详解设计无人驾驶汽车全自动系统的五大挑战

无人驾驶汽车——这一概念在过去的八到十年里大肆宣传。尽管早在五十年前，人们就已经在这个问题上做了很多研究，但关于如何让汽车自己学习，然后能够自己驾驶的研究已经完成。

今天，我们看到在人类监督下，在可控环境中，在良好的道路和环境条件下，在无人驾驶汽车上进行了大量实验，但在设计全自动汽车方面存在一些挑战。道路上“无人驾驶”车辆的整个概念引起了社会各阶层的好奇。现在还没有多少人相信有这种可能性，或者很快就会有这种可能性。

为什么不应该这样呢？驾驶功能中有很多运动参数需要同时处理和控制。即使是一次故障也可能是灾难性的。实际上，自动驾驶没有绝对的黑色或白色。大致有五个不同的级别可以定义自动化的级别。在基本层面上，有人（驾驶员）控制所有功能，如刹车、转向、油门、动力等。

01 其他级别简介

第1级：大多数功能仍然由人（驾驶员）控制，但某些特定功能（如转向或加速）可以由汽车自动完成。

第2级：在第2级中，至少有一个使用驾驶环境信息的转向和加速/减速驾驶员辅助系统是自动的，例如巡航控制和车道定心。因此，驾驶员开始脱离实际操作车辆，手离开方向盘，脚离开踏板。然而，在这种情况下，驾驶员仍应保持警惕，必须随时准备控制车辆。

第3级：3级汽车仍然需要人工驾驶，但在某些交通或环境条件下，可以将安全关键功能完全转移到汽车上。这意味着驾驶员仍在现场，并将在必要时进行干预，但无需以与前一级别相同的方式监控情况。

第4级：第4级是指“完全自主”。第4级车辆“设计用于执行所有安全关键的驾驶功能，并在整个行程中监控道路状况。”然而，这同样限于车辆的操作设计领域（ODD），这意味着它不涵盖所有驾驶场景。

第5级：这一级是指一个完全自主的系统，在该系统中，预计车辆的性能与人类驾驶员的性能相当，在每个驾驶场景中，包括在不久的将来不太可能由无人驾驶车辆导航的土路等极端环境中。

现在是真正的挑战。如何设计自动/无人驾驶车辆系统，该系统能够在所有可能的条件下像人一样处理车辆性能。自动驾驶车辆通常是传感器和执行器、复杂算法和执行软件的强大处理器的组合。有数百个这样的传感器和执行器，它们位于车辆的各个部分，由一个高度复杂的系统驱动。

02 感知系统可以分为三个不同的部分

导航和指引：确定您所在位置、想去哪里以及如何到达那里的系统。罗盘、六分仪、LORAN无线电定位和航位推算等仪器和技术已被使用，具有不同程度的准确性、一致性和可用性。

驾驶和安全：指导车辆，确保车辆在任何情况下都能正常行驶，并遵守道路规则。自动驾驶汽车必须能够在前进时看到和解释前方的情况（当然，在倒车时也能看到和解释后方的情况）。还有必要看看两边是什么；换句话说，它需要360度⁰ 看法显然，可以选择一组摄像机，用摄像机确定车道的位置，并感知道路上的物体或标记。

性能：管理汽车的内部系统，自动驾驶汽车设计的很大一部分涉及到诸如电源管理之类的日常问题。传统车辆上添加了几个特定于应用的独特电路板和子系统，以提供自主操作所需的功能。许多系统级操作涉及测量和管理电源需求，以控制电源、总体消耗和散热。

03 自动驾驶汽车的五大挑战

今天，经过50多年的不断研发，我们看到无人驾驶汽车已经成为现实。尽管如此，在为无人驾驶汽车设计一个完全自主的系统方面仍有很多挑战。

1.道路条件

道路状况可能高度不可预测，并且各地情况各异。在某些情况下，有平坦且有标志的宽阔公路。在其他情况下，道路状况严重恶化——没有车道标记。车道未定义，存在坑洼、山区和隧道道路，这些道路的外部方向信号并不十分清晰，同样如此。

2.天气条件

天气状况又是一大败笔。可能有晴朗的天气，也可能有雨天和暴风雨天气。自动驾驶汽车应能在各种天气条件下工作。绝对没有故障或停机的余地。

3.交通条件

自动驾驶汽车必须在各种交通状况下行驶在公路上。他们必须与其他自动驾驶汽车一起在路上行驶，同时，还会有很多人。无论什么地方涉及到人类，都会涉及到很多情感。交通可以高度缓和和自我管理。但经常有人违反交通规则的情况。对象可能在意外情况下出现。在交通密集的情况下，即使每分钟移动几厘米也很重要。人们不能无休止地等待交通自动疏通，并有一些先决条件开始移动。如果道路上有更多这样的车辆等待交通疏通，最终可能导致交通僵局。

4.事故责任

自动驾驶汽车最重要的方面是事故责任。谁对自动驾驶汽车造成的事故负责？对于自动驾驶汽车，软件将是驱动汽车的主要组件，并将做出所有重要决策。虽然最初的设计有一个人在方向盘后面，但谷歌展示的新设计没有仪表板和方向盘！在这样的设计中，如果汽车没有方向盘、制动踏板、油门踏板等任何控制装置，那么在发生意外事故时，车内人员应该如何控制汽车？此外，由于自动驾驶汽车的性质，乘客大多处于放松状态，可能不会密切关注交通状况。在需要他们注意的情况下，到他们需要采取行动的时候，避免这种情况可能为时已晚。

5.雷达干扰

自动驾驶汽车使用激光和雷达导航。激光器安装在车顶上，而传感器安装在车身上。雷达的工作原理是探测周围物体的无线电波反射。在路上，汽车会不断发出无线电频率ncy波，从周围的汽车和道路附近的其他物体反射。

测量反射所用的时间，以计算汽车和物体之间的距离。然后根据雷达读数采取适当措施。雷达的工作原理是通过探测周围物体的无线电波反射。

当在路上时，汽车会不断发射射频波，这些射频波会从周围的汽车和道路附近的其他物体反射回来。测量反射所用的时间，以计算汽车和物体之间的距离然后根据雷达读数采取适当措施。

当这项技术用于道路上数百辆车辆时，一辆车能否区分自己的（反射）信号和另一辆车的（反射或传输）信号？即使有多个无线电频率可用于雷达，此频率范围不太可能不适用于所有制造的车辆。

04 自动驾驶汽车挑战结论

即使在今天，在道路上推出自动驾驶汽车时，训练算法仍然面临许多挑战。但来自不同学科的科学家、工程师和问题解决者的决心也是如此。

行业的共同努力必将使道路上的自动驾驶汽车有一天成为现实，而且收益将是巨大的。它不仅将节省燃料，鼓励高效运输和共享服务，而且还将有助于挽救许多经常在道路事故中丧生的生命。