無(wú)人駕駛車輛真要跑起來(lái)，需要解決感知、決策和執(zhí)行等層面的技術(shù)問(wèn)題。感知系統(tǒng)也稱為“中層控制系統(tǒng)”，負(fù)責(zé)感知周圍的環(huán)境，并進(jìn)行識(shí)別和分析；決策系統(tǒng)也稱為“上層控制系統(tǒng)”，負(fù)責(zé)路徑規(guī)劃和導(dǎo)航；執(zhí)行系統(tǒng)又稱為“底層控制系統(tǒng)”，負(fù)責(zé)汽車的加速、剎車和轉(zhuǎn)向。本文以“感知—決策—執(zhí)行”的順序呈現(xiàn)，是因?yàn)檫@樣更加符合人類的駕駛模式。如，先看看前面——綠燈、周圍無(wú)行人——收集信息；然后做出決策——可以通行；最后執(zhí)行決策——開(kāi)過(guò)十字路口。

自動(dòng)駕駛的感知系統(tǒng)

感知系統(tǒng)的輸入設(shè)備具體包括光學(xué)攝像頭、光學(xué)雷達(dá)（LiDAR）、微波雷達(dá)、導(dǎo)航系統(tǒng)等。這些傳感器收集周圍的信息，為感知系統(tǒng)提供全面的環(huán)境數(shù)據(jù)。

光學(xué)攝像頭是目前最便宜也是最常用的車載傳感器，它的一大優(yōu)點(diǎn)就是可以分辨顏色，因此也成為場(chǎng)景解讀的絕佳工具。但其缺點(diǎn)也很明顯：1.缺乏“深度”這一維度，沒(méi)有立體視覺(jué)就無(wú)法判斷物體和相機(jī)（可以換算為車輛）間的距離；2.對(duì)光線過(guò)于敏感，過(guò)暗或過(guò)強(qiáng)的光線以及二者之間的快速切變，比如駛?cè)牒婉偝鏊淼蓝甲阋杂绊懰某上瘛?/p>

激光雷達(dá)，即利用激光來(lái)進(jìn)行探測(cè)和測(cè)量。其原理是向周圍發(fā)射脈沖激光，遇到物體后反射回來(lái)，通過(guò)來(lái)回的時(shí)間差，計(jì)算出距離，從而對(duì)周圍環(huán)境建立起三維模型。激光雷達(dá)探測(cè)精度高、距離長(zhǎng)；由于激光的波長(zhǎng)短，所以可以探測(cè)到非常微小的目標(biāo)，并且探測(cè)距離很長(zhǎng)。微波雷達(dá)的原理和激光雷達(dá)類似，不過(guò)它發(fā)射的是無(wú)線電波而不是激光。微波雷達(dá)精度不及激光雷達(dá)，但勝在價(jià)格低、體積小，在某些車輛行駛輔助系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)，精度低反過(guò)來(lái)又成了微波雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗^大的波長(zhǎng)可以穿透霧、煙、灰塵等激光雷達(dá)難以穿透的障礙，較好免疫惡劣天氣。

光學(xué)攝像頭和雷達(dá)測(cè)量在感知環(huán)境中相輔相成，共同為無(wú)人駕駛車輛提供完整、準(zhǔn)確的外部信息。有了“眼睛”接收信息，接下來(lái)就是利用深度學(xué)習(xí)等手段對(duì)信息進(jìn)行識(shí)別。將多種傳感器的信息相互融合并不是一件容易的事情，可以利用韋伯斯的誤差反向傳播算法和先進(jìn)的數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)對(duì)外界事物進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。

自動(dòng)駕駛的感知系統(tǒng)不僅包括它的“眼睛”，還包括它的“大腦”——高精度地圖。人類駕駛者會(huì)調(diào)用記憶中熟悉的道路場(chǎng)景來(lái)輔助駕駛，自動(dòng)駕駛也會(huì)通過(guò)高精度地圖獲取必要的環(huán)境信息特別是相對(duì)固定、更新周期較長(zhǎng)的信息，如交通信號(hào)燈（請(qǐng)注意，這里是指物理的“燈”本身而非“燈的信號(hào)”即紅、黃、綠）、車道標(biāo)記、路緣等。這些信息還可以與傳感器所獲得的“即時(shí)信息”相印證，從而實(shí)現(xiàn)“多傳感器融合”的效果，就像我們走路，不僅會(huì)用眼睛看前面的路，還會(huì)用耳朵聽(tīng)身后的車，甚至?xí)帽亲勇劼愤吺称返昀锏南銡庖粯印Ｒ虼耍詣?dòng)駕駛?cè)ァ案兄钡牟粌H僅是“眼睛”，也是“大腦”。

自動(dòng)駕駛的決策系統(tǒng)

自動(dòng)駕駛決策系統(tǒng)負(fù)責(zé)路線規(guī)劃和實(shí)時(shí)導(dǎo)航，這里主要涉及高精度地圖，又稱“高清數(shù)字地圖”。無(wú)人駕駛汽車用的并不是普通的導(dǎo)航地圖，它在精確度和信息量上與普通地圖差別很大，因而被稱為“高精度地圖”。普通地圖比較粗糙——因?yàn)槲覀內(nèi)祟惖恼J(rèn)知能力足以“腦補(bǔ)”，通過(guò)簡(jiǎn)單的二維線條的表示就知道了道路的走向，線條的交叉點(diǎn)表示十字路口——這讓目前的機(jī)器來(lái)“腦補(bǔ)”就太難了。高清數(shù)字地圖的精度一般在厘米級(jí)，而且是立體三維的，包含車道線、周圍設(shè)施的坐標(biāo)位置等行車輔助信息。與人類當(dāng)前使用的電子地圖相比，自動(dòng)駕駛的高精度地圖還有一個(gè)重要差異在于，高精度地圖會(huì)收集道路激光雷達(dá)的反射強(qiáng)度——這是一個(gè)對(duì)人類駕駛者幾無(wú)價(jià)值而對(duì)“人工智能駕駛員”意義重大的道路特征，它變化很慢而且小，是幫助自動(dòng)駕駛車輛光學(xué)雷達(dá)定位的一個(gè)理想特征值。通過(guò)光學(xué)雷達(dá)掃描獲取的信息跟已知的高精度地圖信息對(duì)比，就可以確定當(dāng)前車輛的位置。

自動(dòng)駕駛的決策系統(tǒng)不僅需要獨(dú)立的“智能車輛”，也需要“智能交通系統(tǒng)”的支持，如V2V等。在高精度地圖之外，另一個(gè)支持路徑規(guī)劃的技術(shù)是V2X，一般認(rèn)為它是在V2I的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。V2X意指將車輛和環(huán)境形成一個(gè)“物聯(lián)網(wǎng)”，包括車對(duì)車、車對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施，以及車對(duì)行人等一系列通信系統(tǒng)。如果車輛能夠直接“得到”，而不僅僅是“看到”信號(hào)燈的信息，就能保證絕對(duì)不闖紅燈。這里“得到”的意思是，比如在離交通燈還有100米、傳感器還“看不到”的時(shí)候，信號(hào)燈就主動(dòng)“告訴”車輛自己的信號(hào)狀態(tài)及變化時(shí)長(zhǎng)，自動(dòng)駕駛車輛無(wú)需直接“看清”信號(hào)燈的內(nèi)容（“看清”有時(shí)是很不容易的事情，大雨、暴雪天氣，狂風(fēng)刮起的塑料袋，以及大貨車的遮擋，都足以讓車輛的攝像頭“看不見(jiàn)”交通信號(hào)燈）。此外，如果能夠提前得知周圍車輛的行車意圖，就能夠很大程度上避免事故的發(fā)生。

有了高精度數(shù)字地圖和V2X通信網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)就可以應(yīng)用搜索算法評(píng)估各種駕駛行為所花費(fèi)的成本，包括信號(hào)燈等待時(shí)間、道路擁堵情況、路面維修情況等，以此獲得最佳行駛路徑。

自動(dòng)駕駛的執(zhí)行系統(tǒng)

執(zhí)行系統(tǒng)也是底層控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)執(zhí)行汽車的剎車、加速、轉(zhuǎn)向的具體操作。工程師們通過(guò)特制的“線控裝置”控制方向盤和油門，取代人類司機(jī)的手和腳，并配置多個(gè)處理器組成的子系統(tǒng)，以此來(lái)穩(wěn)定、準(zhǔn)確地控制汽車的機(jī)械系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)，包括引擎控制單元（ECU）、制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（ABS）、自動(dòng)變速箱控制系統(tǒng)（TCU）等，它們通過(guò)一個(gè)“總線”來(lái)進(jìn)行內(nèi)部通信，在汽車中稱作CAN總線協(xié)議。

CAN總線最關(guān)鍵的地方在于帶寬（bandwidth）和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。帶寬是指數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)淖畲笏俾剩ǔＲ悦棵攵嗌賐its為單位來(lái)計(jì)算。對(duì)于無(wú)人駕駛汽車來(lái)說(shuō)，精準(zhǔn)的控制和快速響應(yīng)至關(guān)重要，這意味著要提高總線帶寬的傳輸速度，對(duì)需要處理龐大數(shù)據(jù)的無(wú)人駕駛系統(tǒng)而言存在較高挑戰(zhàn)。同時(shí)處理各個(gè)傳感器傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)流時(shí)，帶寬有時(shí)會(huì)面臨挑戰(zhàn)，系統(tǒng)速度會(huì)大為下降。對(duì)整個(gè)反應(yīng)執(zhí)行過(guò)程而言，CAN總線的響應(yīng)時(shí)間變得很慢，這在實(shí)際駕駛中是不能接受的。其次，控制的平滑性也影響乘客體驗(yàn)。此外，作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩砸膊蝗莺鲆暎绻?a target="_blank">黑客成功攻擊了CAN總線，就能對(duì)汽車進(jìn)行控制。因此，提高底層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的防御能力和網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)性非常重要。

通過(guò)以上感知、決策與執(zhí)行三個(gè)系統(tǒng)分工合作，責(zé)任明確地控制汽車的運(yùn)行，就可以使無(wú)人駕駛汽車具備理論上“行駛”的條件。但正如《無(wú)人駕駛》一書作者胡迪·利普森和梅爾巴·庫(kù)曼所指出的，“雖然這種技術(shù)幾近準(zhǔn)備就緒，但是這一獨(dú)特技術(shù)所依存的社會(huì)環(huán)境可能還未準(zhǔn)備妥當(dāng)”。比如，相關(guān)立法較為滯后。然而，由于效率和安全方面的優(yōu)勢(shì)，我們有理由相信：無(wú)人駕駛的時(shí)代終將到來(lái)。