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自动驾驶来了 究竟是哪些技术让汽车变聪明了?

自动驾驶来了 究竟是哪些技术让汽车变聪明了?0

过去一两年里,无论你是否关心汽车,肯定都没能躲开 Google 无人车的消息。

离一辆无人车自己会去接你下班的未来还有点远。但遇到危险时不需要驾驶者行动,就能自动刹车的主动防撞系统已经成了 2016 年大众帕萨特的新卖点,有这个功能的车型在美国最低不过 20 万人民币出头。更贵的沃尔沃 S60 已经可以自己在高速上跟着堵车大队挪动,而不用驾驶者踩下刹车或油门。

如今智能汽车能做的远不止这些。特斯拉 Model S 的自动驾驶(AutoPolit)功能已经会自动在高速上变道。

传统汽车厂商还没有跟进是因为这还不是绝对安全。

“特斯拉产量很小,用户受教育程度往往也很高。特斯拉还不算大众市场产品,如果通用汽车、克莱斯勒这么干,很快就破产了。”汽车系统整合商采埃孚(ZF)销售副总裁 Robert Evans 告诉《好奇心日报(www.qdaily.com)》。今年 CES 消费电子展上,采埃孚的展区里摆放着几套自动驾驶系统,其中一些已经被用在量产车上。

的确,你可以看到特斯拉 Model S 在行驶中误判路况的视频,但绝大部分时候,它已经知道该怎么开。要不了几年,自动开车、防撞、变道等功能都会成为新车的标配。

汽车是如何从只能跟着驾驶者手脚而动,变得这样“智能”?行业里不同的公司又在做什么?

汽车怎么读懂世界?这些传感器帮它搜集了第一手资料

汽车学会自动驾驶第一步是理解人类所看到的世界,靠的是传感器。

2015 年 11 月丰田由雷克萨斯 GS450h 改装的无人车在日本公路上测试。今年 CES 上,丰田也用这辆改装车展示了自己接近量产的自动驾驶技术。

《好奇心日报(www.qdaily.com)》在现场观察到,整车总共有 5 个激光雷达,3 个普通雷达、3 个光学摄像头以及 2 个 GPS 天线

自动驾驶来了 究竟是哪些技术让汽车变聪明了?1正面是传感器最多的地方

自动驾驶来了 究竟是哪些技术让汽车变聪明了?2车内的摄像头是自动驾驶所需要的最基本传感器

自动驾驶来了 究竟是哪些技术让汽车变聪明了?3侧后方还有两个激光雷达

光学摄像头

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自动驾驶最基本的传感器是摄像头,它的硬件并不先进,像素甚至不如你的 iPhone。 但它能让汽车像司机一样看清前方的路。

一个单色黑白摄像头拍下汽车看到的路况之后,背后的图像识别算法找出了前方的汽车、行人、树甚至是藏在司机视线盲区里骑自行车的人。

Mobileye 可能是目前和汽车公司合作最广泛的智能辅助驾驶技术供应商。通用、宝马、福特等等都是它的客户。特斯拉去年 4000 多辆升级了 Autopilot 的 Modle S 也用到了这个技术。

ZF 销售副总裁 Evans 认为,单摄像头有局限,看的角度比较窄。多摄像头的确是更好的方案。但摄像头不是 Mobileye 技术方案的终点。这家以色列科技公司外购相机元件,自己生产则是一枚加载了优化图像识别算法的芯片 EyeQ。

汽车最终没有看到视频里的画面,而是直接收到指令,比如看到前方有车,系统会直接让车停下来。

很多创业公司也在提供类似的软件解决方案,比如日本无人车自动驾驶技术初创公司 ZMP。为东京奥运会备战的无人车项目,它是主要的供应商。英特尔也在 2 年前注资这家公司。但不是所有公司都像 Mobileye 一样同时做软硬件。

多普勒雷达

这就是常见的倒车雷达。它成像分辨低,很难识别出清晰的物体,却能在雨雪天气中有效地测算出和四周物体的距离。和蝙蝠通过回声定位的原理一样,远近不同的物体反射的电波都不一样。

今年 CES 雷克萨斯展出的自动驾驶汽车,在车灯里藏着 2 个短距离雷达,探测范围最远只有 30 米,足以看清左转、右转时汽车周围的情况,确保驾驶安全。同时,它很好地弥补了雨雪、夜间环境成像质量大打折扣的问题。

图中雷克萨斯自动驾驶汽车的车标里还有一个长距离雷达,可以监测到前方 250 米内的物体。探测范围更远的多普勒雷达能测出前方汽车的行驶速度。定速跟车和变道功能的实现都有赖于此。

激光雷达

摄像头和雷达是无人车基本的配置。但无人车在日常行进中肯定要看到距离更远的路况,给系统更多时间做精准测算。更高级的硬件是激光雷达。

自动驾驶来了 究竟是哪些技术让汽车变聪明了?5福特在 CES 2016 上无人车用到的激光雷达

和 Mobileye 的辅助驾驶方案不同,Google 无人车不需要用算法把平面路况转换成三维的。因为车顶激光雷达系统拍下来的实时路况本身就是 3D 的。街景团队也用的是这种方法,误差控制在 2 厘米以内。

自动驾驶来了 究竟是哪些技术让汽车变聪明了?6激光雷达测算距离

不可见的激光光束能够快速地投射并反射回雷达系统。光的传播速度快过声音,这个常识为无人车实时分析路况奠定了基础。系统内的 GPS 定位会辅助校准激光判断的方位。惯性单位(IMU)则像手机中的陀螺仪一样,能够随时追踪物体移动的速度,帮着判断相对距离。

雷克萨斯的概念车里激光雷达看上去已经不显眼,但目前大多数无人车上用的激光雷达还是像 Google 那样在顶上放一个大圆盘。

成立超过 30 年的硅谷科技公司 Velodyne ,今年 CES 上展示了咖啡罐大小的激光雷达。2007 年它们研发的第一代商用产品 SC-600 IW 直径超过 30 英寸(约等于 76 厘米)。但采用通用技术的一个机械激光雷达成本为 8 万美元。

自动驾驶来了 究竟是哪些技术让汽车变聪明了?7Velodyne 激光雷达体积越来越小

这可能也是 Google 无人车迟迟无法量产的原因之一,激光雷达占去了整车成本的一半。而 1 年前奥迪官方曾称,只有在成本控制在 200 美元时,激光雷达才有可能量产。

为了让这项无人车技术更快地进入日常使用,顺着 Mobileye “弱硬件+强算法”的思路,Quanery 用固态图像传感器替代了 360 度旋转的摄像头和激光测距器,成本将降到 1000 美元一套左右。加拿大创业公司 Leddar Tech 甚至直接用 LED 灯来测距,套件售价只有 299 美元。

不管是单摄像头,还是多摄像头,普通雷达抑或是激光雷达,这类传感器本质上为汽车打造了智能的双眼,使它能看清不同范围内的路况。

更多的传感器,把汽车变成了有车轮的智能手机

一辆普通汽车内部本身就有不少传感器,或者叫做电子元件。1960 年代到 1970 年代,汽车发动机从适应燃料、提高马力再到控制废气排放,整个设计越来越趋向模块化。

一套车载诊断系统(OBD)能监控发动机的运行和尾气排放。除此之外还有制动防抱死系统(ABS),但车载计算机长期处于非常原始的阶段,停留于监控电机故障。而且每增加一个功能,就需要一个搭载 CPU 的独立电子元件。如今一台车少说也有 50 多个芯片,多则上百。

这么多处理器是不科学的。还没创立苹果之前,乔布斯和沃兹为雅达利开发游戏机。老板布什内尔就对乔布斯说,整机每减少一块芯片奖励一百美元。结果,结果沃兹用内存将减少了 50 个芯片。

手机厂商诺基亚曾为了不断更新的硬件元素,疲于升级新系统和芯片处理性能。后来,诺基亚操作系统推出的速度越来越越慢,对各种硬件的兼容还是不够高。

而福特和微软合作的娱乐信息系统第一代 Sync 整整存在了 5 年。而 iPhone 每年从硬件到系统都不只更新一次。

硬件整合

一个整合不同传感器数据的计算平台能够帮助汽车系统设计减轻负担,留更多空间给未来技术。

今年 CES 上,汽车电子元件制造商德尔福最新发布了多域控制器(Multi Domain Controller),前边提到的 ABS 、OBD 和雷达系统都会被集成进去。奥迪将成为这款产品的第一个客户,2016 年的新车型中就能看到。

自动驾驶来了 究竟是哪些技术让汽车变聪明了?8使用 MDC 后,车内电子元件数量明显减少了

这也是各家芯片公司要做的事。

英伟达(NVIDIA)CEO 黄仁勋手里举着的巨无霸芯片 Drive PX 2 ,被他称为“自动驾驶超级电脑”,最多可以处理 12 部 200 万像素摄像头(60fps)产生的数据。

2015 年 3 月荷兰恩智浦半导体公司(NXP)118 亿美元收购了飞思卡尔半导体公司(Freescale)。NXP 擅长为自动刹车和定速巡航功能定制芯片,让汽车联网的无线通信技术则是飞思卡尔的优势。除此之外,2015 年全球车用芯片市场份额前五的公司还包括,瑞萨、英飞凌、意法半导体

同时,为了进入车用芯片市场,传统半导体公司加快了收购互补技术的工作。英特尔去年 12 月 167 亿美元收购了拓朗半导体(Altera)。英特尔并购副总裁文德尔·布鲁克斯(Wendell Brooks)当时表示,将英特尔凌动处理器与拓朗可编程的 FPGA 芯片进行整合,这样的芯片将可以用于汽车电子系统等领域。

这种情景不禁让人回想起 1970 到 1980 年代的电脑市场,当时最大的半导体公司都在日本:NEC、东芝和日立。英特尔还在和美国本土公司 AMD 抢生意。手机厂商摩托罗拉也有自己的芯片生意。现在,Intel Inside 占领了绝大多数笔记本电脑和机房。

这一次呢?更多的创业公司会出现,收购也会随之而来。谁都还没有成为最后的赢家。

操作系统

随着汽车需要的传感器和处理器越来越多,一个统一支撑它们运行的操作系统成为必须。有了操作系统,软件开发才能不管硬件。比如 Android 应用开发者做一个拍照应用,不需要弄清楚每个手机都在用哪一个相机模块。因为 Android 系统自己会对接硬件,他只需要对接系统就好。

黑莓汽车系统 QNX 的产品经理 Kerry Johnson 也告诉《好奇心日报(www.qdaily.com)》,“随着汽车用到的技术越来越多,软件越来越复杂,汽车业需要一个高级操作系统,而不是传统的那些只能提供一种功能的系统。”

电脑和智能手机领域,透过操作系统把复杂的硬件模块藏起来,让软件开发者专注于软件设计是最基本的逻辑。变智能之后的汽车也得这么做。这恰好是黑莓 QNX 正在做的事情。

今年 CES 上 QNX 带来了自动驾驶操作系统。它只做底层的操作系统,完全不涉及硬件制造和实现具体功能的软件算法开发。自动驾驶算法来自以色列初创公司 Adasworks。俄国公司 itseez 提供图像识别算法。处理器的合作伙伴则包括德州仪器、瑞萨、NXP、英特尔和英伟达。

在此之前,强调系统安全的 QNX 被装在了全球超过 50% 的汽车上。但 QNX 不是唯一家做汽车操作系统的公司。半导体公司英伟达在做,自动驾驶技术公司 Mobieye 也试着在做。

当然还有 Google 发起的开放汽车联盟(OAA)。它想和做手机一样,控制智能汽车生产的每一个环节。从硬件生产(汽车公司)、软件研发(科技公司)、计算处理器(芯片公司)到电子元件(零件供应商)。

但 Android 手机厂商的前车之鉴,汽车厂商都看在眼里。福特的董事长比尔·福特就曾表示过,不愿意让汽车公司变成一个硬件制造商,为那些更创新的公司卖命。

而在 Google 的阵营里面,现在已经有奥迪、GM、现代、宾利等多家汽车厂商。除了英伟达的芯片,这些汽车厂商几乎没有用到联盟里的其他产品。

不过,Google 或者苹果说不定哪天会自己做个完整的汽车系统出来。现在 Google 无人车到底用的什么系统?还相当神秘。苹果的造车计划更是如此。

谁把各种硬件和操作系统粘接在一起?

德尔福、大陆集团、博世等等这些市场份额排名前十的零件供应商,成了最终整合硬件和操作系统的公司,而不是汽车公司。

德国传动系统制造商采埃孚(ZF)今年 CES 的展台上,摆出了像车厂一样的概念车,邀请参观者坐进去对着大屏幕体验自动驾驶到来后的世界。展区电视上放着的图像识别视频,打着“Mobileye 授权“的水印。

一方面,它们收购科技创业公司或者找大的技术公司合作软件算法,比如 Mobileye。同时,它们还是 QNX 的客户。另一方面,考虑到安全性对自动驾驶的重要性。零件制造商之间也出现了并购。2014 年 9月 ZF 收购了负债累累的美国天合汽车集团(TRW)。后者擅长为汽车制造安全系统,比如制动防抱死等等。安全也成了 ZF 今年 CES 上自动驾驶解决方案的关键词。

汽车行业发展到今天,出于降低成本的考虑,主机厂只负责整车设计框架。通过招标或者战略合作,从供应商那里外购零件。这个供应链联系相当紧密。“和 Mobileye 等公司合作后把所有系统整合在一起再带给厂商。” ZF 销售副总裁 Robert Evans 告诉《好奇心日报(www.qdaily.com)》,“这是ZF、博世、Continental 等零件供应商做自动驾驶的优势。“

和手机、电脑一样,联网是汽车必须的

地图,这一回不是给人看的

现实生活中,你可能已经离不开地图导航。汽车更是这样。

自动驾驶来了 究竟是哪些技术让汽车变聪明了?9无人车看到的世界

去年下半年被宝马、奥迪、戴姆勒一起收购的欧洲地图公司 HERE 就在做这事。它在 CES 发布了 HERE HD Live Maps。这个听名字很平常,就像是又一个 Google Maps 或者百度地图,但它的运作方式已经完全变了。

平时你用地图,最细的那根线可能就是一条巷子。而专门给汽车定制的地图需要精确到车道上的线是虚的还是实的?如果上面标了“公交专用道”或者“限行时间”,它都要能识别出来。

自动驾驶来了 究竟是哪些技术让汽车变聪明了?10Here 测绘车

另外,车顶上撞着一个圆盘的 Here 地图测绘车,用更精准的激光雷达识别出所有路牌的位置。当汽车看到这些路牌,就能再次通过相对位置帮助自己定位。这种方法让汽车获得了比 GPS 地图上更精确的位置。

也许,你终于可以考虑用一下汽车内置的地图了,而不是手机上的。

和手机地图一样,地图厂商也想从每一辆汽车上获得数据。三家公司宣布要向 HERE 提供数据。全球那么多 Google 街景车甚至是无人车,你很难说 Google 地图已经做到哪一步了。在特斯拉汽车打算自己做地图之前,Model S 中控的导航数据就是来自 Google 地图。

汽车需要连接的不只是互联网,还有局域网

一台汽车足够智能还不够,当它们联网之后,车和车、信号灯、路人等等之间的数据共享将变得更加迅速。

相邻的两辆车突然插入车道时可以防撞。在获取城市的信号灯状况之后,汽车还能预测它什么时候变黄或者红,从而让车自动加速或者减速。

背后使用的技术和高速不停车收费系统(ETC)类似,往每辆汽车里装一个电子标签,在数十米范围内,管理系统可以识别出高速运动的车辆之外,车与车之间也能够互相识别,包括驾驶员身份、车速、相对距离和车速等等。

QNX 在 CES 上播放的四段视频对 V2V 技术有清晰的说明:

这种专用短程通信技术(DSRC)还用于在生产流水线上追踪货物。但实际生活中,兼容这种无线通信标准的硬件并不多。汽车真的想连接一切,可能还需要政府和车厂的共同推动。这不是三、五年内就能完成的。

不只是自动驾驶,汽车的用户界面和交互也在变得又好

车内玻璃是天然的显示屏

2007 年初代 iPhone 用触摸屏取代了功能手机复杂的物理按钮。在汽车变智能的过程中,难用的仪表盘和中控屏幕都会融合到车上现有的几块玻璃上。

特斯拉 Model S 的 17 英寸中控屏幕可能不是最好的解决方案。 2 年前捷豹路虎发布的 Vision 概念车就把汽车信息放到前挡风玻璃上,但这类技术迟迟没有量产。像 HUDWAY 这样手机应用,也想帮着你把实时导航地图投射到前挡上。

自动驾驶来了 究竟是哪些技术让汽车变聪明了?11虚拟前挡风玻璃

于是,零部件制造商伟世通往仪表盘上加了一个屏幕——抬头显示器(HUD)。它最早是战斗机的光学瞄准器,后来被用作显示飞机驾驶信息。让飞行员不用低头也能看到。因为占用宝贵的座舱空间被舍弃,换成了 AR 头盔。但去年上海车展上宝马展示的 AR 头盔更像是一种品牌营销,制造未来感而已。

全玻璃座舱已经成了现代战斗机的标准配置。什么时候能运用到汽车上还很难说,但这是个趋势。

语音识别

现在用 CarPlay、Android Auto 或者福特 Sync 里自带的语音助手,就可以启动一辆汽车或者打开车载空调预热/预冷。

尽管现在手机语音助手都还不够聪明,但对还需要方向盘的智能汽车来说,语音控制是操作其他功能最安全的方式,比如放歌、发短信。目前,宝马和语音识别公司 Nuance Communiation 合作,想让语音助手能听出口音来。

追踪眼球动作,来防止疲劳驾驶

靠红外线摄像头捕捉司机的眼球和面部动作,澳大利亚公司 Seeing Machines 在捷豹的 F-Type 上展示过一套内置实时监测系统,追踪司机的注意力。

透过眼镜或者墨镜也能捕捉你的眼球动作。和紧急制动装置连接,一旦系统发现你注意力不在方向盘上,而且前方出现危险路况时,汽车就会自动刹车。

生物识别

给笔记本电脑做触摸板的 Synaptics 今年 CES 推出了 Natural ID 技术,把指纹识别器嵌入玻璃夹层中,可以隔着玻璃识别指纹。以后不再需要买车后,租车和乘无人车时,如何让这辆车足够私人?通过生物识别,登陆熟悉的歌单、自动调节座椅距离,听起来是靠谱的方法。

智能汽车现在很像 30 多年前的计算机生意。那时,苹果、微软、英特尔都还是小公司。就像今天的汽车,操作系统、CPU、甚至互联网都可以有多个标准。95% 的操作系统装机渗透率一度让微软的网络服务 MSN 成为万维网最早的竞争对手。

今天我们看到这么多做智能汽车技术的公司,它最终也都不会留下来,也会整合进一个个大公司。收购已经开始。德尔福 2015 年一口气收购了 2 家软件公司,还投资做廉价激光雷达的 Quanery。大陆集团收购了自动驾驶软件公司 Elektrobit Automotive 公司。

等到市场玩家稳定下来后,自动驾驶差不多就真正来了。

不管自动驾驶的竞争谁胜谁负,汽车厂商对汽车的控制权都在变弱。以往,造车是汽车行业的核心,拿着发动机专利的汽车公司牢牢控制着整个行业。现在,控制自动驾驶的是芯片公司、软件公司、互联网公司……甚至零部件整合商已经在今年 CES 上展出了自家的无人车。

前通用 CEO Dan AKerson 曾表示苹果远远低估了造车的挑战,“如果我是苹果股东,就会不太高兴。我很怀疑加入利润薄、工艺复杂的制造环节会有多少好处。”

自动驾驶到来后,如果不能渗入系统、服务环节,汽车公司能守住的大概也就是保留这个制造环节而已,沦为一个组装硬件的公司,就像做 iPhone 的富士康。

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责任编辑:周西淋