无人驾驶汽车的发展现状与展望

无人驾驶汽车的发展现状与展望课程名称：无人驾驶车辆设计理论学生姓名：张原旗、周昕、王铭轩、张妍、王浩淼、于骁机械与车辆学院0引言近年来，互联网技术的迅速发展给汽车工业带来了革命性变化的机会。与此同时，汽车智能化技术正逐步得到广泛应用，这项技术使汽车的操作更简单，行驶安全性也更好，而其中最典型也是最热门的未来应用就是无人驾驶汽车。也许这一趋势能使无人汽车比新能源汽车更早走入大众的生活。无人驾驶车辆从广义上可以分为地面、空中、水上和水下等多种形式，但现阶段一般特指所有地面无人驾驶载体，它包括军用平台和民用平台，地面无人驾驶车辆起源于军事需求，无人驾驶车辆在军事应用领域的迅猛发展，极大地促进了世界各国研发无人驾驶车辆的热情。无人驾驶车辆具有异常广阔的应用前景。通过车辆与车辆(V2V)以及车辆与基础设施（V2I）的通信，可以实现无人驾驶车辆与其他车辆、基础设施以及人类之间的交互。凭借这种优势，多个无人驾驶车辆之间可以完成编队，通过交叉口、多任务分配等多种方式的协作，从而形成一种全新的智能交通方式。同时在一些工作环境恶劣、劳动强度较大的领域，如矿区环境，无人驾驶车辆也已崭露头角；另外，无人驾驶车辆还可以应用在军事领域，节省人力，提高作战效率，减少人员伤亡。汽车的智能化发展是逐步推进的，2014年美国汽车工程师学会（SAE）将汽车自动化等级定义为以下六个层次：L0无自动驾驶（Level0DriverOnly）：完全由驾驶员控制汽车的速度和方向，没有辅助系统的干预。L1辅助驾驶（Level1Assisted）：驾驶员持续控制着汽车的纵向或横向的驾驶任务，另一方向的驾驶任务由辅助驾驶系统控制，如辅助泊车系统。L2部分自动驾驶（Level2PartialAutomation）:驾驶员必须持续监测动态驾驶任务及驾驶环境。在一定的条件下，自动驾驶系统控制汽车的纵向和横向动态驾驶任务，如交通拥堵辅助系统。L3有条件自动驾驶（Level3ConditionAutomation）：驾驶员不需要持续监测动态驾驶任务和驾驶环境，但是驾驶员必须时刻处于一个可以随时恢复对汽车控制的位置。自动驾驶系统在一定的条件下可以控制汽车的纵向和横向驾驶任务，但是自动驾驶系统的性能有限，要保证驾驶员有足够的反应时间恢复对汽车的控制，如高速公路自适应巡航控制（ACC）系统。L4高度自动驾驶（Level4HighAutomation）:在一定使用条件下，汽车驾驶不需要驾驶员存在，自动驾驶系统控制着汽车的纵向和横向驾驶任务，如城区下的自动驾驶系统。L5完全自动驾驶（Level5FullAutomation）：在所有工况行驶过程中，自动驾驶系统控制着汽车的纵向和横向驾驶任务，不需要驾驶员存在。如今，越来越多的企业开始涉足这块领域，将尖端的IT技术运用到汽车领域中，希望为消费者驾车出行带来更多美好体验。麦肯锡预测，到2025年无人驾驶汽车可以产生2000亿～1.9万亿美元的产值;市场研究公司IHS预测，2035年L5级完全无人驾驶车每年销量可达480万辆。对任何一个行业而言，这都具有足够的市场诱惑。1无人驾驶汽车发展现状无人驾驶技术的发展，离不开需求和技术这两个关键因素。随着市场对汽车安全化和智能化的要求越来越高，越来越多的科研机构、车企、互联网企业、创业公司等加入了这个领域，他们走在无人驾驶技术发展前沿，使得近年来无人车辆智能化和网联化技术取得巨大进步，真正的实现无人驾驶指日可待。1.1国外无人驾驶汽车发展现状国外著名汽车企业及IT行业巨头谷歌都竞相着手研发无人驾驶汽车技术，研发进程十分迅速，不少研发车型已接近量产。在美国及欧洲，允许正在开发的自动驾驶车上路行驶正成为一种普遍现象。美国内华达、加利福尼亚、佛罗里达及密歇根州为谷歌、奥迪等正在开发的无人驾驶车发放了公路试验牌照。欧洲方面，德国向宝马发放了许可证，西班牙也允许无人驾驶汽车上路行驶。GooleX实验室在2007年就开始了无人驾驶汽车研究的各项筹备工作，并在2009年利用丰田车身进行了无人驾驶汽车的初步研发工作。2012年５月，美国内华达州机动车辆管理部门（DMV）为Google无人驾驶汽车颁发了首例驾驶许可证，这也是美国首例自动驾驶汽车的路测许可。而在2014年５月，Google公司公布了其自主设计的无人驾驶汽车，虽然还处于原型阶段，但是它仍然显示出了其与众不同的创新特性。同年12月，Google完成了首辆全功能无人驾驶汽车原型。截止到2015年11月，Google研发的无人驾驶汽车共完成了209万公里的路测。Google在人工智能方面长时间的研发积淀为其无人驾驶汽车的发展奠定了良好的基础，2016年２月，NHTHA表示Google的无人驾驶汽车采用的人工智能系统可以被视为“司机”。同年，Google自动驾驶汽车项目独立成立了新公司Waymo。虽然，Google公司是首家上路测试无人驾驶汽车的公司，并且其无人驾驶技术处于领先地位，但是Google尚未实现无人驾驶汽车的商品化，在这方面要落后于特斯拉和Uber等主要竞争对手。另外，Google公司的无人驾驶汽车所安装的智能零配件成本较高，安装在汽车顶部的64束激光雷达售价就高达７万美元，各种传感器的价格总和达到了25万美元左右，而整个无人驾驶汽车的成本总计约35万美元，过高的成本也是限制Google无人驾驶汽车商业化生产的主要因素之一。2018年1月，Waymo公司正式拿到了美国首个商业自动驾驶打车服务执照，其计划在当年商业化无人驾驶出租车服务。总体来看，Google作为最早发展无人驾驶技术的公司，其依靠自身强大的视觉系统和高精定位为主要优势，在无人驾驶研发领域处于技术领先的地位，并且，其旗下的Waymo公司已经开始与美国汽车行业的其他公司积极开展合作，逐步扩大其无人驾驶汽车的应用场景。特斯拉作为美国另一家具有代表性的无人驾驶汽车的研发公司，其并没有像Google那样采用完全由计算机实现自动驾驶的方式。特斯拉公司在无人驾驶汽车的研发过程中旨在通过无人驾驶帮助司机提高驾驶体验，实现相应的辅助驾驶功能，其无人自动驾驶不会完全替代驾驶员的作用和地位。特斯拉已经在其量产的商用车中，集成了部分基础的自动驾驶功能，但是仍然要求驾驶员做好随时接管车辆的准备。特斯拉公司的无人驾驶汽车的硬件设备包括摄像头、超声波传感器、前置雷达和车载处理器。与Google有所不同的是，其无人驾驶汽车并未采用激光雷达设备，而是使用摄像头和具有40倍计算能力的车载处理器代替。由于特斯拉的自动驾驶汽车已经投入量产，所以其选择的“低成本感知＋高性能计算”的方式对于控制整车成本来说是十分合理的。特斯拉公司的Modle系列车型中加载了自动驾驶系统Autopilot，它可以帮助车主在一些特定情况下实现辅助自动驾驶功能。2016年10月，特斯拉公司在其新车上都安装了Autopilot2.0“完全自动驾驶功能”的硬件系统，其软件部分也包含了多项辅助功能，但是成本却控制在了合理的范围之内。2017年３月，特斯拉宣布推出Autopilot8.1系统，大大提升了无人驾驶汽车的等级。据相关资料统计显示，特斯拉公司的无人驾驶汽车在Autopilot模式下行驶的路程已经超过了2.2亿英里。相对于Google公司的无人驾驶汽车目前还处于测试阶段，特斯拉公司的无人驾驶汽车已经实现了商业化的量产，并且拥有一个关于自动驾驶汽车的商业模式。在特斯拉的创始人ElonMusk看来，当前汽车实现L5自动驾驶的基础已经具备，而且无人驾驶汽车的安全性至少是人类驾驶员的２倍以上，理应加快L5自动无人驾驶的进程。所以特斯拉公司在无人驾驶汽车方面研发的目标在传统的车企以及其竞争对手看来，过于冒险甚至有一些激进。过去几年里，特斯拉自动驾驶汽车曾多次发生事故，从而造成车内人员伤亡。这些事件也引起了人们对于无人驾驶汽车的安全性的广泛讨论，在实现全自动无人驾驶汽车目标的过程中，特斯拉公司必将遇到技术和安全等方面的多重挑战，有许多问题亟待解决。福特公司在2015年也成立了无人驾驶汽车研究团队。为了增强其在自动驾驶中的云计算能力，福特公司在2016年入股了云计算领域的一家公司PivotalSoftware，而在同年７月，其与麻省理工学院共同发起了一项关于机器学习以及自动驾驶系统的研究计划，该计划旨在解决车辆碰撞问题以及改进自主路线规划。除了使用激光雷达测距传感外，福特还尝试使用无人机充当无人驾驶汽车的传感器，并获得了一项新专利。根据最新的专利显示，福特公司想要开发一种新类型的车载传感器，一旦无人驾驶汽车的传感器出现问题，无人机的套件将作为替代组件使用。但是目前这套系统还只是处于专利阶段，此项技术的普及还需要长时间的实验及验证。福特公司计划在2021年开始量产无方向盘的纯无人驾驶汽车，用于无人驾驶的出租车服务。德国的两大著名汽车企业奔驰和宝马公司也各自开展了有关无人驾驶汽车的研发工作。2013年９月，奔驰汽车公司宣布其生产的S级轿车完成了从德国的曼海姆到达普福尔茨海姆的自动驾驶测试，2015年１月，在国际消费电子展上，奔驰公司发布了其旗下F015LuxuryinMotion自动驾驶概念级豪华轿车，并在美国旧金山通过路试。除此之外，奔驰公司还与芯片制造商英伟达公司建立了研发无人驾驶汽车的合作关系。宝马公司早在2006年，就已经开始在赛道上尝试对汽车的自动驾驶进行测试，2011年，宝马公司的无人驾驶汽车的首次路试在德国进行。2014年７月，宝马公司和百度公司达成战略合作，进行无人驾驶汽车的研发和制造，其中，宝马公司负责硬件设施的设计和制造，而百度公司则承担起数据分析和技术服务的任务。2015年底，宝马公司联合奥迪、奔驰公司收购诺基亚地图业务HERE，布局对无人驾驶至关重要的高精地图领域。而在2016年７月，宝马、英特尔以及Moblileye联合举行发布会，宣布进行三方合作，联手进入无人驾驶汽车领域，协同开发无人驾驶电动车iNext，并声明宝马公司将于2021年与两家合作公司共同推出无人驾驶汽车。这也是IT、汽车、ADAS三巨头的首次合作。除了上述企业外，汽车行业的其他公司也纷纷开展有关无人驾驶汽车的研发和制造。包括丰田、奥迪、大众、沃尔沃等传统的车企在内的许多公司都加入了无人驾驶汽车的研究，并制定了相应的战略布局。另外，芯片制造商英伟达、移动专车公司Uber、全球汽车零件供应商博世等公司的积极参与使得无人驾驶汽车产业更加蓬勃发展。1.2国内无人驾驶汽车发展现状国内无人驾驶汽车的发展相对较晚，我国的无人驾驶研究始于20世纪80年代，1992年多个高校联合研发出了我国第一辆具有自主识别功能的ATB-1无人驾驶汽车，一辆国产的面包车上安装了由计算机及相应的检测传感器和液压控制系统所组成的汽车计算机自动驾驶系统，既保持了原有的人工驾驶性能，又能够用计算机进行控制实现一定程度的自动驾驶行车。2000年６月，国防科技大学与中国第一汽车集团联合开发“红旗CA7460”，并且试验成功，其最高时速可以达到130km/h。而其研制的无人驾驶汽车红旗HQ3在2011年通过了试验，从长沙经高速公路自行开往武汉，行程286公里，平均时速87km/h。由于起步较晚，且受到技术条件等相关因素的限制，我国的无人驾驶汽车还处于研发试验的初级阶段，未形成产业市场。目前，国内无人驾驶的研发主体主要是各高校以及科研院所，虽然近年来一些车企开始与高校进行合作，共同推进无人驾驶汽车的研发和制造，尤其是智能辅助驾驶系统的研究。但是也只有为数不多的汽车企业积极开展相应的无人驾驶研发。2013年９月，上汽集团与中国航天科工三院在上海签署了战略合作协议，共同开展有关无人驾驶汽车的研究。同年，比亚迪与北京理工大学联合研制“Ray”无人驾驶车辆，获得2013年“中国智能车未来挑战赛”第一名，首次将无人驾驶车辆环境感知、规划决策和控制技术与汽车动力系统、传动系统和电子控制系统进行了一体化融合设计。除此之外，北京现代汽车与军事交通学院也展开合作研究。随着人工智能的快速发展，国内一些IT企业和各大自主车企也将目光更多地投入到无