GNEV特稿 | 自动驾驶临界点:最少五年,最多十年

杨晓红

2015年,汽车业变革突然加速,自动驾驶汽车携带智能化与互联网的技术基因,为我们展开了未来汽车的画卷,科技公司和汽车巨头用他们的理解和想象描绘出智能化汽车的模样。国际研究机构Gartner发布的《新兴技术发展周期》(Hype Cycle for Emerging Technologies)报告显示,自动驾驶汽车已达到“技术炒作周期”巅峰,在5至10年的时间,就能被市场广泛接受,那时几乎所有主要的汽车制造商都已开始测试自动驾驶汽车。(以“重新定义汽车——新技术 新模式 新生态”为主题的第六届全球新能源汽车大会(GNEV6),将对变革图景和路径展开讨论。快来点击参会报名

一、自动驾驶会发展到什么程度?

自动驾驶不是某一天的突然发明,事实上,这项技术在20世纪已有数十年的研发历史,21世纪初呈现出接近实用化的趋势。从最开始只有一种自动驾驶功能,例如“主动巡航”(active cruise control),让汽车可以自己跟着前面的车前进,自动加减速,但左右移动还是要由驾驶人操控。到现在,已经可以做到同时有两种自动驾驶功能,或称作“半自动驾驶”,前进后退、左右移动都由计算机系统控制,例如路边自动停车。

下一步就是“高度自动驾驶”,驾驶责任完全交给计算机系统,例如塞车时让汽车自己开,驾驶人可以做其他事情,不再需要一直监看车况。到最后,要达到“完全自动驾驶”,这时驾驶人就变成乘客,甚至不用坐在车上,例如抵达目的地,下车后车会自己开去停车,驾驶人或乘客只需要用手机就可以遥控汽车。要做到完全自动驾驶,至少还要十五年时间。

二、为什么要发展自动驾驶技术?

人类驾驶最大的优点是开车时间越久,驾驶经验累积越多,有能力对各种突发状况做出适当反应。但现在世界各地的交通事故当中,高达九成是人为因素造成的,因为人会疲劳、会疏忽,对汽车四周环境的观察,还有很多盲点。

自动驾驶最大的优点之一,就是机器不会累、不会睡着,永远可以百分之百注意周遭的路况与环境。而且,一辆有自动驾驶功能的汽车,有许多高科技感测装置,辅助驾驶人监看四周路况和环境,不再有盲点。也就是说,未来的自动驾驶,除了没有人类的缺点之外,还会让机器学到人类的所有优点。所以,自动驾驶系统在必要时刻取代驾驶人,一定会减少交通事故,提高驾车的安全性。

三、载你驶向未来的自动驾驶汽车包含了哪些重要技术?

根据美国的专利顾问公司Lexinnova的报告,归纳出9种已运用于无人驾驶车的基本技术:

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车对车通讯(V2V Communication)、巡航控制(Cruise Control)、自动煞车(Automatic Brakes)、车道维持(Lane Keeping)、雷达(Radar)、循迹或稳定控制(Traction or Stability Control)、视频摄影机(Video Camera)、位置估计器(Position Estimator)、全球定位系统(Global Positioning System,GPS)。在上述的基本技术中,前五项技术的专利申请数量相对较多,显示出重要性,接下来就针对这五项技术作一简单介绍。

1.车对车通讯(V2V Communication)

通过车对车通讯,车辆之间可以互相传送数据,让彼此了解对方的行为与状况,可以让驾驶者提前作出判断和决定,减少视野盲点所造成的危险。

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V2V Communication示意图

美国国家公路交通安全局(NHTSA)正在制定车对车通讯相关标准及规格,以确保所有车辆都使用共同的语言,而且美国运输部也宣布,最快在2017年出厂的新汽车,按规定都要配备车对车通讯系统。

NHTSA制定的车对车通讯系统,使用的是基于IEEE 802.11p及IEEE 1609标准的专用短程通讯(DSRC,Dedicated Short Range Communications)技术,借由5.9GHz微波频段传输数据,拥有超低传输延迟、高传输速度等特性。在DSCR网状网络中,每一节点(汽车)以每秒10次的频率向四方传送信号,覆盖范围达300公尺,在网络内的数据收讯可以多步(multi-hop)方式往前跳跃到5到10个节点(汽车)之远,就如同收集到一英里外的交通状况,这使驾驶者对交通状况拥有充足的应对时间。

据Lexinnova统计,车对车通讯的相关专利,多数为丰田汽车及其子公司Denso掌握,其次是日本车用电子商Alpine及通用汽车(GM)。

2.巡航控制(Cruise Control)

传统的定速巡航控制系统会依据设定的巡航速度,自动调整引擎节气门开度,进而达到定速行驶的目的。智能巡航控制系统(ACC,Adaptive Cruise control)则会主动侦测前方车距,以系统限定的安全跟车时间间距,以及驾驶者设定的速度为依据,适当地控制油门与煞车,进而达到适应前车状况的巡航控制。

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Adaptive Cruise control示意图

ACC系统主要是由前车车距侦测器、车速传感器、纵向加速传感器、煞车及油门控制单元,及逻辑运算控制单元组成。

据Lexinnova统计,巡航控制相关专利的前三大专利权掌握者为:博世(Bosch)、日产汽车、通用汽车。

3.自动煞车(Automatic Brakes)

自动煞车系统包含防死锁煞车系统(ABS,Anti-Lock Braking System),以及电子煞车力分配(EBD,Electronic Brake-Force Distribution)系统。

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ABS示意图

ABS最早由博世公司1987年引入市场,目前已是普遍配备。踩煞车时,ABS会通过感测组件侦测车轮转速,一旦发现车轮有死锁现象,ABS会释放煞车,然后再快速煞车死锁,接着再度释放再度死锁,如此循环,可以让驾驶者仍能操控方向盘避免打滑失控。

EBD为ABS的附加系统,其作用先于ABS,以减少不必要的ABS动作。EBD系统监控四轮转速,将各车轮煞车油压自动调节至最恰当的程度,以防止ABS作用前的任何死锁现象,增大保护范围。

据Lexinnova统计,自动煞车系统相关专利的主要专利权掌握者为韩国汽车零件供货商万都株式会社(Mando)及博世,但Mando的ABS或EBD专利似乎未用于无人驾驶车领域。

4.车道维持(Lane Keeping)

车道维持的技术分为二种:车道偏离警示系统(LDWS,Lane Departure Warning System),当感测组件侦测到车辆偏离车道时,若驾驶者未打转换车道的方向灯讯号,系统会发出视觉、听觉或震动的警示讯号以提醒驾驶者返回车道。

车道维持系统(LKS,Lane Keeping System)或车道维持辅助系统(LKAS,Lane Keeping Assist System),则是当车辆无意间偏离车道时,若驾驶者没有立即对偏离状况做处置,LKAS会主动介入控制方向盘,给予适当辅助力,让车辆维持在原有车道内。无人驾驶车即采用此种系统,传感器可以使用影像传感器、雷射传感器,或红外线传感器。

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车道维持辅助系统(LKAS)示意图

据Lexinnova统计,车道维持系统相关专利的前四大专利权掌握者为博世、日产汽车、丰田汽车及现代汽车。

5.雷达(Radar)

雷达系统是无人驾驶车最重要的技术之一,除了我们熟知的倒车雷达之外,定速巡航要用到雷达,侦测周遭交通状况要用到雷达,防撞系统要用到雷达,保持车道也要用到雷达。

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车用雷达应用示意图

车用雷达依讯号产生源的不同,分为声波雷达、光波雷达,及毫米波雷达(Millimeter Wave Radar)等三种。属于声波类的超音波雷达,因其测量距离较短,主要用于停车辅助系统,例如倒车雷达。属于光波类的红外线雷达及激光雷达,其最主要的缺点为光线穿透力易受尘雨雾雪的干扰,而影响测量的精确度。红外线雷达的测量距离较短,可用于夜视系统,而激光雷达的测量距离较长,与红外线雷达一样,均可用于防碰撞系统。毫米波雷达的波长如名称所示为毫米级(mm),运作频率范围在30GHz到300GHz之间,主要集中在23-24,60-61,76-77GHz频段,是目前车用雷达研发的主流。与声波相比,毫米波雷达不受大气紊流的影响,与光波相比,毫米波雷达的穿透性较强,因此毫米波雷达的探测性良好,精准度高。

无人驾驶车除了使用雷达系统之外,还有使用光达系统(LIDAR),也就是光学遥感技术,通常是利用雷射光脉冲对目标物进行高密度扫描,以量测物体的距离,或获取物体三维形貌的数据。

据Lexinnova统计,雷达关专利的前四大专利权掌握者为丰田汽车、日立商社、博世及富士通。

四、科技业和汽车业要在2020年实现自动驾驶新突破

在自动驾驶技术的发展上,Google等科技公司给汽车产业带来很大压力,他们之间一定会有竞争,汽车愈来愈像一部会跑的计算机。哪家公司将成为第一批把自动驾驶量产车推向市场的企业?预计2020年推出一款自动驾驶汽车的有:谷歌、特斯拉、奥迪、日产、沃尔沃、奔驰、丰田。

1.谷歌无人驾驶汽车开始路测

自2009年测试以来,谷歌无人驾驶汽车安全行驶160多万公里,发生的13次事故都是外部原因。2015年6月26日,Google无人驾驶车终于正式开上了美国加州的公路进行测试,这是它首次被获准在公路上测试。目前Google有25辆自动驾驶车在路上试车,今年稍后可能会增加到75辆。

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外形哭酷似树袋熊的谷歌无人驾驶电动原型车最大载重不超过3000磅(约1360千克),车身采用碳纤维材料制成,输出参数还不便透露的电动机位于后轮下方,是由位于密歇根州的工业机械公司Roush Industries制造装配的,车的最高时速为25mph(约40公里/小时),续航约为75英里(约120公里)。所以还不能长途旅行或高速兜风,也缺少安全气囊等安全配备。出于安全考虑,测试的全程都有驾驶员坐在车上。汽车备有“可拆卸方向盘、油门踏板和制动踏板,以备需要时由人工接管驾驶”。

传感器当然是最核心系统,它由车顶上具有警笛外观的激光雷达,车前方狗鼻子一样的摄像头和前饰板下的激光探头组成。激光雷达最远能够追踪探测到两个足球场距离远以外的汽车,甚至是塑料袋。圆润的车身线条可以让传感器更容易的获取360度全景影像。车内中控台位置,有一块狭窄的横长显示屏,摄像机采集的图像由此呈现给乘客。在前罩板和乘客脚下方还有一大片空间放置杂物或背包等。

2015年9月,美国德克萨斯州奥斯汀市迎来一批没有方向盘的谷歌无人驾驶汽车。这也是该汽车原型首次离开加州地区进行路测。不过为了避免紧急情况发生,谷歌还是为每次无人驾驶汽车的路测配备了一名随测人员。谷歌认为,在不同的公路环境下测试将有助于提升公司无人驾驶系统,同时来自美国不同地区的居民意见也有助于改善产品体验。虽然新款无人驾驶汽车在测试过程中配备了驾驶员和方向盘,但谷歌公司说,它们最终将不会配备方向盘,以便乘客有更多时间查收邮件或看电影,或是做任何不用关注路况时爱做的事。

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2015年12月,美国专利商标局(USPTO)公布了谷歌之前申请的多项专利文件,从这些专利文件中也可以看出谷歌对于下一代无人驾驶汽车的设计思路。按照谷歌的构想,下一代无人驾驶汽车在车身部件方面与传统汽车并无太大差异,同样由前大灯/尾灯、前后挡风玻璃、车门、外后视镜、车轮等组成。不过谷歌下一代无人驾驶汽车座舱设计则截然不同,其省去了方向盘、油门、刹车、内后视镜等,取而代之的是中控台处集成ECU的大屏以及位于主副驾驶之间的调节器。另外,谷歌也为下一代无人驾驶汽车配备了一系列先进的传感器,包括雷达、摄像头以及激光雷达和超声波传感器。

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谷歌还在专利中提到一种被称为“自动接送”的服务。用户通过电脑或者智能手机App向调度系统发起申请并输入乘车地点和目的地,系统便会就近安排车辆抵达用户提供的乘车地点。车辆抵达后,会对用户进行认证,用户认证通过即可上车。

如果用户需要中途改变行程,可以直接通过语音或者在触摸屏上手动输入信息,整个操作十分简单方便。谷歌还将为用户提供专人服务,一旦用户遇到紧急情况,便可通过电话或控制台呼叫客服中心并寻求救援。

谷歌另一项专利则针对行人安全而设计,其可以让无人驾驶汽车与行人之间更好地“沟通”,通过显示各种信号的方式将汽车动态和意图告知行人,以确保行人能够在车前安全穿过。

专利文件显示,谷歌在汽车引擎盖、车门及保险杠处安装的电子屏可以显示停车/转向标志或文字等。其还可以通过扬声器播报汽车动态或者以打手势的方式显示汽车意图,从而让行人识别车辆,通知行人采取措施避让或者安全穿行。

那么问题来了,Google的无人驾驶电动概念车何时才能量产?Google X政策主管Sarah Hunter日前在与加州公共事业委员会对话时表示,谷歌打算在年底前制造100辆这样的自动驾驶汽车,目的就是让团队熟悉整个量产过程。但谷歌无人驾驶项目负责人克里斯•厄姆森(Chris Urmson)说:“直到经过更多实验,证明它足够安全后,才会量产。”

作者:杨晓红

来源:第一电动网

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