聊聊 GOOGLE 无人驾驶汽车

雷达

前几天有网友提到google无人驾驶车的一些情况，勾起我的兴趣，在网上作了一些初步的了解，在这里聊聊，欢迎讨论。

: K+ |0 |! V* u1.概况
' z4 G1 \7 Z: Q$ k/ M% G偷个懒，基本信息就先引用维基百科：
) S4 x) ~! v* EGoogle Driverless Car是谷歌公司的 Google X 实验室研发中的全自動駕駛汽車，不需要驾驶者就能启动、行驶以及停止。目前正在测试，已驾驶了48万公里。[1]项目由Google街景的共同发明人塞巴斯蒂安•特龙（Sebastian Thrun）领导。[2]谷歌的工程人员使用7辆试验车，其中6辆是丰田普锐斯，一辆是奥迪TT[3]。这些车在加州几条道路上测试，其中包括旧金山湾区的九曲花街。这些车辆使用照相机、雷达感应器和激光测距机来“看”其他的交通状况，并且使用详细地图来为前方的道路导航。谷歌说，这些车辆比有人驾驶的车更安全，因为它们能更迅速、更有效地作出反应。然而，在所有的测试中，都有人坐在駕駛座上於必要時可以随时控制车辆。[4] 2012年4月1日，Google展示了他们的使用自动驾驶技术的赛车，命名为10^100（十的一百次方，也就是googol，"google"这个单词的词源） 2012年5月8日，在美国内华达州允许无人驾驶汽车上路3个月后，机动车驾驶管理处（Department of Motor Vehicles）为Google的无人驾驶汽车颁发了一张合法车牌。为了醒目的目的，无人驾驶汽车的车牌用的是红色。[5]
**48万公里是2012年的驾驶里程，现在应该多得多。

2.原理
Google Driverless Car使用照相机、雷达和激光测距机(Lidar)作为传感器，使用GPS定位，没有方向盘，油门，刹车，由控制系统直接操纵车轮做前进/后退/转弯。(Fig 1)

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- I! n/ G) B6 Y& R$ ~0 MGoogle Driverless Car的各部分如上图
（1）在前后左右各个方面安装四到六个射频雷达。基于多普勒速度，雷达可以测出移动的物体，主要用于检测前后远处行驶中的车辆。车载防撞雷达的技术已经很成熟，目前大多使用频率20G级左右的FMCW体制，也有使用频率更高的毫米波雷达。
（2）车道引导摄像机。用于检测汽车运行轨迹与分道线之间的差距，保证汽车一直行驶在本车道之内。
8 l* d5 C, A/ w9 T9 }0 B（3）激光雷达LIDAR，这大概是最重要的设备。WIKI叫它激光测距机，实际上它的功能不是简单的测距，而是基于连续测距实现三维立体成像。射频雷达只能检测到金属物体，而激光雷达可以检测到周围近距离360度范围内的所有物体，不论是车辆，树木还是行人。下面是一个激光成像的仿真效果图。(Fig 2)

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后面我会对激光雷达做更详细解读。
（4）两组红外摄像机，安装在车灯处，用于夜间检测。
, w% ~0 r+ g) K) _- t0 K/ f（5）两只立体相机，实现对前方物体的三维成像，用于检测前方突然出现的障碍，如行人，动物等等。
" }+ `, C/ z5 T* [（6）GPS，精度达到两米，除了用于导航，更重要的是与高精度地图以及摄像机配合，监测前方的红灯，停牌等已知的地面标识。
（7）车轮传感器，使车辆实现机动的关键。

3.激光雷达
激光雷达是最重要也最昂贵的设备，所以在这里单独做一些介绍。
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) I, {2 z" Z2 W首先，激光测距的基本原理和射频雷达是一样的：向目标发射电磁波或者激光，然后接收反射回来的信号，测量电磁波在空气中传播的时间，乘以光速除以二，就是雷达与目标之间的距离。想像一下，如果我们将激光雷达在固定位置向固定目标连续发射测量，那么将得到误差范围内固定的一个距离值。

进一步，如果将激光雷达安置在可以旋转或者移动的设备上，在连续发射测量的同时，直线旋转或者移动扫描，那么我们将得到一个二维图谱，其横坐标表示旋转角度或者移动距离，纵坐标是测得的目标距离 。在实际工作中，激光雷达的扫描，是通过其内部一个可旋转摆动的反射镜来实现，不需要移动激光雷达本身。

& a' k  V9 M& t: Z+ v+ L再进一步，如下图所示(Fig 3)，将激光雷达安装在飞机上，在与飞行速度垂直的方向上做线性往复扫描，同时由于飞机自身的运动，在地面上形成锯齿状的扫描轨迹。连续测量目标距离以及做坐标变换后，就可以得到三维图像，X/Y轴是目标点的坐标，Z是距离(高度)值。

3 J  Q- q, _$ ~' j8 e激光雷达三维图像的分辨率，主要取决于 激光波束发散角，激光脉冲重复频率，扫描频率，飞行速度，以及飞行高度等等。成像算法中很重要的一部分是对飞行航迹和飞行姿态偏差引起的畸变做校正，  所以高精度三维激光雷达中必须配备高精度的惯性测量装置(IMU)和GPS.
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# Y1 o6 b  u" ]/ v- n机载激光雷达三维图像的一个实例(Fig 4)。
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) E. F7 i0 C9 ]6 |* O基于类似的原理可以实现车载激光雷达三维成像(Fig 5)。


9 w7 Q. H. v, C; W( J# l将激光雷达安装在汽车顶部可以水平旋转的平台上，工作过程中激光自身做垂直方向的线性扫描，同时激光雷达整体在水平方向匀速旋转，这样就可以得到近距离的三维图像。(Fig 6)


! u2 t( z; E* a; V从上面这个效果图可以看到，道路上斑马线以及分道线都显示出来了。这是近距离激光三维成像的一个特点，除了可以采集距离信息之外，也可以像射频雷达一样基于反射回波强度的不同将不同性质的目标分辨开来。
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回到Google Driverless Car，它采用的车载激光雷达是 Velodyne公司的专利产品。

上面讲到的车载激光雷达使用1个激光波束配合可往复摆动的反射镜做线性扫描。而Velodyn的车载激光雷达却使用了64个激光波束形成阵列，配合64路独立的光学接收通道，实现高精度的扫描。换言之，传统的车载激光雷达的基本元素是点，由点成线，由线成面。而Velodyn直接生成一小块反射面，然后水平旋转将连续的小反射面拼成完整的三维图像。要知道每一路发射接收通道都是一个精密的光学系统，需要独立的激光头，光电转换器，以及一系列的透镜。将64路激光通道，安装在那么小的区域内，而且要保证激光通道之间不相互干涉干扰而正常工作，这个真的很厉害！
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4.成本价格
谷歌汽车还没有正式上市，所以现在不知道真正的价格是多少。查到的一种说法是预计15万刀左右一台，其中最贵的设备就是激光雷达，大概要七万多。如果真的是这个价格的话，要想打败传统汽车，还是有一点偏贵。但是如果考虑到它所采用的技术设备，那么15万并不算贵。比如激光雷达，前面提到的机载激光雷达一台要150万左右。传统的车载激光雷达也要五六十万美金。Velodyne雷达卖七万刀，可以说是业界良心了。当然它的精度肯定不会很高(当然也不需要很高)，要知道与机载激光雷达配套的高精度IMU一台就要十几万刀。
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5.问题与挑战
首先是功能的实现。可以想像，无人汽车中心控制计算算法工作量会很大。需要实时综合各类传感器传递过来的信息，引导汽车作出正确的举动。由于实际的路况十分复杂，会有各种各样不同性质的目标以及不同的问题。比如在All Way Stop路口，如果对面和左右都有车辆，还有行人，那么情况就比处理简单的停牌要复杂的多。再比如在高速公路上切换车道，旁边是小车或者大卡车，或者是大卡车前面有小车，情况都不一样。
3 r* Y" H, s$ T; s1 V, n# z然后是可靠性。在高速公路上以一百多公里时速飞奔的汽车，如果主控计算机出了问题死机重启，那必然是灾难性的，谁碰上谁倒霉。再者汽车需要适应各种气候条件，比如激光雷达在雨雪雾等潮湿天气下性能会差很多。某些波长的激光雷达，在雨雪天最坏的情况下检测距离只能达到正常值的一半。
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6.几句题外话
近年来经常看到种种评论，关于美国正在衰落中国正在崛起之类。说实话，近几十年中国确实在大大的发展，可是每当接触到老美的新技术新产品的时候，作为一个工科男我就想说，路还长着呢！ 类似上面Velodyne这样的小公司，在美国多如牛毛！
更关键的是，谷歌的创始人发了财，享受财富之余会投资技术领域，去搞无人汽车，智能眼镜，高空风力发电等等…有些技术或者产品可能永远也实现不了但他们还是愿意投钱去做。而中国的富豪们在干什么呢？泡小明星，买名画，买球队…或者就是不断的扩张，不断的赚钱，什么赚钱快干什么。别人就罢了，像李彦宏，张朝阳这样名校出身的工科男，发了财以后是不是应该向谷歌学点什么呢？
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雷达

晨枫 发表于 2014-12-5 08:43
$ `, d% }3 ^/ v' h为什么是车主负责呢？现在的汽车如果刹车失灵撞人，可能是车厂的责任呢。 ...

法律问题细思极烦。
0 E7 N' \; D" k8 q  O* u( X5 a我估计这种车的维护恐怕很繁琐。举个例子，现在普通车的倒车camera过一阵脏了自己还要擦一擦。这种车那么多各种光学设备，车主不维护出了问题恐怕怨不得制造商。可要真出了事情估计理清责任也很难，恐怕得有个黑匣子之类的东西要送回厂分析。
9 j- r- p% L& @- ~; l, D总之确实还有很多问题，技术问题和非技术问题，法律问题保险问题等等，很麻烦。

雷达

) ^  u' G3 [: m, M- ^7 e) K5 y% h抛了一块砖，引来一堆玉
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谢谢“冰蚁”和“江城如画里”提到的很多关于GOOGLE 无人驾驶汽车的新进展，尤其是软件算法方面的材料是我在主贴里完全没有涉及到的。

关于大家的争论总的来说，我是支持晨枫多一些，我也不看好无人驾驶汽车在可以预见的将来（就说十年吧）的前景。

" a' V. P3 ?4 G* v: N$ k冰蚁说的现在的软件可以做到很厉害的程度，这个没有问题我相信，我们都知道深蓝电脑下国际象棋若干年前已经可以打败最好的人类选手。
但是无人驾驶汽车的情况还是不一样，这是一个产品，而且是对安全性可靠性要求极高的产品。主贴提到无人驾驶汽车需要那么多种传感器，其实是没有办法的事情，因为实际的情况确实太复杂，这种复杂性和国际象棋算法那种复杂性是不一样的。暂且不论极端天气比如比下雪天看不见分道线，也不说种种可能的意外比如天降鸟屎挡住摄像头，就算是基本的功能要想适应全美国（暂不提全世界）所有公路的情况恐怕还是有很长的路要走。
其实我觉得高速路的情况可能还好，城区人口密集处可能更麻烦，因为变化太多太快。你保证不被别的车撞可能不难，可还要不撞别的车别的人，不撞冲出路口的小狗，如果算法设置的特别小心可能可以避免所有这些保证了安全，可反应太慢堵着路也不行啊。

其实在考虑无人驾驶汽车的发展时还有一点要注意的就是整个交通系统同时也在进步，现在所谓的 Intelligent Transportation System(ITS) 作为一个行业发展很快，这里面既包括各种交通监控设备也包括配套的车载设备。比如现在很多城市已经实现的Bluetooth Traffic Monitoring 系统，在公路边有蓝牙发送器，较新款的GPS导航仪上都有蓝牙设备，可以实时接收最新的交通状况，重新规划路线。 再比如现在的防撞雷达是单方面的探测器，如果类似民航客机的应答机那样可以主动发送信号构成所谓的”二次雷达“，那么雷达的探测效率可以大大提高。甚至更近一步，将来如果车与车之间能通过蓝牙或者别的无线手段实现实时动态对接，彼此告知GPS位置，那么车与车之间基本就不会有什么问题了。江城如画里 提到无人驾驶汽车在交通路口的问题，如果将来在每个路口都有无线引导装置，同时结合激光雷达成像可能就可以完美的解决了。
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所以我认为无人驾驶汽车不论最后发展结果如何，对整个交通体系的进步绝对是有促进的。

雷达

晨枫 发表于 2014-12-17 03:22
非也非也，汽车本身是消费级的，但涉及到行车安全的汽车电子绝对是工业级的。这么说吧，家用电脑是消费级 ...

不能同意更多。

雷达

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最新消息，谷歌完成第一辆全功能无人驾驶汽车
, ?- f5 z0 H3 a' P; X: ?http://news.sky.com/story/139651 ... lete-driverless-car
0 g' R; Y  G* _  \. W5 j
这个车看着太单薄了。
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雷达

借自己的帖子问一下

. K* A; k% I4 j4 Z到爱吱声有有一点时间了，发现有些版面没有权限进入，自己的日志也没有权限发表。
请走过路过的帮忙解惑，怎样才能获取这些权限。是和西西河一样要达到一定积分才可以吗？
必有花谢。

雷达

橡树村 发表于 2014-12-27 23:54
这个问题要问 @不爱吱声

多谢，立竿见影，直接成了初中生

雷达

晨枫 发表于 2014-12-28 01:25
可能是游学生身份问题吧？升级到小学生就应该没有问题了。

多谢，直接成了初中生

雷达

现在用自动驾驶的都是自愿的小白鼠



特斯拉自动驾驶致死事故:系统未识别前车直接撞上
) L. |* K' b+ Y% I1 d. F0 z
: Z$ o% J5 B- q) w9 J2016年1月20日，京港澳高速河北邯郸段发生一起追尾事故，一辆特斯拉轿车直接撞上一辆正在作业的道路清扫车，特斯拉轿车当场损坏，司机高雅宁不幸身亡。经交警认定，在这起追尾事故中驾驶特斯拉的司机高雅宁负主要责任。然而时隔半年之后，高雅宁的家人却把特斯拉的经销商告上了法庭。这是为什么呢？
http://www.backchina.com/news/2016/09/14/448084.html