無人駕駛車到底包括哪些核心技術(shù)呢?

Apollo自動(dòng)駕駛進(jìn)階課程是由百度Apollo聯(lián)合北京大學(xué)共同開設(shè)的課程，邀請(qǐng)百度Apollo開放平臺(tái)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的中美專家聯(lián)合講授。

上一期，我們?yōu)榇蠹彝扑土苏n程第①講——《自動(dòng)駕駛行業(yè)概述》。本周，阿波君根據(jù)Apollo產(chǎn)品負(fù)責(zé)人David.Zhou所講授的第二課《Apollo開源模塊講解（上）》進(jìn)行了要點(diǎn)整理，方便更多未到現(xiàn)場(chǎng)/沒有時(shí)間觀看視頻的老鐵們閱讀。

話不多說，歡迎各位開發(fā)者一起進(jìn)入進(jìn)階課程第二期。

無人駕駛對(duì)安全精度和各種復(fù)雜技術(shù)的集成程度要求非常高，因此到目前為止，在民用領(lǐng)域里，無人駕駛車輛的技術(shù)難度之高是數(shù)一數(shù)二的。

做一輛無人駕駛車肯定要比做一個(gè)手機(jī)APP要復(fù)雜很多倍。無人駕駛車到底包括哪些核心技術(shù)呢，接下來我將為大家一一講解。

備受大家熱捧的無人駕駛車并不是一輛普通的車，因?yàn)闊o人駕駛的車一定要是線控車。所謂線控(by-wire)，就是說這個(gè)車是能被電腦控制的。車的方向盤和輪子之間是有電機(jī)連接的，方向盤傳動(dòng)到電機(jī)上，然后電機(jī)去控制車輪，這樣的話電腦就可以通過控制電機(jī)的方式來控制這個(gè)車輪。

為了保證無人駕駛車的安全性，當(dāng)它在路上行駛的時(shí)候，必須做到它跟云端是有連接的。無人駕駛車并不需要時(shí)時(shí)跟云端匯報(bào)接下來會(huì)如何處理，而是要告訴云端它的位置以及行駛規(guī)劃。

對(duì)于無人駕駛來說，在馬路上行駛一定要有高精地圖，這里所說的高精地圖跟我們平時(shí)開車用的導(dǎo)航地圖有什么不同呢？

所謂的導(dǎo)航地圖就是我們平時(shí)使用的百度地圖、谷歌地圖等，在導(dǎo)航地圖上，它會(huì)告訴你怎么從A點(diǎn)到B點(diǎn)，然后有幾條路，預(yù)計(jì)需要用多長(zhǎng)時(shí)間等信息。

而高精地圖相對(duì)于導(dǎo)航地圖來說，最大的特點(diǎn)就是高精度，它是需要做到車道線級(jí)別的。也就是說，高精地圖不光要知道你在哪條路上，還需要知道你在這個(gè)路的哪條車道線上，因?yàn)橹挥羞@樣才能準(zhǔn)確地告訴無人駕駛車應(yīng)該在哪個(gè)車道行駛，接下來應(yīng)該怎么拐。

高精地圖對(duì)于無人車來說，具有非同尋常的價(jià)值。

第一，高精地圖能夠給無人車很多預(yù)判的空間。當(dāng)無人車通過高精地圖知道前方的路況和交通標(biāo)識(shí)信息后，能夠提前做行駛規(guī)劃，保證了行車的平穩(wěn)性和經(jīng)濟(jì)性。

第二，高精地圖能夠幫助無人車減少計(jì)算量。當(dāng)無人車需要通過路口時(shí)，它需要提前感知前方信號(hào)燈的狀態(tài)，這時(shí)高精地圖就可以幫助它定位到信號(hào)燈所在的特定區(qū)域，從而有效降低了全范圍掃描識(shí)別的計(jì)算量。

除此以外，高精地圖將道路及周圍的所有靜態(tài)障礙物進(jìn)行收集，減少無人車對(duì)靜態(tài)障礙物的算法處理。

無人車有了高精地圖之后，還需要知道它在地圖的什么位置，這里就需要使用定位技術(shù)。說到定位，很多人可能最先想到GPS。那么GPS定位的原理是什么呢?其實(shí)GPS定位原理實(shí)際上就是一個(gè)相對(duì)定位。

每個(gè)衛(wèi)星會(huì)不停地發(fā)電磁波，當(dāng)收到電磁波信號(hào)之后，根據(jù)收到信號(hào)的時(shí)間與光速算出和衛(wèi)星之間的距離。有了與四個(gè)衛(wèi)星的距離之后，就可以解一個(gè)方程算出所在位置。但由于電離層、反射作用等因素的干擾，GPS定位是有誤差的，它的精度只能達(dá)到米級(jí)。對(duì)于無人車來說，米級(jí)的定位精度是不安全的，為了解決無人車定位問題，還需要其他技術(shù)。

GPS定位還有一個(gè)問題，它是跳動(dòng)的。GPS定位是每時(shí)每刻根據(jù)當(dāng)前的時(shí)間去算的，容易出現(xiàn)計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)的情況。為了抹平GPS的跳變，需要用到IMU（慣性導(dǎo)航），一般來說GPS和IMU是一塊用的，GPS不停的去給IMU一個(gè)方向去校準(zhǔn)，然后IMU再給GPS一個(gè)方向。

除此之外，無人車在接收不到GPS信號(hào)的情況下，需要用到另一個(gè)技術(shù)——幾何定位。

幾何定位的原理和GPS原理差不多，就是在道路上選幾個(gè)feature，根據(jù)這些feature計(jì)算無人車所在的位置。幾何定位的精度很高，可以精確地算出無人車所在的位置。所以，目前比較流行的定位技術(shù)就是GPS、IMU和幾何定位等一系列技術(shù)的融合。

為了提高GPS的定位精度，大家又在GPS的基礎(chǔ)上發(fā)明了RTK技術(shù)。手機(jī)GPS定位中，手機(jī)就是一個(gè)移動(dòng)站，它會(huì)經(jīng)常變動(dòng)位置。這里所說的RTK，是一個(gè)靜止站，它同樣也收到衛(wèi)星的信號(hào)。無人車與RTK相隔不太遠(yuǎn)的情況下，對(duì)二者之間的干擾信號(hào)用差分抹平，就可以認(rèn)為無人車和RTK收到的信號(hào)是一樣的。

RTK的應(yīng)用能讓GPS的定位精度達(dá)到10厘米，但是RTK技術(shù)的應(yīng)用有個(gè)限制，它要求基站與車的距離要在16公里以內(nèi)。

我們?nèi)祟愄焐邆涓兄饨绲哪芰?，是因?yàn)槲覀兙邆涓鞣N“傳感器”。

無人車想在道路上安全行駛，也必須具備屬于它自己的各類傳感器去感知外界環(huán)境。目前，無人車主要的傳感器有攝像頭（Camera）、雷達(dá)（Radar）和激光雷達(dá)（Lidar）。

對(duì)于無人車來說，觀察信號(hào)燈以及一些交通標(biāo)識(shí)都需要對(duì)顏色識(shí)別。

攝像頭恰能解決這個(gè)問題，它的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠辨別顏色，但是它沒有對(duì)距離的判斷的能力。因此，實(shí)現(xiàn)無人車對(duì)外界的感知還需要其他傳感器的配合。

雷達(dá)是無人車比較重要的傳感器之一，它是利用電磁波探測(cè)目標(biāo)的電子設(shè)備。

雷達(dá)發(fā)射電磁波對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照射并接收其回波，由此獲得目標(biāo)至電磁波發(fā)射點(diǎn)的距離、距離變化率（徑向速度）、方位、高度等信息。雷達(dá)的應(yīng)用場(chǎng)景是全天候的，由于電磁波可以饒過一些東西，所以它的準(zhǔn)確性并不太高。

雷達(dá)還有一個(gè)特點(diǎn)，它對(duì)于速度判斷非常準(zhǔn)，而對(duì)于靜態(tài)物體的誤報(bào)比較多。

激光雷達(dá)是目前無人車發(fā)展的一個(gè)比較核心的技術(shù)，它是以發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。

激光雷達(dá)工作原理是向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)，然后將接收到的從目標(biāo)反射回來的信號(hào)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較，作適當(dāng)處理后，就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息。

激光雷達(dá)的最大優(yōu)點(diǎn)就是對(duì)距離的判斷非常精準(zhǔn)，但它也有個(gè)很大的缺點(diǎn)，就是對(duì)環(huán)境的要求非常高，比如在霧霾天氣里激光雷達(dá)的精準(zhǔn)度就會(huì)降低很多。

激光雷達(dá)是一個(gè)非常新的技術(shù)，在發(fā)展無人車之前，它并沒有大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，因此它的價(jià)格非常昂貴。雖然目前激光雷達(dá)價(jià)格很貴，但它的種類還是挺多的。

大家可能見過無人車上有個(gè)不停旋轉(zhuǎn)的Lidar，這種是機(jī)械雷達(dá)。由于它需要不停旋轉(zhuǎn)，它本身也又大又重，機(jī)械損耗較大，容易出現(xiàn)問題?；跈C(jī)械雷達(dá)，大家又發(fā)明了一些新的激光雷達(dá)，比如MEMSlidar、flashlidar等。

無人車收到各種傳感器獲取的信息之后，還需要做傳感器融合。所謂傳感器融合，就是要把每個(gè)傳感器看到的東西全部都疊加在一起。當(dāng)所有傳感器看到的信息綜合在一起，無人車才能夠更加全面具體地感知外界環(huán)境。

當(dāng)車輛在路上行駛時(shí)，通過傳感器獲取了周圍的信息，接下來就需要知道如何反應(yīng)。

對(duì)于周圍的車輛或其他障礙物，無人車是需要避讓還是需要停下來，或者需要超越等等，這些都屬于約束條件。無人車需要在所有的約束條件中，規(guī)劃出一條可以走的路線。

無人車的軌跡規(guī)劃：

一是要滿足所有的約束條件。

二是要保證車輛運(yùn)動(dòng)的平滑。所謂平滑，是要保證車子的速度不能跳變。

在此基礎(chǔ)上，車子的加速度也需要是平滑的。

最終目的是，在人類可感知的范圍，車子行駛是順暢的，沒有不平滑不順的情況。

前面我們已經(jīng)提到，無人車是線控車，而不是一個(gè)僅有齒輪組成的集合體。

實(shí)現(xiàn)對(duì)無人車的控制，我們需要知道踩剎車和減速的關(guān)系、踩油門和加速的關(guān)系等，當(dāng)無人車拿到一些控制學(xué)參數(shù)后，就可以實(shí)現(xiàn)電腦對(duì)無人車的控制。

想要保證無人車是非常安全的，我們必須做到讓每一輛無人車成為“有經(jīng)驗(yàn)的司機(jī)”。所謂有經(jīng)驗(yàn)，就是見過很多路況并且知道如何處理這些路況。

百度在云端后臺(tái)有個(gè)巨大的仿真空間，每一輛無人車可以將自己遇到的復(fù)雜路況上傳到云端，因此網(wǎng)上就有了一個(gè)非常大的數(shù)據(jù)庫(kù)。

當(dāng)無人駕駛的算法有更新時(shí)，就可以在云端的仿真場(chǎng)景中跑一下，檢驗(yàn)是否能夠應(yīng)對(duì)云端的這些路況。這個(gè)步驟，就是為了確保每個(gè)無人車都稱得上是“有經(jīng)驗(yàn)的司機(jī)”。