无人驾驶不止是搞科研中美技术到底差多远？

来源：生活污水处理设备发布时间：2024-03-28 17:16:26

下一条： 失集聚示意图

摘要

美国基于其政策推动具有很深的技术积淀，领先于中国。但此差距并不存在代差。


毕竟中国能够

产品介绍

美国基于其政策推动具有很深的技术积淀，领先于中国。但此差距并不存在代差。

毕竟中国能够自主开发战斗机并追赶美国的有关技术，相比汽车技术要更具挑战。

但是汽车技术的特性就是需要以可接受的成本提供安全可靠的性能并大量量产。这就是其特有的技术难点。

后面将基于无人驾驶的三大技术进行详细分析：机器人技术Robotics，人工智能AI，云技术Cloud

在这个技术领域，相对的美国政府、企业和学校间的互动最多，政策影响最深远，并在持续影响中。较早的起步和更沉得住气的基础研发技术，使得个别企业掌控了该领域的核心技术。对比三大无人驾驶技术，个人觉得汽车感知传感器技术是领先中国最多的方面。

汽车感知传感器技术细分包括超声波测距传感器、摄像头图像传感器、雷达传感器和激光扫描仪。

↑超声波测距传感器、摄像头图像传感器、雷达传感器和激光扫描仪（来自奥迪）

美军方的国防部先进研究项目局Defense Advanced Research Projects Agency （DARPA）。听着这一个项目局的名字是不是就认为这个组织肯定很霸气，不亚于神盾局什么的？相信我，看了后面的详细介绍你就会发现实际上它比名字上反映出来的更霸气。

首先大家今天能够上网，能清楚看到这篇文章全赖于DARPA。是不是觉得说的有点玄乎奇迹？相信我，一点也不玄。因为因特网是DARPA主导开发的。因特网INTERNET的前身为ARPANET，是由ARPA（Advanced Rearch Projects Agency）研究开发的。1975年，ARPANET由实验室网络改制成操作性网络，整个网络转交给国防部通信署管理，同时ARPA更名为DARPA（DefenceARPA）。

其次是全球定位系统GPS。大家手机上使用导航软件时的位置信息源自GPS。而在GPS导航卫星发射前，DARPA建立了一个有5颗卫星组成的网络Transit。1960年，Transit开始工作，确保美国海军舰船位置每小时更新，误差不超过200米。

再有就是隐形战机概念也是最早由DARPA提出的。甚至美国空军最初听到这个概念时也大吃一惊。隐形战机的第一个原型HavenBlue于上世纪70年代末开始测试，成为F-117夜鹰隐形战机的前身。

还有DARPA比较不为人知的成就就是半导体砷化镓工艺的开发。如果大家对半导体技术了解不多能这么简单理解。今天电脑里用的CPU，内存显卡芯片大部分使用用硅材料为基础的。可能你觉得这些芯片的工作速度已经挺快了。但是实际上它们还不够快。类似无线通讯技术需要更快的工作速度。因此半导体砷化镓工艺被开发出来，其有更快的电子迁移速度。虽然它的价格相比硅半导体工艺贵很多，但是能很好的满足无线通讯，卫星和雷达以及军工应用的需求。换句话说，今天你们可以轻松的使用手机通话、看微信、看网页那也是托了DARPA很大的福的。

那么说回汽车，DARPA在无人驾驶汽车的研究中又扮演一个什么地位呢？今天为人熟知的谷歌无人驾驶汽车使用很多的技术实际上脱胎于DARPA组织的陆地挑战赛（Grand Challenge）。DARPA早在十多年就开始提供资金支持，协调大学研究机构、车企、传感器供应商与半导体供应商合作，进行一系列的无人驾驶汽车挑战赛。而这个系列的挑战赛被称为DARPA陆地挑战赛。这一系列挑战赛中比较有名的就是2004年和2005年的两届陆地挑战赛（Grand Challenge）和2007年举行的城市挑战赛（Urban Challenge）。

由于2004年当时的技术限制，在当年第一届无人驾驶陆地挑战赛举办的时候甚至没有一家参赛队伍能完成主办方DARPA设定的加州莫哈韦沙漠240公里赛道。因此在2005年的第二届陆地挑战赛中DARPA将赛道的最低目标距离设定为11.78公里。这也是第一届中无人驾驶汽车最远的行驶。此届挑战赛中有5辆无人驾驶汽车完成了目标。而其中比较出名的应该就是如上照片中显示的TerraMax无人驾驶卡车。上图为2005年TerraMax的陆地挑战赛参赛车型。下图为在BBCTOPGEAR汽车节目19季第5集中出镜的TerraMax无人驾驶卡车（左）和詹姆斯梅驾驶的路虎揽胜（右）的越野比赛起点照片。要知道TerraMax还仅仅是2005年挑战赛中5个完赛队伍中的最后一名。

↑BBCTOPGEAR出镜的TerraMax无人驾驶卡车（左）和詹姆斯梅驾驶的路虎揽胜（右）

第三届的陆地挑战赛被DARPA官方称为城市挑战赛（Urban Challenge）。于2007年在加州的乔治空军基地进行。比赛被设定成让无人驾驶汽车能够正常的使用于城市驾驶环境中。赛道全长96公里，限时为6个小时。并且不同的队伍之间会有路线交叉的过程。而如果大家去搜索美国Velodyne公司的历史的话，就会发现它的前期基本的产品为音响产品。就是因为Velodyne公司参与了前两届的DARPA陆地挑战赛，才开始了激光扫描仪产品的开发，并成为业界360度高性能激光扫描仪的领先者。因此说DARPA挑战赛成就了如今的Velodyne，成为激光扫描仪LIDAR界的巨人一点不为过。

到了2007年的城市挑战赛中，Velodyne公司的激光扫描仪已经应用到了大部分的参赛队伍中。6个完赛的参赛队伍中只有第三名的VictorTango队没用Velodyne公司产品。

↑斯坦福队使用的大众帕萨特旅行版（左）和VictorTango队使用的福特翼虎（上）在路口相遇

上图一为城市挑战赛中斯坦福队使用的大众帕萨特旅行版（左，第二名完赛）和VictorTango队使用的福特翼虎（上，第三名完赛）在路口相遇。上图二为VictorTango所用的来自IBEO和SICK的传感器。而IBEO是小型化低成本激光扫描仪的领先者。SICK则是IBEO的母公司，并且拥有众多的激光传感器产品。IBEO和SICK的激光扫描仪也应用在前三名完赛的队伍中，普及率仅次于美国Velodyne公司。

其中照片中站在斯坦福队无人驾驶汽车前的Sebastian Thrun以及部分其他小组成员最终被谷歌挖走。后来就有个谷歌无人驾驶汽车。

从CES2016已能看到一个非常明显的信号，激光扫描仪未来发展趋势是固态化，小型化，低成本化。

之前提到最早谷歌提出的无人驾驶汽车就是基于置于车顶的机械旋转激光雷达产品实现的。它其实就是来自Velodyne公司的64波束激光雷达。而这款产品当初的价格也是惊人的超过了7万美金。是谷歌采用的原型车丰田普锐斯售价的两倍还要多。虽然它的性能非常好，但是为了实现将来无人驾驶汽车的量产，成本降低是必然之路。Velodyne的产品包括64波束（用于谷歌无人驾驶汽车）、32波束（用于福特CES2016无人驾驶概念车）以及混合固态Hybrid Solid State 16波束 VLP-16 PUCK（将用于未来的福特无人驾驶计划）激光扫描仪产品。如下图分别为与CES2016发布的基于福特蒙迪欧的无人驾驶概念车，以及装配于车顶的4个Velodyne 32波束激光雷达。

而福特今年发布的CES2017展示用无人驾驶概念车已经装配上了前面提到的固态激光扫描仪产品

而CES2016发布的来自Quanergy的“固态”激光扫描仪S3更是首次引入了全固态激光扫描仪的概念。让我们来通过Quanergy在CES上的演讲和其相关的专利说明来详细探讨一下它的创新之处吧。简单的说，这是一款全“固态”的激光雷达，或者称光学相控阵激光扫描仪。其目标量产成本为250美元。首先如下图一所示，其满足了激光扫描仪小型化的大趋势，整个尺寸只有90mm x 60mm x 60mm。如图二的产品工作原理展示中能够正常的看到内部机构不存在任何的机械旋转部件。所有的激光探测水平和垂直视角都是通过电子方式实现的。因此其名副其实的是全“固态”激光扫描仪产品。

除了以上对于激光扫描仪成本优化的固态化趋势，DARPA正主导继续与加州Berkeley以及麻省理工MIT进行下一代频率调制连续波FMCW 激光扫描仪芯片的开发。将进一步降低激光扫描仪的成本。

实际上美军方DARPA主导的项目小组，以加利福尼亚大学为核心已经基本完成了原型半导体芯片的开发，并且在IEEE国际电子工程师协会上发布了正式的论文。如果需要从事相关的激光传感器开发或者对激光传感器小型化感兴趣的朋友，可以搜索相关的论文进行进一步的研究。如下是论文原型芯片的示意图，用来给感兴趣的朋友一个大概的总览。下图一为原型芯片的组成示意图，包括左上角的MEMS tunable VCSEL微机械可调谐垂直腔面发射激光器作为发射源和右上角及下方的两组光敏二极管作为接收器件。下图二所示由芯片组成的闭环可控光学频率调制连续波FMCW控制电路。电路显示由三大类的器件组成。该三大类的器件分别分布在三种半导体层上。红色表示的器件为三五价III-IV半导体层。典型代表为砷化镓GaAs或者磷化铟InP半导体工艺。三五价半导体是直接能带半导体，更够发出更强的光，适合制作光学芯片。因此原型芯片的激光发射源和光敏二极管接收单元均由该类型的半导体完成。蓝色部分硅光电子层Silicon Photonics（又称SiP），是基于硅基工艺制作的光学半导体。因此耦合器Coupler和相位测量干扰仪Interferometer由该半导体层制作。黑色部分为传统硅基CMOS层，其他传统的控制单元都有该半导体层制作。下图三为具体的三种类型半导体层的分布情况。

神奇的是，此概念提出一年以后原型样片真的被做出来并进行了相关的测试。其产学研的扶植力度可见一斑。这也是其深厚技术积淀的一种体现。

以上，汽车感知传感器技术方面，受美国政府持续扶植影响，美国的技术优势最明显。

不过由于全球供应链一体化的影响，加上中国是最大的汽车销售市场，相应的技术还是逐渐应用到了国内的无人驾驶概念车上，比如上汽、长安等车厂。而且国内院校比如同济大学清华大学也参与了相关技术研究。因此中国加速追赶并不是不可能的。

电子线控刹车（Brake By Wire）：这个线传操控系统的出现可以说最主要的诱因就是电动汽车的出现。因为传统刹车系统需要通过发动机的工作建立制动助力所需的真空助力。是的，刹车也是需要助力的。如果大家家里有车可以试一下，在发动机熄火的情况下，最多可以深踩3次刹车。再踩的话就会觉得刹车踏板特别硬，几乎无法靠人力踩动。如下图就是传统刹车系统所需的真空助力器和传统系统和电子线控刹车系统（又称电子液力刹车系统EHB）系统对比图。能够正常的看到真空助力器是一个非常大的家伙，你可以很容易在发动机舱内找到它。当驾驶者踩下刹车踏板时踏板连接的推杆将力传递到真空助力器。真空助力器是一个通过大气压和真空之前的压力差将力矩放大然后传送给液压制动总泵进行制动的装置。真空源是由发动机的负压产生的（发动机吸入空气的时候会产生负压，但不是所有的发动机都能够找到真空源，比如涡轮增压发动机）。由于采用气压差来放大力，因此其体积必须做的很大，占空间又不容易布置。电动车或者纯电行驶的插电式混合动力汽车，由于没有发动机或者发动机不工作，无法获得稳定的真空源。一种方法是使用电子真空泵。但是电子真空泵需要持续运转，比较耗油。另一种更加智能的方法就是使用电子线控刹车系统。传统的刹车系统（第2图上半部分）驾驶者踩刹车踏板，通过推板经过真空助力器放大力矩给到制动总泵。制动总泵驱动液压系统传递刹车力到ABS/ESP刹车防抱死/电子稳定系统控制器。ABS/ESP再根据车辆状况把刹车力分配到四个车轮。

那么EHB系统基于电机的刹车助力器到底是什么样子的呢？我们就基于市场上的两大解决方案举个例子。首先要说的就是如下图所示的来自德国博世BOSCH的iBooster系统。

博世 iBooster所属新的EHB系统（上图下半部分）将驾驶者踩刹车踏板的动作转换成行程位置电信号，刹车助力控制器控制电机给出刹车助力所需的力矩给到制动总泵。制动总泵驱动液压系统传递刹车力到ABS/ESP刹车防抱死/电子稳定系统控制器。ABS/ESC再根据车辆状况把刹车力分配到四个车轮。

而另一大解决方案就是如下图所示来自德国大陆汽车Continental的MK C1系统。能够正常的看到MK C1的主要理念和博世 iBooster基本相同。但是MK C1更进一步将原来的ESC系统MK 100中的ESC控制器，真空泵，真空助力器三个部件合而为一。大大简化了系统的复杂程度。

那么博世iBooster在国内的一个最早的成功案例就是目前比亚迪E6所用的刹车系统。该电子线控刹车系统能灵活的在电机能量回收制动和机械刹车片摩擦制动之间进行分配。并且当纯电机能量回收制动的时候为了给驾驶者一个合理的刹车踏板力回馈，刹车助力电机还能够反向给出一个阻力力矩。让驾驶者感觉到合理的阻尼感受。同时电子线控刹车系统还可提供可选择的刹车响应模式。比如运动模式下刹车就一踩就有，响应灵敏。而舒适模式下，刹车就显得柔和线性，相较运动模式没那么紧绷。和驾驶辅助系统结合以后，当检测到可能的碰撞时则可以加快制动响应或者直接增加制动压力。使得车辆能够在更短的距离内停止下来。

说到电子线控刹车系统的安全性，更偏向一个系统级的安全方案。电子线控刹车系统中的电子刹车助力器和传统的电子稳定系统ESC以及电子转向助力系统EPS三者互为备份。三者中的任何一个模块发生故障，另两个模块都能够部分覆盖故障模块的功能。比如电子刹车助力器发生故障，电子稳定系统ESC将能建立制动液压压力，配合EPS将车辆安全刹停在车道内。相反如果电子稳定系统ESC发生故障，电子刹车助力器可自行建立制动液压，配合EPS将车辆刹停在车道内。当电子助力转向EPS失效时，电子稳定系统ESC将通过对不同侧的车轮施加不同刹车力产生扭矩矢量，将车辆保持在车道的中心位置。

相信大家目前接触到的车辆都是带转向助力的。转向助力主要分两大类，一类是液压转向助力，另一类是电子转向助力。液压转向助力的一个弊端就是不管是否转向，液压系统都要通过发动机传输过来的动力位置助力油压。因此系统复杂，且耗油。而电子转向助力通过电机在需要转向的时候提供助力，而不需转向时是不耗油的。而且系统较液压助力系统简单很多。如下即是电子助力转向系统的示意图和系统构架图。

而今天介绍的电子线控转向系统可谓是电子转向助力的进阶版。因为电子线控转向系统在正常工作时断开了方向盘和转向系统之间的机械连接，而完全靠电子信号传输给转向控制器然后操控转向执行器实现。电子线控转向系统的代表车型就是英菲尼迪的Q50，目前该车型已经国产，称为Q50L。由于采用了电子线控转向系统，车辆的转向特性可以智能的调节，比如偏沉稳还是偏轻盈灵动。并且结合驾驶辅助系统的车道识别功能还能主动的修正车辆行驶方向保持在车道中间位置行驶。下图即为英菲尼迪Q50电子线控转向系统的示意图和展示照片。

那么如果电子系统发生故障，驾驶者发现转动方向盘完全不能控制车辆转向的时候是一件非常恐怖的事情。因此总系统最大限度地考虑了安全性。当转向系统工作在电子线控模式的时候，总系统借鉴了飞机电传飞操系统的多余度安全理念。通过3个转向控制器相互冗余地控制转向系统。相互之间进行校验，保证控制信号始终和驾驶者的转向意图相关。下图为转向系统工作在电子线控模式。此时转向系统和方向盘断开连接，由电子控制器控制。

目前电子线控转向系统还没有全面市场化，仅在少数车型上出现。其中根本原因是前面提到的转向特性智能调节和自动车道保持等功能在某一些程度上仍能够正常的使用传统的电子助力转向系统实现。那么电子线控转向系统的真正意义是将来系统成熟以后能完全断开机械连接。从而为将来的无人驾驶汽车服务。如下图的无人驾驶概念车，车内的乘员可以直接控制方向也可以交给无人驾驶而分别躺下。方向盘位置可以灵活移动，无疑为空间的利用将更高效。而这就需要电子线控转向系统的支持。

人工智能AI所需的硬件目前呈现三足鼎立的状态。分别被NVIDIA、INTEL和IBM所引领。

NVIDIA作为GPU的领先供应商，正将其主营业务从图形处理以及游戏产业转向基于GPU的人工智能AI的深度学习计算平台。

而INTEL在其传统计算机/服务器行业的增速放缓后，战略性的收购了FPGA领导者ALTERA和AI架构的创新初创公司Nervana。并且迅速融合其优势，并向无人驾驶人工智能AI技术方向快速地发展。更是与宝马BMW以及Moblieye组成了战略同盟，进行无人汽车的开发。

而最低调最不为人知的可以说是IBM。蓝色巨人悄然进行着人工智能AI神经网络芯片的开发，并已在汽车外的多个行业开花结果。

软件方面则以谷歌最为突出，但中国企业如百度仍旧能走出中国特色的发展路线进行追赶。

不管是搜索引擎还是无人驾驶在实现方法上，“科班出身”的谷歌更依赖于基础技术本身，而“中国特色”的百度则更多在基础技术上针对中国市场进行人工优化。换句话说，谷歌的设计思路是不相信人工调整。所有的错误结果都应该从某一些程度上通过优化基础算法自动发现并纠正。即花大量的精力和资源在前端技术优化上，使其能适应于不同的使用环境。而百度的设计思路是在某一些程度上技术总会出错，这样一个时间段就应该透过人工优化来进行纠正。即花更多的精力和资源在后端应用优化上，让其更适应于终端使用环境。这就好比开发一款车。一方专注车型平台的优化。最终可以将这样的平台用于A级车，拉长以后变成B级车，垫高后变成SUV，拉长拉高加两个座位就成了MPV。车型能够适用于亚洲、欧洲、美洲等多个市场。但是可能对中国市场并不是最优化的。而另一方针对市场需求花大量精力优化一款A级车，结果可能针对中国市场更优化。

谷歌提出的AI First人工智能为先战略已在图像识别、机器翻译等多个领域获得进展。

那么“科班出身”的谷歌对基础技术有多专注呢？我们之前介绍过美军方牵头的DARPA无人驾驶挑战赛，谷歌一步一步进行了各种传感器的集成并创造了特有的量产版无人驾驶汽车。而另一方面，软件算法方面谷歌领导了相关深度学习Deep Learning和谷歌大脑Google Brain技术开发，进行了大量的基础研究。因此谷歌在无人驾驶汽车领域可谓不管硬件还是软件，各方面都亲力亲为。下图为之前提到的谷歌大脑项目中检测到的人脸、人体和猫。

而百度无人驾驶汽车一下子登上了央视《新闻联播》，在2015年的尾巴给国人一个大大的惊喜。12月10号路试成功，14号成立无人驾驶事业部，16号参加乌镇互联网大会进行宣讲。一切都来得这么突如其来，却井然有序。层层推进，步步为营。中国也一下子有了真正在路上跑的无人驾驶技术。

“中国特色”的百度在战略性地和传统整车厂宝马合作。其无人驾驶汽车由宝马3系GT车型改装而来。原3系GT车型已经配备了如自适应巡航和行人车道识别等先进驾驶辅助ADAS系统。和谷歌的无人驾驶概念车一样，百度在改装的过程中在车顶加装了64波束的激光扫描仪。从而获得更多的路况信息。由于硬件方面有了宝马的合作，百度可将更多的精力倾注于软件算法方面的开发。和谷歌一样其核心算法也基于深度学习技术，这种技术让无人驾驶汽车能够最终靠算法和大量基础数据识别各种障碍物并自行做出判断。然而中国的路况是充满了挑战的。车辆、非机动车、行人的随机插入一直都是各方讨论的热点。这方面相信百度较谷歌有更多的资源进行基于路况的人工优化，特别是基于中国的高速和地面道路进行大量的路试和调整。下图为百度无人驾驶汽车，由宝马3系GT车顶加装激光扫描仪改装而来。

因为互联技术，特别是车车通信V2X的标准始终没统一。美国在这方面走过许多弯路。

最早的DSRC专用近距通讯技术IEEE802.11p与4G LTE技术之争。DSRC一直以200m内点对点通讯1秒的通讯实时性，压得4G LTE 6~7秒的通讯延迟死死喘不过气来。

不过随着5G LTE或者称LTE-V2X的发展，完全解决了实时性问题。业界也逐渐统一了观点。而通讯又是中国企业的强项。因此差距并不大。

华为在与高通的相关竞争当中并不落下风。华为还率先与多家国内外整车厂展开了合作和实车测试。

但随着V2X技术的引入，信息安全成为关键中的关键。需要政府牵头制订相关加密标准。否则一旦无人驾驶汽车被黑客攻破，其后果是不堪想象的。

通用汽车将把Bolt最为一个平台Platform来不断对其软件进行升级学习。从而向最终的全无人驾驶目标而演进。在CES2016的演讲中玛丽贝拉（通用汽车CEO）透露了通用汽车正在和驾驶辅助系统的领导供应商Mobileye进行合作开发无人驾驶项目。其传统自动驾驶功能主要使用在于良好的高速公路，必须有规范化的车道线和指示信号灯或路牌。而通用汽车和Mobileye开发的系统则可以基于每辆装备安吉星OnStar 4GLTE技术的通用品牌汽车将各个路段的车道线和指示信号灯或路牌图像信息通过移动网络上传到云进行统一计算。这样具备这种技术的无人驾驶汽车就可以基于云数据快速学习多变复杂的道路，最终实现良好的无人驾驶体验。下图为通用汽车和Mobileye开发的地图数据众包采集无人驾驶系统概念图。

如下的加州无人驾驶测试许可也说明了这一点。中国车厂的数量不输于美国。其中互联网车企（百度、乐视汽车、蔚来汽车）扮演者举足轻重的角色。