12月20日,由中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)主辦,CAAI智能駕駛專(zhuān)委會(huì)、上海交通大學(xué)、上海人工智能研究院有限公司、江蘇南京生態(tài)科技島經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)管理委員會(huì)、中新南京生態(tài)科技島開(kāi)發(fā)有限公司承辦的“2020智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)高峰論壇”在江蘇南京中新生態(tài)科技島舉辦。主旨報(bào)告環(huán)節(jié),CAAI智能駕駛專(zhuān)委會(huì)主任鄧偉文教授帶來(lái)了題為《人與環(huán)境:汽車(chē)智能駕駛的關(guān)鍵挑戰(zhàn)》的精彩演講。
以下是鄧偉文教授的演講實(shí)錄:人工智能技術(shù)有很多應(yīng)用,智能駕駛是其中的一個(gè)重要領(lǐng)域。
首先來(lái)看傳統(tǒng)的汽車(chē)駕駛。傳統(tǒng)汽車(chē)是一個(gè)典型的機(jī)電一體化控制系統(tǒng),雖然也很復(fù)雜,但總體上是一個(gè)確定性系統(tǒng),包括車(chē)輛、傳感器、控制器。汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)控制,包括軌跡跟隨、緊急避撞、自動(dòng)泊車(chē)等都是通過(guò)對(duì)力的控制實(shí)現(xiàn),而力的來(lái)源主要是汽車(chē)輪胎。
車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的核心是輪胎動(dòng)力學(xué),涉及縱橫向和垂向動(dòng)力學(xué)的耦合,這也是車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵和精髓。
汽車(chē)控制包括對(duì)車(chē)體的控制,比如汽車(chē)的操控穩(wěn)定、平順性等,以及對(duì)車(chē)輪的控制,如ABS、TCS等,防止車(chē)輪鎖死或打滑等失穩(wěn)現(xiàn)象。此外汽車(chē)控制還包括對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制,如汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向控制等。
這是傳統(tǒng)汽車(chē)的功能架構(gòu)。汽車(chē)的環(huán)境干擾主要來(lái)源于空氣動(dòng)力學(xué),如側(cè)風(fēng)或陣風(fēng)等,還有道路路面干擾等。我們通過(guò)電控線控執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)受力和運(yùn)動(dòng)的控制。傳統(tǒng)汽車(chē)既有人的駕駛,也有機(jī)器駕駛,這就是人機(jī)共駕,但機(jī)器聽(tīng)人指揮,環(huán)境由人負(fù)責(zé);人是發(fā)號(hào)施令者,這樣人是完美的,而環(huán)境與車(chē)基本無(wú)關(guān)。我們把這類(lèi)人機(jī)共駕稱(chēng)為人主機(jī)從,即人指揮機(jī)器。
汽車(chē)電控出現(xiàn)在上世紀(jì)的8、90年代,之后隨著環(huán)境傳感器的出現(xiàn),就出現(xiàn)了汽車(chē)輔助駕駛系統(tǒng)、汽車(chē)主動(dòng)安全系統(tǒng),這些統(tǒng)稱(chēng)為ADAS系統(tǒng)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展演進(jìn),將會(huì)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的自主駕駛。這是一個(gè)汽車(chē)電子化和智能化不斷發(fā)展的過(guò)程,使傳統(tǒng)汽車(chē)走向了智能汽車(chē)。
隨著智能網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)汽車(chē)實(shí)現(xiàn)了從機(jī)械結(jié)構(gòu)體向信息體的轉(zhuǎn)變,向具有環(huán)境感認(rèn)知的智能體轉(zhuǎn)變,并實(shí)現(xiàn)從過(guò)去單一交通運(yùn)載工具向移動(dòng)通信的網(wǎng)聯(lián)體轉(zhuǎn)變過(guò)程。這些構(gòu)成了汽車(chē)顛覆性的革命技術(shù)。
汽車(chē)智能化技術(shù)的挑戰(zhàn),很重要的原因就是行駛環(huán)境成為了汽車(chē)的一部分。汽車(chē)行駛環(huán)境復(fù)雜多變、不可預(yù)測(cè)、不可窮舉,使得如何應(yīng)對(duì)復(fù)雜開(kāi)放的行駛環(huán)境成為智能汽車(chē)的重要挑戰(zhàn),不可在復(fù)雜環(huán)境下的感知認(rèn)知,以及作為量產(chǎn)產(chǎn)品的高效安全和可靠性測(cè)試驗(yàn)證。這是汽車(chē)智能駕駛面臨的兩個(gè)重大挑戰(zhàn)。
汽車(chē)智能駕駛系統(tǒng)可以分為環(huán)境傳感感知、決策規(guī)劃、控制執(zhí)行等幾大部分,或類(lèi)似人感官、肌肉和大腦。這是一個(gè)包含人機(jī)環(huán)境的復(fù)雜系統(tǒng)。
機(jī)的概念相對(duì)簡(jiǎn)單。汽車(chē)智能駕駛主要是軌跡跟隨,包括路徑跟隨和速度跟隨,如自適應(yīng)巡航系統(tǒng),它是一個(gè)速度和距離跟隨的控制系統(tǒng);無(wú)人駕駛本質(zhì)上都是軌跡跟隨。汽車(chē)自動(dòng)駕駛的軌跡跟隨控制更多的是在線性條件下的運(yùn)動(dòng)控制,因?yàn)闄C(jī)器駕駛可以避免人的過(guò)度或不當(dāng)操控,包括踏板、油門(mén)和轉(zhuǎn)向等,相對(duì)而言它是一個(gè)比較簡(jiǎn)單的線性控制。
也有例外,這種情況下既要通過(guò)軌跡跟隨實(shí)現(xiàn)避撞,同時(shí)還要考慮運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性,如左圖所示是一個(gè)比較典型的多目標(biāo)控制系統(tǒng);右邊顯示的是一個(gè)高速?gòu)澋馈⒌透街访嫦聦?shí)現(xiàn)避撞和車(chē)輛穩(wěn)定性控制的示意圖。這種情況下前面講的線性小角度假設(shè)就不成立,系統(tǒng)之間的控制目標(biāo)有沖突,彼此耦合等??偠灾瑱C(jī)的問(wèn)題相對(duì)變得沒(méi)有那么突出,但人的問(wèn)題、環(huán)境問(wèn)題是兩個(gè)比較重要的問(wèn)題。
在汽車(chē)智能駕駛領(lǐng)域,谷歌的Waymo是領(lǐng)先者,一開(kāi)始就做L4級(jí)的自動(dòng)駕駛,甚至要把安全員從駕駛位去除。他們的CEO有一段講話,其核心就是兩點(diǎn),一是自動(dòng)駕駛很遙遠(yuǎn)、非常難;二是人的作用永遠(yuǎn)存在,不管是無(wú)人駕駛也好,還是人機(jī)共駕,完全的自主駕駛不可能存在。
汽車(chē)智能駕駛總的來(lái)講是機(jī)器輔助人、部分甚至完全替代人的駕駛系統(tǒng)。從汽車(chē)輔助駕駛開(kāi)始,系統(tǒng)通過(guò)語(yǔ)音提示、警示、部分干預(yù)、到完全接管人的駕駛。根據(jù)美國(guó)SAE的自動(dòng)駕駛分級(jí),或中國(guó)工信部出臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn),總體分為輔助駕駛、有條件自動(dòng)駕駛、高度自動(dòng)駕駛、完全自動(dòng)駕駛。人的作用在駕駛鏈里逐漸減少,機(jī)器的作用則在逐步增加。
這個(gè)拐點(diǎn)就是我們通常講的L3級(jí)自動(dòng)駕駛,包括駕駛主體、責(zé)任和方式都有了突變。L1、L2是以人為主的輔助駕駛,L3是以機(jī)為主體的自動(dòng)駕駛。自動(dòng)駕駛包含兩個(gè)截然不同的控制系統(tǒng),一個(gè)是生物體的人駕駛,一個(gè)是以計(jì)算機(jī)為主體的機(jī)器駕駛;上面是機(jī)器,下面是人,人通過(guò)感官,包括聽(tīng)覺(jué)、觸感和體感等感知行駛環(huán)境,這是一個(gè)典型的人機(jī)共駕系統(tǒng)。
人機(jī)共駕系統(tǒng)多多少少是智能駕駛道路上的無(wú)奈之舉,一個(gè)很重要的原因就是大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化,低成本約束是汽車(chē)行業(yè)一個(gè)很鮮明的特點(diǎn)和約束。人機(jī)共駕希望機(jī)器幫助人,但因?yàn)榈统杀鞠聜鞲衅鞯牟蛔銓?dǎo)致對(duì)行駛環(huán)境感認(rèn)知的不足,系統(tǒng)還需要人參與駕駛。
當(dāng)前的人機(jī)共駕主要還是人機(jī)交互問(wèn)題,包括交互時(shí)機(jī)、交互方式、主動(dòng)或被動(dòng)交互等,其核心是駕駛權(quán)的分配問(wèn)題,機(jī)器與人駕駛平穩(wěn)過(guò)渡的問(wèn)題。人機(jī)共駕實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)交互,做到人機(jī)協(xié)同共駕,駕駛權(quán)分配是關(guān)鍵;兩者可以是共享型或切換型,包括控制權(quán)的共享、駕駛行為協(xié)同等。
就這個(gè)問(wèn)題我們做了研究,一方面是理解人的駕駛特征,這是人機(jī)共駕的關(guān)鍵,包括駕駛意圖、駕駛狀態(tài)、駕駛習(xí)性等。首先要研究人的駕駛機(jī)理,人究竟怎樣駕駛,包括人和機(jī)駕駛在機(jī)理上的差異性。從人性化駕駛角度看,駕駛員所謂的個(gè)性特征研究,人在駕駛過(guò)程中怎么處理對(duì)于感知信息的協(xié)同問(wèn)題,其核心點(diǎn)是對(duì)駕駛特征的理解,包括不同行駛環(huán)境下不同車(chē)輛駕駛?cè)说鸟{駛狀態(tài)、駕駛習(xí)性和駕駛技能,這是人機(jī)共駕的關(guān)鍵。這是重慶大學(xué)團(tuán)隊(duì)在模擬器上實(shí)現(xiàn)的人和機(jī)不同情況下的接管和交互實(shí)例,即如何實(shí)現(xiàn)駕駛權(quán)分配的問(wèn)題。
另一方面就是人機(jī)共駕的個(gè)性化問(wèn)題。每個(gè)人的駕駛習(xí)性和風(fēng)格不一樣,一輛車(chē)兩個(gè)駕駛?cè)四懿荒苄纬珊椭C協(xié)同的駕駛,這是對(duì)人機(jī)共駕的共性理解。
能不能建立類(lèi)我的駕駛,即通過(guò)油門(mén)、踏板、方向盤(pán)等不同的駕駛操作體現(xiàn)出類(lèi)我的駕駛習(xí)性。以縱向控制為例,速度跟隨和距離跟隨,包括最后的加減速度的方式是不同的。駕駛的個(gè)性化行為特征研究是其中一個(gè)關(guān)鍵。研究方法總體來(lái)講,是通過(guò)離線建模和在線辨識(shí)的方法。離線建??筛鶕?jù)分辨率形成穩(wěn)健型、激進(jìn)型和正常型等不同類(lèi)型。通過(guò)采集數(shù)據(jù),建立離線駕駛習(xí)性模型,包括穩(wěn)健、正常和激進(jìn)型駕駛習(xí)性。
通過(guò)在線辨識(shí),判斷某個(gè)駕駛員究竟屬于什么類(lèi)型,對(duì)于不同駕駛員在線判斷他的駕駛操控形成對(duì)駕駛員駕駛習(xí)性的在線辨識(shí)。
我們通過(guò)和企業(yè)合作,將個(gè)性化駕駛特征應(yīng)用到了自適應(yīng)巡航系統(tǒng),并做了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證??梢钥吹讲煌母?chē)距離、跟隨過(guò)程,速度跟隨、距離跟隨等可以體現(xiàn)出每個(gè)人的個(gè)性化駕駛特征。
人機(jī)共駕里很重要的問(wèn)題就是擬人化問(wèn)題。類(lèi)人駕駛能力,智能駕駛不僅要具備對(duì)運(yùn)動(dòng)的操控,很多時(shí)候要有推理判斷、決策能力,特別是復(fù)雜的突發(fā)事件處理能力。很多涉及到道德規(guī)范、倫理的問(wèn)題,具備人的感性、悟性、靈性、理性,做機(jī)械做不到的方面。
汽車(chē)智能駕駛,從人機(jī)交互向人機(jī)融合發(fā)展,人和機(jī)怎么實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)協(xié)同交互,包括我們說(shuō)的監(jiān)管,希望進(jìn)一步能夠形成以認(rèn)知為中心的人類(lèi)智能和以計(jì)算為中心的人工智能,以提升我們?cè)跊Q策上的不足,特別是對(duì)于復(fù)雜場(chǎng)景,突發(fā)事件機(jī)器上決策的不足。這個(gè)過(guò)程就是以認(rèn)知為中心、以計(jì)算為中心,人工智能兩者之間的融合。
融合很重要的方面是通過(guò)對(duì)人的狀態(tài)習(xí)性、駕駛技能的判斷,特別是人的駕駛意圖,來(lái)形成人的駕駛感知和人的駕駛意圖的識(shí)別,為人機(jī)融合智能駕駛奠定基礎(chǔ)。
一方面有人的駕駛行為,比如人的關(guān)注方式、范圍、形式、強(qiáng)度等,這是人對(duì)世界的感知特點(diǎn)。我們有一系列的環(huán)境傳感器,比如相機(jī)、雷達(dá)等,這即是精準(zhǔn)感知,對(duì)道路識(shí)別、目標(biāo)識(shí)別的特點(diǎn)確定性的感知。人的感知具有不確定性,這就構(gòu)成了人機(jī)協(xié)同系統(tǒng),提升了決策的可靠性,所謂混合決策,最后提升人機(jī)對(duì)于人駕駛的接受度和舒適度。
我們走過(guò)了早期汽車(chē)電控系統(tǒng),主要是人主機(jī)從,到人是正常且完美的,人是駕駛鏈的BUG,這個(gè)過(guò)程中主要是人機(jī)交互。
人是一個(gè)高度智慧體,怎么發(fā)揮人對(duì)于這個(gè)世界感知的優(yōu)勢(shì),包括決策的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)人機(jī)融合智能,這是未來(lái)汽車(chē)自主駕駛的發(fā)展方向。
汽車(chē)的智能化總體來(lái)講是一個(gè)機(jī)器自動(dòng)化,向類(lèi)人自動(dòng)化的演繹,目前主要停留在第一階段,是人在教機(jī)器,通過(guò)編程、預(yù)設(shè)行駛場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)。隨著智能化的發(fā)展,機(jī)器學(xué)人駕駛,也就是類(lèi)人駕駛,這里面用到的就是人工智能技術(shù)。
人的問(wèn)題是其中的一個(gè)挑戰(zhàn),環(huán)境是另外一個(gè)挑戰(zhàn),系統(tǒng)里包含大量的不確定性因素,這些不確定因素很大程度上是因?yàn)閭鞲衅鞯木?、分辨率、檢測(cè)范圍不足,這個(gè)不確定形成的誤差、噪聲、干擾等,會(huì)通過(guò)傳感感知系統(tǒng)傳導(dǎo)到我們的決策規(guī)劃,到最后的控制執(zhí)行,對(duì)汽車(chē)的安全行駛構(gòu)成威脅。
據(jù)統(tǒng)計(jì)有多達(dá)43%的人認(rèn)為自動(dòng)駕駛汽車(chē)不安全,有多達(dá)75%的人寧愿自己開(kāi)車(chē)也不愿乘坐自動(dòng)駕駛的車(chē)輛,只有當(dāng)自動(dòng)駕駛汽車(chē)比人駕駛安全4~5倍,人們才會(huì)信任自動(dòng)駕駛。
安全可靠性的測(cè)試長(zhǎng)期以來(lái)是汽車(chē)量產(chǎn)里一個(gè)很重要因素,功能安全是其中一方面,ISO26262因?yàn)楣收虾褪?lái)的安全問(wèn)題,很多時(shí)候是因?yàn)閷?duì)于系統(tǒng)的這些問(wèn)題,我們不足以來(lái)應(yīng)對(duì)它。
現(xiàn)在行業(yè)也在探討所謂多主體的安全,它來(lái)自于周邊別的車(chē)輛和行人對(duì)你構(gòu)成的威脅,這些問(wèn)題都是汽車(chē)智能駕駛在安全方面要做的規(guī)范和探討。
安全事故往往是小概率事件,測(cè)試驗(yàn)證需要很大的樣本、很長(zhǎng)的周期,美國(guó)的蘭德公司的報(bào)告告訴我們,這個(gè)問(wèn)題就是究竟需要多少英里才能證明?行駛1億英里大約會(huì)造成1.16人死亡,只靠傳統(tǒng)的場(chǎng)地測(cè)試驗(yàn)證已經(jīng)做不到了。
從安全的角度考慮,危險(xiǎn)機(jī)械的工況不太可能通過(guò)封閉園區(qū)、開(kāi)放道路來(lái)測(cè)試,這個(gè)測(cè)試成本極高;另外就是效率,還有里程數(shù)沒(méi)有辦法。虛擬的數(shù)字實(shí)驗(yàn)場(chǎng)變成了一個(gè)非常重要的途徑。公共Waymo,到現(xiàn)在為止這個(gè)數(shù)據(jù)已經(jīng)達(dá)到150億英里,而道路測(cè)試總里程數(shù)才2 000萬(wàn)公里。仿真測(cè)試在虛擬理解里,我們構(gòu)建道路結(jié)構(gòu)、交通、天氣光照的因素來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的測(cè)試。如果這些是自動(dòng)駕駛,包括它的軟硬件等,核心問(wèn)題是能不能構(gòu)建出這么一個(gè)世界或者場(chǎng)景來(lái)測(cè)試它。場(chǎng)景來(lái)源于我們對(duì)世界的抽象認(rèn)識(shí),這個(gè)世界無(wú)限豐富,極其復(fù)雜,沒(méi)有邊界。
通過(guò)建模構(gòu)建測(cè)試驗(yàn)證和評(píng)價(jià)體系,包括世界模型,以及道路模型、交通模型、氣象模型,相機(jī)模型包括單目相機(jī)、雙目相機(jī)等,來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。
怎么構(gòu)成基于對(duì)世界的理解,就是我們中間講的場(chǎng)景。一部分是靜態(tài)的,比如道路、交通、設(shè)施等;還有一部分是動(dòng)態(tài)的,特別是動(dòng)態(tài)的,它既有實(shí)際特征又復(fù)雜,沒(méi)有邊界。怎么構(gòu)建這個(gè)場(chǎng)景?一方面我們提出行駛環(huán)境里三維組合的場(chǎng)景概念,比如高速公路、城鄉(xiāng)道路、封閉園區(qū)等,環(huán)境的影響;另一個(gè)方面就是駕駛場(chǎng)景,你的速度和駕駛模式是什么,這是場(chǎng)景的三維組合。
四維的映射,從傳感器的角度,特別是自動(dòng)駕駛里的測(cè)試,比如雷達(dá)、相機(jī)等,我們來(lái)看它的幾何特征,形成一個(gè)對(duì)行駛環(huán)境四維的映射。
場(chǎng)景是可以模擬的,比如封閉園區(qū)、數(shù)字虛擬場(chǎng)景、實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景,它的優(yōu)勢(shì)可以自動(dòng)生成,甚至可以大量生成,而且可以解決數(shù)據(jù)里的標(biāo)注問(wèn)題。模擬場(chǎng)景的核心點(diǎn)是要構(gòu)建出復(fù)雜的道路,無(wú)序的交通、惡劣的天氣和突發(fā)事件,這些在日常行駛過(guò)程中很難構(gòu)建。
場(chǎng)景構(gòu)建解決了另一個(gè)問(wèn)題,就是數(shù)據(jù)的來(lái)源?,F(xiàn)在大量的數(shù)據(jù),深度學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)是一個(gè)重要的方面,構(gòu)建虛擬的數(shù)字實(shí)驗(yàn)場(chǎng),形成人工場(chǎng)景數(shù)據(jù)。
仿真測(cè)試支撐產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的方方面面,通常我們講的V字型的模式,左邊是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分解的過(guò)程,這個(gè)過(guò)程可以通過(guò)大量的軟件模擬仿真來(lái)支撐它的開(kāi)發(fā)。右邊是不斷的集成和驗(yàn)證的過(guò)程,這樣就有不少的硬件,包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器、車(chē)輛都可以構(gòu)成硬件在環(huán)仿真。最后可以引入人的環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)主客觀評(píng)價(jià),駕駛模擬器,構(gòu)成了一個(gè)完整的對(duì)于汽車(chē)開(kāi)發(fā)環(huán)境的支撐。
最后簡(jiǎn)單介紹一下我們開(kāi)發(fā)的一個(gè)仿真平臺(tái)。這個(gè)平臺(tái)首先是車(chē)輛動(dòng)力學(xué),不同的車(chē)輛(包括電動(dòng)汽車(chē)、汽油車(chē)、客車(chē)等)構(gòu)成了車(chē)輛動(dòng)力學(xué)的模型,在數(shù)字虛擬環(huán)境下構(gòu)建了行駛環(huán)境的模擬,比如道路、高度結(jié)構(gòu)、道路紋理,對(duì)車(chē)道線檢測(cè),包括車(chē)輛的檢測(cè)非常重要,三維場(chǎng)景的行駛模擬。
這是我們給戴姆勒做的實(shí)例,從地圖導(dǎo)入,自動(dòng)生成場(chǎng)景——德國(guó)的城市,構(gòu)建的一個(gè)場(chǎng)景。
世界模擬的核心是交通,特別是交通里的邊界條件,極端的異常交通工況怎么進(jìn)行模擬?這是我們構(gòu)建的Traffic Builder。
剛才我們提到的行駛環(huán)境或場(chǎng)景都是給傳感器看的,主要的車(chē)載傳感器包括毫米波雷達(dá)、相機(jī),還有激光雷達(dá)、超聲波、無(wú)線通信、定位等,傳感器建模就顯得非常重要。
有了這個(gè)系統(tǒng)后,可以在一個(gè)軟件環(huán)境下打造一個(gè)基于虛擬平臺(tái)的仿真測(cè)試平臺(tái),構(gòu)建由環(huán)境模型、道路交通、天氣光照,支撐我們開(kāi)發(fā)處理算法、控制算法等。進(jìn)一步可以引入軟件在環(huán)模型等,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)仿真測(cè)試,進(jìn)一步可以支撐打造分布式的機(jī)群,來(lái)支撐多傳感模擬仿真,包括N路相機(jī)、雷達(dá);支撐處理器的開(kāi)發(fā),把模擬數(shù)據(jù)傳過(guò)去,在實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境下生成大量的測(cè)試算法。
汽車(chē)自動(dòng)駕駛離不開(kāi)測(cè)試,沒(méi)有充分的測(cè)試就沒(méi)有足夠的安全,沒(méi)有足夠的安全就不可能有自動(dòng)駕駛的量產(chǎn)。仿真測(cè)試將是汽車(chē)自動(dòng)駕駛最為重要且最具挑戰(zhàn)性的測(cè)試技術(shù)。
掃一掃在手機(jī)上閱讀本文章