真正的高科技無人駕駛車，不是沒人碰的老爺車
多年以來，汽車產業涌現出了大量的自動化智能技術，這些技術能夠實現自適應巡航定速 (adaptive cruise control)、車道偏離檢測、智能安全氣囊系統等特性。下一步，我們將推出具備視覺功能的汽車，其不僅可為駕駛員提供建議，甚至還能根據道路、交通以及天氣狀況的變化自動做出反應。
目前，實現自動化汽車所必需的大量技術已經具備。當前的挑戰主要在于，如何進行產品定義、系統集成，如何構建智能汽車的基礎結構，以及如何界定汽車的可靠性和容限要求。不過，正如汽車和半導體產業在過去的發展經歷中所表現出的那樣，下一步發展的主要障礙還是在于缺乏足夠的想象力。
Digital Auto Drive (DAD) 是一家總部位于美國加利福尼亞州的研發機構，專門從事基于視覺識別的 3D 影像和導航技術研究，其研究領域充滿挑戰性和感召力。DAD已經采用德州儀器 (TI) 的數字信號處理器 (DSP) 開發出了無人駕駛的豐田 Tundra 卡車，這輛車能自動識別前方道路，進行即時導航決策，完全無需人工干預就能自動行駛。
DAD 車隊將參加美國國防部高級計劃研究署 (DARPA) 于 2005 年 10 月 8 日在內華達州 Primm 舉行的無人駕駛汽車挑戰賽 (DARPA Grand Challenge) ，參賽隊伍達 23 支。獲參賽資格的車隊必須讓全自動越野車輛在莫哈韋沙漠上行駛約 150 英里，以幫助國防部 (DoD) 開發無人駕駛軍用車輛的新技術，相關技術將用于裝備美軍車輛。
促進 DARPA 挑戰賽舉辦的部分原因是，國會曾要求到 2015 年前，所有軍用車輛中三分之一必須實現自動化。在 2004 年的 DARPA 挑戰賽中，無人駕駛車輛穿越了約 110 英里的沙漠，從加利福尼亞州的巴斯托直到內華達州的 Primm。觀察2004年挑戰賽的賽道示意圖，我們發現這條賽道幾乎與從巴格達到法魯賈的道路一模一樣。“自動化”一詞有許多含義，不過本文中的“自動化”是指車輛必須能夠實現完全自動導航，即不采用遙控或通過其他外界方式對車輛施加影響。
軍用市場是無人駕駛車輛技術的直接目標，這也是 DAD 卡車隊的市場對象，不過，消費類汽車市場也將受益于上述技術的進步。在挑戰賽車輛中使用的許多技術，如障礙檢測等，甚至會影響目前領先汽車制造商正在開發中的防撞系統技術。
2004 年挑戰賽回顧
首屆挑戰賽于 2004 年 3 月 13 日舉行。賽道長 142 英里，跨越莫哈韋沙漠沙漠，從加利福尼亞州的巴斯托直到內華達州的 Primm。在到達 2005 年起點的 15 支車隊中，僅 7 輛車越過起始門柵區，只有 4 輛車行駛了 5 英里以上。
DAD 車隊的挑戰賽歷程開始于 QID，車隊在此完成了 8 次試車，次數超過所有其他車隊。DAD 獲得第四旗位 (pole position)，于 2004 年 3 月 13 日早上 6:45 開始挑戰賽賽程。DAD 卡車行駛 6 英里后，停車給拖車讓行，然后自己撞上了石頭。DAD 車隊在路上超過了其他的一個車隊，這也是兩輛無人駕駛車輛間出現超車行為的首次記錄，最終 DAD 車隊的行駛距離在全部參賽者中排名第三。
必須將數項復雜技術進行無縫集成，才能使標準尺寸的輕型載重車自己在起伏不平的沙漠上行駛。DAD 車隊的參賽車輛經過了數千人工小時的設計、編程和檢測工作，該車包括兩大組件：實時立體 3D 影像和車輛伺服控制。這種自動導航的創新技術采用了最先進的 TI DSP 技術，實現了高級伺服控制功能和高速立體視覺系統。此外，DAD 還得益于 TI 廣泛的伺服控制、機器人、車載以及電子技術經驗，各方面技術的完美結合最終形成了自動車輛。
DAD 車隊采用 3D 影像系統 (RTI) 進行環境感測，以避免碰撞到障礙物。該系統采用兩個 CCD 數碼相機獲取全面的 3D 地圖，并用其明確辨別在給定的 GPS 路徑中應做哪些繞行才能避開障礙物。
DAD 車隊所用的自動設計方法過去和現在都非常簡明，只要操作三個開關就能實現自動化操作。在車輛自動行駛狀態下，駕駛員可以坐在車里。這種優化的設計使 DAD 工程師能夠在比賽后坐在卡車里重新再開過一遍賽道。
在自動模式下確保卡車能合法上街行駛，并讓所有乘客都感到舒適，這使 DAD 工程師能坐在車里進行賽前檢測。實際上，DAD 車隊就是開著參賽卡車去參加挑戰賽的。
力爭 2005 年獲大獎——最新技術概覽
為參加 2005 年挑戰賽，DAD 車隊從立體視覺系統轉而采用激光系統來進行卡車自動導航。這種創新系統是一種 64 個元件構成的旋轉LADAR地面映射和障礙檢測系統，用作統一的環境感測系統。該系統擁有 360 度視角、20 度垂直角度功能，能實現穩健的實時 3D 地形映射，突破了傳統的視覺系統難以克服的雨天、黑暗和霧天等難題。
激光系統建立在光發射器和傳傳感二極管基礎之上。為了確定在卡車行駛道路上的有關物體的距離，系統會向物體發出激光，并測量激光到達物體并返回傳感二極管的時間，從而確定與卡車的距離。高速重復上述過程，我們就能獲得用于詳盡描繪地形圖所需的所有相關信息，其比此前設計的所有系統都更為精確。
系統相機采用 DSP 等高級技術進行多次反射辨別，并變化激光強度，采用冗余子相機設備等。相機安裝在車廂頂部中心位置，能清晰觀察到所有方向，并以 600 RPM 的速度旋轉。相機采用支架安裝，并配備有可匯報設備精確轉角位置的慣性導航系統 (INS)，這樣導航計算機就能進行精確控制。
LADAR 相機系統生成自身所用的光，并用專用濾鏡來避免光線反射作用，這樣，在各種光線條件下都能正常工作。由于整部相機不停轉動，因此能甩掉塵土和雨水。LADAR 相機系統除可通過忽略早期反射在霧天和大雨天情況下保持清晰視線外，還集成了動態電源特性，以在不能獲得清晰地面反射的情況下加大激光發射器的強度。
C6000™ DSP 可處理來自 LADAR 系統、卡車 GPS 裝置以及 INS 輸入的數據。TI DSP 的運行頻率高達 1GHz，能夠根據 RDDF 的要求分析車輛的占用寬度 (vehicle path) 和速度，并可將路徑導航與 LADAR 提供的地形圖相結合。如果未發現可行的路線和速度，系統將尋找偏離中心線的可行路徑。LADAR 系統識別物體的大小和距離，包括縱向位置和路面本身的曲線。如果物體不是路面本身，那么假定所有物體都是固體，應當避免碰撞。
在考慮行車路徑時，要結合車輛通過路徑的重力因素。有關信息將用于決定車輛行駛的最高速度，并相應進行加速和制動操作。在各種情況下，軟件都會力圖在 GPS 行駛路程點之內找到最佳的行駛路面及最快的速度。
我們應將激光影像系統提供的信息與預測車輛行駛路徑數據以及最終的導航控制數據進行合成，然后發送給車輛伺服控制導航系統，這些都是通過 TI TMS320C2000™ 數字信號控制器進行的。車輛伺服控制系統實際控制車輛的行駛。該系統主要采用激光影像系統的信息，同時也依靠兩個不同的高精度 GPS 接收機、可實際進行卡車導航的伺服馬達以及 IMU（內部測量單元）等的信息。
IMU 用陀螺儀和運動傳感加速計來糾正 GPS 信號的偏差。陀螺儀和里程表系統足以進行導航，但在通過隧道時需要再次接收 GPS 信號。不過，只要 GPS 信號不穩定，系統就默認采用 LADAR 系統。
在沒有部件或風扇運行的情況下，計算機系統的耗電只有幾瓦特。整個 DAD 導航系統純粹就是為賽事而全新設計的。因此，我們在該系統中嵌入了所有計算功能，其占用面積比傳統的計算系統要小得多。
我們運用 SolidWorks公司的 CAD／CAM 系統對 LADAR 地形測繪和障礙檢測系統進行了充分的設計和建模。整個 PC 板布局都采用 PADS，并針對所有軟件開發采用 TI 的 Code Composer Studio 程序。所有軟件代碼都用匯編程序語言進行內部編程。
未來展望
DAD 吸取首次挑戰賽的經驗教訓，不斷在車輛輪胎、布線、硬件安裝和現場檢測等各方面加以改善。DAD 車隊決心絕不在 2005 年挑戰賽中讓石塊擋住了前進的道路。車隊還針對轉速偏離于理想轉速的情況制定了應急方案。這意味著如果卡車碰上了石塊，它會加大馬力開過去。
DAD 車隊的卡車是 2005 年 DARPA 挑戰賽中唯一一輛完全依靠 DSP 技術參賽的車輛，其自動決策功能將對路面狀況以及超過 500 英尺的潛在障礙物進行評估，并以每秒超過 60 次的速度進行檢測。這一處理能力完全能夠滿足以 100 MPH 速度運行的車輛的要求，這對于其它用用傳感器技術和視覺技術的競爭對手來說，將是一個顯著的競爭優勢。此外，由于 DSP 在控制商業和政府應用的關鍵任務系統方面已擁有數十年的使用經歷，因此具有卓越的可靠性能。
與 2004 年一樣，DAD 參賽車輛在非自動模式下也能像一般車輛一樣由人來駕駛。只要打開安裝在車輛頂棚后視鏡上方的三個開關就能啟動自動模式，這三個開關分別用于控制油門、剎車制動以及轉向控制。關閉這些開關，車輛就和正常的卡車沒什么區別。嵌入式 DSP 計算機占用的空間很小，因此不管車輛是否采用自動模式行駛，都能使乘客舒適駕乘，同時也利于貨物運輸。
許多人都不止一次地這樣想象，如果能在上班的路上讓汽車自動行駛，不用看路、盡管放松休息和享受駕乘樂趣，那該有多愜意。普通消費者想要一邊讀著晨報一邊讓自己的愛車載著自己滿城隨意通行，雖說這一美好愿景的實現尚有待時日，但自動化汽車技術的未來非常看好，這一美夢的實現會比大多數人的想象要快得多。