无人驾驶汽车的起源、现状及展望

张宇航

摘 要无人驾驶汽车经过近50年的研究和发展，技术日趋成熟和完善，并将在2020年进入爆发期，交通系统的效率和安全性将得到极大提高。本文对国内外无人驾驶汽车的起源和最新发展现状进行了回顾，对关键技术进行了阐述，对后续20年无人驾驶汽车的发展进行了展望。

【关键词】无人驾驶汽车现状 关键技术 展望

无人驾驶汽车是未来智能汽车，主要利用环境感知系统来感知车辆周围环境，并根据感知所获得的道路、车辆位置和障碍物信息，控制车速和方向，从而使车辆安全、可靠地在道路上行驶。机构预测，无人驾驶可减少90%的交通事故、90%的通勤时间、90%的汽车数量、90%的能源消耗，每年能帮助减少汽车二氧化碳排放量约3亿吨。

无人驾驶汽车是汽车、人工智能与通信高度融合的产物，民用市场前景广阔，潜在军用价值巨大。是国家计算机科学、模式识别和智能控制技术水平的代表。无人驾驶汽车是影响3个10万亿市场（汽车、出行、社会效益）的革命性产业，是未来智慧城市最重要的组成部分。

1 国外无人驾驶汽车的起源及现状

国外无人驾驶汽车的研究始于20世纪70年代。美国在20世纪80年代提出ALV（自主地面车辆）计划（8轮，驾驶环境为校园，低速），同时美国卡耐基·梅隆大学、麻省理工学院等都先后开始无人驾驶汽车的研究。由于技术过于复杂，加上各种条件的限制，之后各国都将研究的重点转移到高速公路的民用车辆上。

1995年由美国卡耐基·梅隆大学研制的无人驾驶汽车，完成了横穿美国东西部5000多公里的州际高速公路试验，并获成功。2005年美国国防部举办“大挑战”比赛，美国斯坦福大学工程师们改装了一辆大众途锐多功能车，成功穿越沙漠并通过黑暗的隧道及泥泞的河床，在崎岖山道上长途跋涉近7个小时，最先到达终点。

2014年以来，无人驾驶技术和道路测试发展迅猛。2016年9月14日，四辆福特Fusion作为优步（Uber）公司无人驾驶汽车载客“首秀”，在美国宾夕法尼亚州匹兹堡市上路测试。2016年谷歌自动驾驶汽车项目独立成立新公司Waymo，谷歌Google开发的自动驾驶汽车（有员工监督）在现实世界中的路测里程累计已超过200万英里（约322万公里）。

2016年10月特斯拉宣布，所有新车的硬件都具备Autopilot 2.0“完全自动驾驶功能”的硬件系统（软件系统包含多个辅助驾驶功能），包括8个360度摄像头（视距约合250米），以及12个超声波传感器（能探测硬性和软性障碍物），一个前向雷达以及一台随机携带的新款电脑，其计算能力是之前电脑的40倍，并且新的前置雷达可以穿过雨、雾和尘埃进行监测，且装备该系统的新车价格仅增加5000～8000美元。2017年3月，特斯拉推出自动驾驶系统Autopilot 8.1，达到Level 3级有条件自动驾驶水平。特斯拉汽车在开启Autopilot模式下累计已行驶2.22亿英里（约3.57亿公里）。

2 国内无人驾驶汽车的起源及现状

我国无人驾驶汽车的研究始于20世纪80年代。1989年国防科技大学研制出我国首辆智能小车。1992年我国第一辆真正意义上的无人驾驶汽车在国防科技大学诞生。2000年6月我国第四代无人驾驶汽车在国防科技大学研制试验成功，最高时速76km/h。

2010年国防科技大学和一汽成功联合研制出红旗旗舰无人驾驶轿车，该车装备了摄像机、雷达，可以自己导航，不需要人做任何干预操作，在高速公路上行驶的最高稳定速度为130km/h，最高峰值速度为170km/h。

2015年12月初百度顺利完成无人驾驶汽车混合道路上路测试，之后宣布成立自动驾驶事业部，计划三至五年实现商用化。另外，北汽、广汽、上汽、长安、比亚迪也涉足无人驾驶汽车多年。

3 无人驾驶汽车的关键技术

无人驾驶汽车的自动驾驶系统主要包括环境感知、定位导航和控制三大系统。环境感知系统相当于驾驶员的眼睛，是用摄像头、超声波传感器、雷达等一系列部件组成的感知模块，去感知周围环境。定位导航系统相当于驾驶员的地图。控制系统相当于驾驶员的大脑和手脚，分析和处理收集来的信息，并发出指令控制速度和方向，正如驾驶员驾驶车辆一样，找到当前道路环境下的预瞄点，并控制。另外，无人驾驶汽车还需要车联网等系统的支持，以实现高效、安全运行。

要实现真正的无人驾驶，感知技术的突破是关键。2015年10月特斯拉发布软件版本7.0，该版本的自动辅助驾驶是通过图像识别为主，雷达只是辅助的手段实现，但随之也发生了两起自动辅助驾驶没能避免的致命车祸。随后软件版本8.0对感知技术方案进行了彻底改造：改为雷达识别为主，图像为辅的方式。感知周边车辆的能力是原来的6倍，识别前方障碍物的能力大大增强，类似的道路中障碍物事故没有再次出现。

特斯拉和谷歌代表两种感知技术路径。谷歌的高分辨率地图，是用其街景车和探测车测绘的，包括整个城市高精确度的经纬度以及每个位置的三维信息。之后使用雷达和高精度地图对车辆行进路线进行规划，并遵守交通规则，可以抵达该城市的任何地方，但仅限于该城市。

尽管感知技术路径不同，但目前采用的都是静态感知。而自动驾驶一定要预测下面的几秒钟甚至更长时间里会发生什么，不然没有提前量来保障行驶安全。提高感知系统的性能，目前来看主要有兩条路径，一种是让方法变得更灵活，即通过技术攻关提高对不确定性情况或因素的智能感知水平；另一种是让经验变得更可靠，看到的东西越来越多，能处理的也越来越多，经验丰富时就会判断更准确，通过已经确定的信息不断修正不确定的信息。这都有赖于深度学习的应用，而深度学习还没有进入大量应用的阶段。

4 无人驾驶汽车还需解决的其它问题

除了技术问题和公路环境（如电子路标）问题，无人驾驶还要面对来自法规和市场等方面的挑战。2017年5月德国上议院通过了一项法规，准许无人驾驶汽车在德国公路上行驶。不过，这项法规要求任何时候都需要有人类驾驶员坐在驾驶席上，以准备随时对车辆进行控制。而在美国，已有14个州颁布了自动驾驶法律。

另外，无人驾驶安全性的问题是大家最为关注的话题。美国机动工程师协会SAE L5的基本要求包括动态驾驶任务DDT，动态驾驶任务支援DDT FALLBACK，设计适用范围ODD。其中争议最大的莫过于设计适用范围（Operational Design Domain），包括系统安全运行道路类型、地理范围、速度范围、系统的操作环境（天气，白天和夜间等）、其他领域的限制。自动驾驶系统应该在设计适用范围能够安全运行，当偏离ODD时，车辆应以最小风险的状态过渡。

无人驾驶的普及化是一个缓慢的过程，包括技术的进一步突破，法令的通过，以及乘客由于驾驶意外产生的心理阴影的消除。

5 无人驾驶汽车的未来展望

美国机动工程师协会SAE将无人驾驶汽车的等级分为5级。0级无自动驾驶功能；1级是对方向盘或加减速中的一项进行辅助，如自适应巡航控制系统等；2级是对方向盘和加减速中的多项进行辅助，但司机必须随时待命，以便在自动系统停止工作时马上接管，如交通拥堵或高速公路辅助驾驶等；3级是有条件自动驾驶，人提供适当应答，如高速公路自动驾驶等；4级/5级才是真正的无人驾驶（其中4级为高度自动驾驶，需限定道路和环境；5级为完全自动驾驶），无需司机或乘客的干预或协助由出发地驶达目的地。

目前所有车企都达到1级，大部分车企只达到2级，在无人驾驶汽车领域最为领先的特斯拉和谷歌公司也只达到3级。

据预测，2020年无人驾驶或将进入爆发期。2017年5月特斯拉预计其自动驾驶系统将在2年后达到5级，届时特斯拉汽车将能够自主地从洛杉矶开到纽约，途中“无需人工触碰”。丰田力争在2020年左右实现自动驾驶汽车的商品化。大眾也将在2020年推出辉腾电动版，采用最新的自动驾驶技术。此外，奔驰、通用、现代、起亚以及中国自主品牌巨头上汽、长安，都计划于2020年推出搭载自己最新自动驾驶技术的量产车型。宝马、福特、沃尔沃则将自动驾驶量产车的推出时间选择在了2021年，国内汽车巨头一汽、北汽、吉利则将推出时间点定在2025年。

除此以外，要实现无人驾驶，还要结合各种结构化环境探索商业发展路径，如高速公路环境、城市环境和特殊环境下的应用，特别是城市环境下的无人驾驶将成为下一阶段研究重点，摩根士丹利分析师预测，2030年共享出行市场（租借无人驾驶汽车）的市场规模有望达到2.6万亿美元。

6 结语

无人驾驶汽车是未来汽车发展的方向，是智能科技发展的必然产物。无人驾驶汽车尤其适合从事共享汽车（租借无人驾驶汽车）和长途高速运输，可极大地提高交通系统的效率和安全性。

根据各大车企的研发计划，2020年全球将迎来自动驾驶汽车的爆发期。美国IHS汽车信息咨询公司曾发表报告指出，到2025年，全球无人驾驶汽车销量将达60万辆，在接下来的10年中销量将以每年43%的速度持续增长；到2035年，全球无人驾驶汽车将达2100万辆。

参考文献

[1]陈慧岩等.无人驾驶汽车概论[M].北京：理工大学出版社，2014.

[2]刘少山等.第一本无人驾驶技术书[M].北京：电子工业出版社，2017.

作者单位

武汉经济技术开发区第一中学 湖北省武汉市 430056