科学汇|除了不能变形和说话,无人驾驶汽车的原理其实和变形金刚很像

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钱江晚报·小时新闻 记者 郭闻

前几天,上海智能网联汽车规模化载人示范应用启动。同日,滴滴出行首次面向公众开放自动驾驶服务。

实际上,很多学过人教版小学科学四年级的同学,肯定还记得,第四节课讲的就是“未来的交通工具”,其中,老师们一定重点讲过无人驾驶汽车。

那无人驾驶汽车的技术原理是怎样的?主要靠什么来保证正常运行?为何至今没有大规模推广?为此,我们不仅请了两位业内权威来给大家解答,还邀请了浙江工业大学的副教授给大家出了一道编程题。

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汽车如何能无人驾驶

因为有变形金刚一样的大脑

前几天,滴滴出行首次面向公众开放了自动驾驶服务,我们的记者也去体验了这批滴滴自动驾驶汽车,感觉还真不错。

无人驾驶汽车为啥能无人驾驶?

新奇点智能科技集团有限公司技术方案与项目部总监程景柏给大家解释了一下这个工作原理:无人驾驶汽车是通过车载传感系统来感知道路环境,通过车载人工智能单元(AI单元)对于感知的数据进行分析、识别、自动规划行车路线并控制车辆到达预定目的地的智能汽车。

记者觉得,如果用变形金刚汽车人来打比方的话,汽车人看东西是通过它的眼睛,也就是摄像头、各种雷达等,或者统称为传感器;那么它们什么时候要变成汽车人还是人形金刚呢?这就需要用到它们的脑子,就是上面提到智能处理单元来判断了。当他们决定要快速赶路了,这些汽车人就会迅速变成汽车。看上去它们十分有思维有脑子,本质上就是由于智能处理单元具有了某些大脑的功能。

这种智能处理单元,是一种由人预装了程序的装置。只是这种具有人工智能的程序,远比以前要复杂,也更完善,这是因为大数据的介入。

而大数据的收集,目前通过两种方式进行,吉利汽车研究院智能电子软件中心高级技术专家邓堃向记者介绍:“一种是应用人工智能技术的数据收集车,另一种是在普通车辆上加装了雷达和摄影头等装置收集数据。我们通过这两种方式收集了大量数据,以供‘大脑’程序进行计算和分析。”

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雷达就是耳朵,摄像头就是眼睛

它们是无人驾驶汽车的两大“护法”

上面两位专家给同学们普及了无人驾驶的专业知识,那么我们再回到试驾的那些车子来看看。这些车子的车顶上都有一个“大帽子”:圆柱形、不断旋转的传感器以及装有其它传感器的底座。除此之外,从外观来看似乎和别的车子也没有什么不同。

我们在现场问了一下工程师们,他们说,其实这辆车上有近20个传感器——其中包含1个64线激光雷达、2个16线激光雷达、7个摄像头以及毫米波雷达和超声波雷达。

从以上内容我们可以划两个重点——雷达和摄像头。

我们先来说说雷达。对于自动驾驶车辆而言,各种增强版和智能版的雷达就是无人驾驶汽车的耳朵。它们是怎么运作的呢?

其实激光雷达是利用可见和近红外光波发射、反射和接收来探测物体,并测定各方位物体与车辆之间的距离。由于反射度不同,雷达就可以区分车道线和路面。

而作为眼睛的摄像头,其运作也很重要且必要:车道偏离预警、车道保持辅助、前向碰撞预警、行人碰撞预警、全景泊车……

当无人驾驶汽车在行驶时,通过摄像头对目标生成光学图像并投射到图像传感器上。随后高敏感度的图像传感器根据像素分布、亮度、颜色等各种信息,将光信号转换为数字信号。最后,车载数字信号处理器就会根据已经生成的数字信号来计算被测物体的面积、重心、长度等,从而完成图像中的物体的分类和识别。

所以在无人驾驶过程中,通过雷达反射回来的信息,无人驾驶汽车就可以用车载AI设备进行即时3D建模和环境感知,并根据摄像头提供的数字信号生成的被测物体识别信息,比对上一帧和下一帧的环境变化,探测出周围的车辆和行人状态等信息。加之这类雷达的另一大特性是可以同步建图,所以能即刻得到实时全局地图。

有了这份实时全局地图,通过其它链接互联网的车载设备,就可以与高精度地图中的特征物相比对,这样便实现了导航及加强车辆的定位精度。

就此,无人驾驶的基本导航条件就形成了。

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为啥现在还不能大规模推广

因为关键技术还是欠缺一些

但为什么无人驾驶汽车说了许多年,仍然处在小范围的园区试行,而不能大规模商用呢?它的技术难点又在何处?

邓堃说,两项关键技术都还欠缺一些:传感器的高精度和人工智能单元的处理能力。这两样都比较好理解,传感器当然是分辨率、精度越高越好。

前面介绍过,无人驾驶的一个重点就是即时生成的实时全局地图需要通过网络与高精度地图进行对比,这就对卫星有了需求。比如吉利,为了无人驾驶,即将发射两颗自主研发的低轨卫星,实现厘米级的高精定位与导航,为高级别智能驾驶提供服务。至于算法的处理能力,基于中国交通状况的复杂程度,想想这事就挺难为电脑的。逆行、乱走道等不遵守交通规则的行为,会让电脑“头疼”,甚至无法判断,这也是让人觉得不放心的地方。

不过专家们也谈到,无需对无人车持悲观态度,觉得这是个不可能完成的任务。实际上,无人车上的许多技术我们已经陆续应用于普通车辆,并且已是相当成熟,比如定速巡航、自适应巡航、自动停车入位等技术。

而且,在开始阶段,无人车也肯定会有相应的安全保障措施,比如可以设置安全员,这在此次滴滴出行体验上就有配备,并且体验全程都没有切换到安全员接管的人工驾驶模式。未来在智能驾驶技术还没有完全成熟以前,是可以规定,乘坐者需坐在驾驶位,以方便随时切换操作模式。

考考你

点亮五角星

无人车、无人机、无人船的编队表演是现下一种充满科技感又极具视觉感官效果的表演方式。现在,我们用计算机模拟无人车组队表演:在16行×33列的屏幕中亮起五角星造型(如下图所示),其中*号表示亮起的点。请你编写程序,在屏幕中亮起这颗五角星(请用C/C++语言或Python语言解答)。

  出题老师:韩姗姗 浙江工业大学 计算机学院副教授

答案

用C/C++语言编程的答案

用Python语言解答的答案



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