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关于行研中自动驾驶汽车需要知道的基本概念

2021-11-03 14:09:19

【导读】本文主要从三个部分来阐述自动驾驶汽车的基本概念,第一部分是对自动驾驶汽车的定义及好处阐述,了解什么是自动驾驶汽车,为什么会发展自动驾驶汽车;第二部分是自动驾驶分级标准的详细解释(主要涵盖SAE和NHTSA),了解主流两个标准的重要内容和对比,以及当下世界各企业自动驾驶的发展阶段;第三部分是从行车安全性来看自动驾驶的发展时间轴和主要玩家。同时,本文也是研究百度重新梳理战略打造“人工智能”和“自动驾驶”双核心战略的补充研究文件。

一、自动驾驶汽车的定义

       自动驾驶包含的不仅仅是汽车,还包括飞机、火车、船的其它交通工具,这里界定清楚自动驾驶汽车的定义,是一种通过电脑系统实现无人驾驶的智能汽车。自动驾驶汽车依靠人工智能、视觉计算、雷达、监控装置和全球定位系统协同合作,让电脑可以在没有任何人类主动的操作下,自动安全地操作机动车辆。为了更好地理解自动驾驶,其实区分成两个定义更好理解,驾驶辅助自动驾驶。驾驶辅助(英文对应为:autopilot)是一个用来控制载具而无需人工一直干预的系统,重点是“一直干预”,说明关键性的决策需要人类做出干预;自动驾驶(英文对应为:autonomous car)是能自动感应周围环境并且无需人干预而自动导航的载具,主要强调无需人类干涉


二、自动驾驶的好处

         NHTSA(美国公路交通安全管理局 National Highway Traffic Administration)在官网列举了四条自动驾驶技术的发展好处,仔细看的话这四条可以分解成很多条,但作为总体概括这四条却几乎涵盖了自动驾驶技术相对于现在驾驶能带来的所有好处,符合麦肯锡的“MECE”原则(相互独立,完全穷尽)。

1SAFETY  安全性

        目前每年94%的严重车祸是人为错误操作造成的,而自动驾驶则可以避免这一问题,提升出行的安全性。

2ECONOMIC AND SOCIETAL BENEFITS  经济和社会效益

        2010年汽车事故造成8360亿美元的经济损失,其中包括2420亿经济成本5940亿医疗费用,减少事故可以减少这些成本。

3EFFICIENCY AND CONVENIENCE 效率和便捷性

      美国2014年浪费在交通拥堵的时间为69亿小时,增加了能源的消耗和废气的排放,而智能驾驶每天可以节约50分钟,能大大提升时间和能源的有效利用。

4MOBILITY 移动性

      可以帮助那些年龄65以上,以及行动不便利的人打破出行的限制,这种需求一是提高整体社会的自由度和移动性,二是促进经济发展


三、自动驾驶分级标准演变

     自动驾驶的标准有个发展历程,世界主流的两个分级分别是NHTSA(美国公路交通安全管理局)和SAE(国际汽车工程师协会)这两个机构的分级制度,下面从时间轴上来看看这个分级标准的变化历程:

       2013年,NHTSA先行发布了自动驾驶汽车的分级标准,将自动驾驶描述为4个等级,分别为L1-L4,还包括一个L0无自动化驾驶,一共5个等级,成为行业标准;

       2014SAE制定自动驾驶汽车分级标准,将自动驾驶分为5个等级,分别为L1-L5,包括L0无自动化驾驶,一共6个等级;

       2016年,。这项旨在引导自动驾驶技术进步、促进自动驾驶汽车合理布局的政策抛弃了NHTSA之前提出的分级标准,宣布将采用在世界范围应用更加广泛的SAE分级标准,SAE标准成为行业标准;

      ,主要是考虑到SAE对分级的说明更加详细、描述更为严谨,且更好地预见到了自动驾驶汽车的发展趋势         

       提前在这里解释一下SAE相比NHTSA的优势在什么地方:

         1、更严谨,更详细体现在: SAE和NHTSA的L1L2两级内容基本相同,但细节上,SAE的提出L1是对方向盘(横向)或者加减速(纵向)其中一项提供驾驶支援,而L2是同时对横向、纵向两项提供驾驶支援;而NHTSA表述中,L1是具有一个或多个自动控制功能,L2是至少两个原始控制功能融合一起实现的系统。从数字的表述中,明显能看出SAE的表述更具体,界限比较清晰

         2、预见未来发展趋势体现在:SAEL4L5两级NHTSAL4是一个级别,这两个的L4都已经实现全部自动驾驶功能,完全可以不用驾驶员的介入,但车辆还是有驾驶员介入的可能性,具备人工控制系统,但SAE的L5对现有自动驾驶概念有点拔高,L5是真正的无人驾驶而不只是自动驾驶,车不需要考虑人接管驾驶的可能性,可以没有方向盘、油门等由人介入操作的工具,相比NHTSA确实更好地遇见未来自动驾驶汽车的发展趋势。


四、NHTSA分级制度


       美国高速公路安全管理局(NHTSA)是美国政府部门汽车安全的最高主管机关。作为美国政府部门车辆安全监管的权威性机构,承担着确保各类车辆必须符合机动车安全法规要求的重要职责。NHTSA主要是通过测定模拟人所承受的全面双向(正面和侧面)撞击,进行车辆安全性五颗星级的评定。NHTSA制度(美国公路交通安全管理局 National Highway Traffic Administration)颁布,主要有5个级别,1个无自动驾驶级别,和4个自动驾驶级别。

Level 0  No-Automation(无自动驾驶):

【定义】完全由驾驶员时刻操控汽车的行驶,包括制动、转向、油门以及动力传动。(The driver is in compete and sole control of the primary vehicle controls- brake, steering, throttle, and motive power- at all times

【特点】只有环境感知,功能目的是辅助增强驾驶员对环境和危险的感知能力。

【汽车功能】1.夜视 Night Vision(NV)

                    2.行人检测 Pedestrian Detection (PD)   

                    3.交通标志识别 Traffic Sign Recognition (TSR)   

                    4.车道偏离警告 Lane Departure Warning (LDW)   

                    5.盲点监测 Blind Spot Detect (BSD)   

                    6.后排平交路口交通警报 Rear-Cross Traffic Alert (RCTA)   

 

Level 1 Function-specific Automation具有特定功能的自动驾驶)

【定义】该层次汽车具有一个或多个特殊自动控制功能,例如电子稳定性控制(ESC)、自动紧急制动(AEB)等,车辆通过控制制动帮助驾驶员重新掌控车辆或是更快速的停车。(Automation at this level involves one or more specific control functions. Examples include electronic stability control or pre-charged brakes, where the vehicle automatically assists with braking to enable the driver to regain control the vehicle or stop faster than possible by acting alone)

【特点】此项是大部分公司目前在做的,大部分的功能都是单独一个ECU来开发。在ACC情况下,油门和刹车不用;在AEB情况下,刹车可不用(这里不刹车不代表不碰撞,伤害小一些)。

【汽车功能】1.自适应巡航控制系统 Adaptive Cruise Control (ACC)  (当与前车之间的距离过小时,ACC控制单元可以通过与制动防抱死系统、发动机控制系统协调动作,使车轮适当制动,并使发动机的输出功率下降,以使车辆与前方车辆始终保持安全距离 )

2.自动紧急制动 Automatic Emergency Braking (AEB)

 

Level 2 Combined Function Automation具有复合功能的自动驾驶)

【定义】该层次汽车具有将至少两个原始控制功能融合在一起实现的系统(如自适应巡航控制与车道保持融合一体),完全不需要驾驶员对这些功能进行控制,但驾驶员需要一直对系统进行监视并准备在紧急情况时接管系统。(This level involves automation of at least two primary control function designed to work in unison to relieve the driver of control of those functions. An example of combined functions enabling a Level 2 system is adaptive cruise control in combination with lane centering)

【特点】系统需要进行融合,需要两个ECU进行配合,系统之间进行高度耦合。驾驶员只要用眼睛观察就行,在某些时候车辆自己可以运行。

【汽车功能】兼具Level 1的功能,并能同时使用两种以上功能,有代表性的还有自动泊车 Self-park

 

Level 3 Limited Self-driving Automation具有限制条件的无人驾驶)

【定义】该层次汽车能够在某个特定的驾驶交通环境下让驾驶员完全不用控制汽车,而且可以自动检测环境的变化以判断是否返回驾驶员驾驶模式,驾驶员无需一直对系统进行监视,可称之为“半自动驾驶”。目前,谷歌无人驾驶汽车基本处于这个层次。(Vehicles at this level of automation enable the driver to cede full control of all safety-critical functions under certain traffic or environmental conditions and in those conditions to rely heavily on the vehicle to monitor for changes in those conditions requiring transition back to driver control. The driver is expected to be available for occasional control, but with sufficiently comfortable transition time. The google car is an example of limited self-driving automation)

【特点】系统在某些条件下完全负责整个车辆的操控了,当遇到问题时将决策权交由驾驶者。

【汽车功能】交通堵塞辅助Traffice jam assist,这是新款Audi A8主推的一个功能


Level 4 Full Self-driving Automation全工况无人驾驶)

【定义】该层次系统完全自动控制车辆,全程检测交通环境,能够实现所有的驾驶目标,乘员只需提供目的地或者输入导航信息,在任何时候都不需要乘员对车辆进行操控,可称之为“全自动驾驶”或者“无人驾驶”。只要输入出发地和目的地,责任完全交给车辆端。(The vehicle is designed to perform all safety-critical driving functions and monitor roadway conditions for an entire trip. Such a design anticipates that the driver will provide destination or navigation input, but is not expected to be available for control at any time during the trip. This includes both occupied and unoccupied  vehicles)

【特点】驾驶员变为乘客,全程不需要参与驾驶过程


五、SAE分级制度:

      SAE International(国际汽车工程师协会,Society of Automotive Engineers International )是一个致力于发展机动工程技术,以更好地服务人类的非赢利性学术组织。SAEInternational于1905年成立,前称为Society of Automotive Engineers,旨在通过帮助汽车制造商解决普遍存在的问题,促进行业发展。SAE International 分级制度,是现在世界的自动驾驶汽车的行业标准,这个分级制度一共有6个级别,包括1个无自动化和5个自动化级别。

 

L0 No Automation无自动化)

【定义】由人类驾驶者全权操作汽车,在行驶过程中可以得到警告和保护系统的辅助。(Zero autonomy; the driver performs all driving tasks)

【特点】只有环境感知,功能目的是辅助增强驾驶员对环境和危险的感知能力,控制权完全在驾驶员身上。

【汽车功能】1.夜视 Night Vision(NV)

                    2.行人检测 Pedestrian Detection (PD)   

                    3.交通标志识别 Traffic Sign Recognition (TSR)   

                    4.车道偏离警告 Lane Departure Warning (LDW)   

                    5.盲点监测 Blind Spot Detect (BSD)   

                    6.后排平交路口交通警报 Rear-Cross Traffic Alert (RCTA)   

 

L1 Driver Assistance驾驶支援)

【定义】通过驾驶环境对放盘和加减速中的一项操作提供驾驶支援,对其他的驾驶动作都由人类驾驶员进行操作。(Vehicle is controlled by the driver, but some driving assist features may be included in the vehicle design)

【特点】这里主要理解方向盘和加减速这两项的区别,方向盘主要是改变汽车行进方向,可以理解为横向控制,就是向左右变化;加减速就是动力系统,主要决定前进和后退的速度,可以理解为纵向系统,只对其中纵向或横向其中一项提供驾驶辅助就是L1级别

纵向:ABS(自动防抱死系统:可以提高行车时,车辆紧急制动的安全系数,通过点刹防止轮胎抱死,方向盘不能转动的情况)

          ESP(电子稳定系统:ESP(Program)系统的功能是监控汽车的行驶状态,在紧急躲避障碍物或转弯时出现不足转向或过度转向时,使车辆避免偏离理想轨迹。综合ABSBAS(制动辅助系统)、ASR(加速防滑控制系统)三个系统,功能更为强大),

          ACC(自适应巡航)

横向:LKA(车道保持辅助)

 

L2 Partial Automation 部分自动化

【定义】通过驾驶环境对方向盘和加减速中的多项操作提供驾驶支援,其他的驾驶动作都由人类驾驶员进行操作。(Vehicle has combined automated functions, like acceleration and steering, but the driver must remain engaged with the driving task and monitor the environment at all times.)

【特点】L1的区别在于可以同时在横向和纵向上对汽车进行操作

 


L3 Conditional Automation 有条件自动化

【定义】由无人驾驶系统完成所有的驾驶操作。根据系统请求,人类驾驶者提供适当的应答。(Driver is an necessity, but is not required to monitor the environment. The driver must be ready to take control of the vehicle at all times with notice)

【特点】不再需要驾驶员对观察周围环境负责,但在一些特定情况需要驾驶员参与操作

 

L4 High Automation 高度自动化

【定义】由无人驾驶系统完成所有的驾驶操作。根据系统请求,人类驾驶者不一定需要对所有的系统请求作出应答,限定道路和环境条件等。(The vehicle is capable of performing all driving functions under certain conditions. The driver may have the option to control the vehicle)


L5 Full Automation 完全自动化

【定义】由无人驾驶系统完成所有的驾驶操作。人类驾驶者在可能的情况下接管。在所有的道路和环境条件下驾驶。(The vehicle is capable of performing all driving functions under all conditions. The driver may have the option to control the vehicle)

结合上面这张图来总结L0-L5的便于记忆的特点,如下图

六、自动驾驶汽车安全发展的五个时代

1950-2000    Safety/Convenience Features 安全/便利功能

Cruise Control 定速巡航按司机要求的速度合开关之后,不用踩油门踏板就自动地保持车速,使车辆以固定的速度行驶)

Seat Belts 安全带

Antilock Brakes 防抱死刹车系统可以提高行车时,车辆紧急制动的安全系数,通过点刹防止轮胎抱死,方向盘不能转动的情况)

 

2000-2010  Advanced Safety Features 高级安全功能

Electronic Stability Control 电子稳定控制

ESP(Program)系统的功能是监控汽车的行驶状态,在紧急躲避障碍物或转弯时出现不足转向或过度转向时,使车辆避免偏离理想轨迹。综合ABSBAS(制动辅助系统)、ASR(加速防滑控制系统)三个系统,功能更为强大

Blind Spot Detection 盲点检测

Forward Collision Warning 安全车距预警

Lane Departure Waring 车道偏离预警

 

2010-2016 Advanced Driver Assistance Features 高级驾驶员辅助功能 

Rearview Video Systems 倒车影像系统

Automatic Emergency Braking 自动紧急制动

Pedestrian Automatic Emergency Braking 行人自动紧急制动

Rear Automatic Emergency Braking  后自动紧急制动

Rear Cross Traffic Alert 后方交叉交通警报

Lane Centering Assist 车道居中协助

 

2016-2025  Partially Automated Safety Features 部分自动化安全功能

Lane keeping assist 车道保持辅助系统

Adaptive cruise control 自适应定速巡航

当与前车之间的距离过小时,ACC控制单元可以通过与制动防抱死系统、发动机控制系统协调动作,使车轮适当制动,并使发动机的输出功率下降,以使车辆与前方车辆始终保持安全距离。

Traffic jam assist 交通堵塞辅助

Self-park 自动泊车

 

2025+  Fully Automated Safety Features 全自动化安全功能

Highway autopilot 高速公路自动驾驶仪


       

由此可以看出,自动驾驶发展到无人驾驶阶段还有很长一段路程要走,自动驾驶行业有投资规模大,投资周期长,竞争风险高、投资回报高等行业特征


六、自动驾驶主要厂商分布情况

L4级别厂商:

      Google的Waymo,百度的Apollo以及Uber的无人驾驶都是L4自动驾驶技术的研究,它们的自动驾驶汽车有一个很明显的共同点,就是头上顶着一个大大的激光雷达。


L3级别厂商:

       目前主流汽车厂商只有奥迪新款的A8宣称达到了L3自动驾驶级别,有条件自动驾驶是指在某些特定场景下进行自动驾驶。比如全新奥迪A8在他们的宣传视频中就限定了十分常见的场景——堵车,该功能叫作Traffic Jam Pilot(交通拥堵巡航),功能描述如下:当车速小于或等于60公里/小时,用户可以启动道路拥堵状况下的自动驾驶功能。在当地法律允许的情况下,车辆会完全接管驾驶任务,直到系统通知用户再次接管。这也是目前在全球范围内,在实现量产的车型中拥有的最高级别的自动驾驶能力。

      福特、丰田、本田、宝马、沃尔沃等多家公司均提出了2020年这个时间节点,表示要在2020年左右量产能够达到SAE 3级的自动驾驶汽车。


L2.5级别厂商

       本来Tesla属于L3的,但由于那次特斯拉车主与卡车相撞的事故,特斯拉在官网将“无人驾驶”改为“辅助驾驶”,而且Elon Musk一再强调:在使用特斯拉Autopilot系统时,司机的双手一定不能离开方向盘。无论是特斯拉车内的屏幕还是驾驶手册上也都明确强调,司机必须时刻手握方向盘或者将手放在方向盘的附近区域。因此按照此标准,特斯拉的“自动驾驶”处于第2级”部分自动化“水平,只能算是由人工监控的半自动驾驶,属于辅助驾驶,而非自动驾驶。但Tesla比普通L2技术领先很多,所以暂且称为L2.5以表示区分。


L2级别厂商

      现在主流汽车厂商几乎都是L2级别厂商。


      未来自动驾驶的路径已经越来越清晰,有清晰界定的级别划分,也有大到行业小到企业针对自动驾驶技术发展的战略规划,而且行业竞争的格局也越来越明晰。不过无人驾驶技术离我们还是有很长的时间,究竟谁会是无人驾驶领域新的汽车霸主也会随着时间逐渐确定