàn)，這一部分我想為大家介紹小馬智行研發(fā)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)和硬件平臺(tái)。
目前，小馬智行已經(jīng)迭代了三代自動(dòng)駕駛硬件平臺(tái)。
2017年4月，小馬智行打造了第一臺(tái)自動(dòng)駕駛測(cè)試車（上圖），第一代硬件平臺(tái)采用的傳感器包括了Velodyne HDL64的激光雷達(dá)。照片里站在車旁的分別為小馬智行兩位聯(lián)合創(chuàng)始人CEO彭軍（右）和CTO樓天城（左）。
第二代平臺(tái)采用了32線激光雷達(dá)，傳感器的體積明顯縮小。第三代方案則是去年9月在世界人工智能大會(huì)上發(fā)布的PonyAlpha。
在近三年的時(shí)間里（編者注：該場(chǎng)技術(shù)演講發(fā)生在7月6日），Pony已經(jīng)在三種不同的車型上搭載小馬智行自動(dòng)駕駛軟硬件平臺(tái)，分別包括上圖左側(cè)的廣汽傳祺電動(dòng)車、中間林肯MKZ、右側(cè)的比亞迪秦（編者注：今年8、9、10月，小馬智行分別宣布在豐田雷克薩斯RX、廣汽Aion LX和現(xiàn)代Kona SUV搭載了小馬智行自動(dòng)駕駛軟硬件方案）。
PonyAlpha硬件平臺(tái)有三個(gè)組成部分：車頂模塊，后備箱模塊和毫米波雷達(dá)。
毫米波雷達(dá)部分相對(duì)比較簡(jiǎn)單，這里就不介紹了。先說(shuō)第一個(gè)組成部分：車頂模塊。車頂安裝了許多傳感器，主要負(fù)責(zé)解決自動(dòng)駕駛的感知問(wèn)題。我們要求傳感器（感知系統(tǒng)）的覆蓋范圍為360°全景，并且長(zhǎng)距離（200m），因此采用了6個(gè)相機(jī)，包括廣角和中長(zhǎng)焦相機(jī)。另外還有3個(gè)激光雷達(dá)（探測(cè)距離在100m~200m）。
從左前方向的視角觀察硬件平臺(tái)：頂部的柱體是32線主激光雷達(dá)，16線激光雷達(dá)放在側(cè)面，正前方采用三個(gè)攝像頭，左側(cè)面安裝了一個(gè)攝像頭。
這是左后方的視角：安裝了GPS天線，有朝后看的攝像頭，也可以看到32線主激光雷達(dá)。
整體來(lái)看，Ponyalpha車頂模塊包括：
◆車頂外殼起到了裝飾罩的作用，也改善了空氣動(dòng)力學(xué)性能，并為傳感器提供保護(hù)。
硬件平臺(tái)第二組成部分則是后備箱模塊。后備箱模塊一般包含以下子功能：
第一是車輛集成硬件，包括PDS（Power Distribution System配電系統(tǒng)）和直流/直流轉(zhuǎn)換器。
第二是計(jì)算堆棧，包括硬盤、計(jì)算單元（CPU、GPU和FPGA）和傳感器接口。
第三是通信設(shè)備，包括4G/5G路由器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、以及和車輛通信的接口。
5、結(jié)論
關(guān)于自動(dòng)駕駛硬件技術(shù)的分享到了這里，最后做一個(gè)總結(jié)。
自動(dòng)駕駛技術(shù)研發(fā)確會(huì)面臨許多硬件挑戰(zhàn)，從機(jī)械類（結(jié)構(gòu)、熱、沖擊/振動(dòng)、環(huán)境）到電氣（溫度范圍寬、惡劣環(huán)境、功率有限）再到安全第一的目標(biāo)。
也因此這個(gè)行業(yè)需要許多硬件工程師投入其中，解決這些挑戰(zhàn)，比如機(jī)械工程師，電氣工程師，控制工程師，嵌入式軟件工程師，傳感器工程師（ISP、攝像頭、激光雷達(dá)、雷達(dá)、GNSS/IMU）等。
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