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清华自动驾驶前沿报告:解密六大关键技术

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时间:1900/1/1 0:00:00

本文是清华-中国工程院知识与智能联合研究中心的自动驾驶前沿报告,将从技术、人才、应用和趋势等维度对自动驾驶的产业发展进行盘点。无人驾驶:从科幻到地面自动驾驶,即使用传感器和计算机系统的汽车智能驾驶在20世纪已有几十年的历史,在21世纪初呈现出接近实用化的趋势。

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han

通过对人类驾驶员长期驾驶实践的理解,无人驾驶技术可以拆解为“环境感知决策和规划控制与执行”过程中理解、学习和记忆的物化。根据美国国际汽车工程师学会2014年制定的SAE J3016标准,汽车自动化系统可分为六个级别:0级(无自动化)至5级(完全自动化)。该标准不仅被美国交通部采纳为联邦标准,也成为全球汽车行业评估自动驾驶水平的通用标准。

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han

从技术角度来看,无人驾驶汽车是一个软硬件结合的复杂智能自动化系统,已应用于自动控制技术、现代传感技术、计算机技术、信息通信技术和人工智能。从战略角度来看,自动驾驶具有更强的机动性,可以有效提高交通安全,实现节能减排,消除交通拥堵,促进产业转型。毕马威会计师事务所:2014年至2030年间,自动驾驶技术可以使全球车祸死亡人数减少2500人;IHS Automotive:无人驾驶生产汽车将于2025年推出,预计销量为23万辆;英特尔:到2050年,无人驾驶汽车市场的规模将达到7万亿美元。因此,自动驾驶汽车受到了世界各国政府前所未有的关注。国内外的大学和研究机构投入了大量的人力和物力,各大汽车公司、科技公司、汽车零部件供应商和自动驾驶汽车初创公司也在这一领域布局。

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han

在国外,无人驾驶技术的兴起可以追溯到20世纪70年代的实验室。随后,在1984年,国防高级研究计划局(DARPA)与陆军合作开展了自动地面车辆(ALV)项目;同一时期,卡内基梅隆大学、斯坦福大学、麻省理工学院等美国著名大学相继加入无人驾驶汽车的研究工作,著名的NavLab系列智能汽车来自卡内基梅伦大学。2009年,谷歌宣布开始开发司机项目,并于2012年5月获得了美国(内华达州)首个自动驾驶汽车道路测试许可证;

随后,谷歌拆分了自动驾驶业务,成立了一家独立的新公司Waymo。在谷歌的领导下,新的技术力量已经进入无人驾驶领域。

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han

国外无人驾驶汽车发展图谱(重要事件一览)

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han

国外研究机构无人驾驶技术研发过程综述

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han

外国新技术力量对无人驾驶技术研究的贡献(以谷歌为例)与美国和发达国家相比,中国的无人驾驶汽车研究起步较晚,始于20世纪80年代末。与专注于自主研发的外国车企不同,中国汽车制造商大多采取与国内研究机构合作的方式,高效开发无人驾驶技术。2011年,一汽集团与国防科技大学合作开发红旗HQ3无人驾驶汽车,并完成了286公里的高速公路无人驾驶测试。2013年,百度启动无人驾驶汽车项目,并与传统车企开展合作;

随后,高科技公司也加入了竞争。

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han

国内无人驾驶汽车发展地图集(重要事件一览)

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han

国内科研院所无人驾驶技术研发过程综述

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国内新技术力量对无人驾驶技术的研究贡献(以百度为例)六大关键技术概述无人驾驶汽车的关键技术包括环境意识、精确定位、决策与规划、控制与执行、高精度地图与车联网V2X、无人驾驶汽车测试与验证技术。其中,环境意识、决策和规划以及车辆控制都涉及人工智能的应用。

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han

环境感知技术环境感知可以理解为使用传感器套件对车身周围的抖动和静止物体进行三维重建。目前,环境意识技术有两条技术路线。一种是以特斯拉为代表的以摄像头为主导的多传感器融合方案。另一种是以谷歌和百度为代表,以激光雷达为主导,其他传感器为补充的技术方案。

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han0

精确定位技术精确定位技术顾名思义,是让汽车引导其物理位置,涉及惯性导航系统、轮速编码器和轨道计算、卫星导航系统和SLAM自动导航系统。

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han1

决策和规划技术根据环境感知和导航子系统、自动驾驶汽车的行为决策和路径规划系统,结合给定的起点和终点来处理信息。目前,用于自动驾驶决策和规划的专用芯片/计算平台包括英特尔-Mobileye开发的EyeQX和NVIDIA Drive PX系列。

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han2

控制与执行系统车辆控制平台是无人车的核心部件,它控制着车辆的各种控制系统。车辆控制系统可分为两部分:纵向控制(使用节气门和制动器集成控制来跟踪预定速度)和横向控制(包括模拟驾驶员行为和分析车辆动力学)。

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han3

高精度地图和车辆联网V2X为了更好地避免潜在风险,帮助车辆预测复杂的道路信息,如坡度、曲率、路线等,无人驾驶通常需要结合实时高精度地图,而这种实时性能可以通过车辆联网(V2X系统)来实现。

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han4

人工智能在自动驾驶汽车中的应用

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han5

自动驾驶汽车学术热点的分布与迁移根据国际期刊大会的学术论文,AMiner计算并分析了自动驾驶领域全球h指数排名(一个国际公认的能够准确反映学者学术成就的指数)的前1000名学者,并绘制了该领域学者(自动化车辆)的全球分布图。

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han6

自动驾驶领域学者全球分布图

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han7

根据各国自动驾驶人才统计图,从全国范围来看,美国是自动驾驶汽车研究学者最多的国家,其次是英国和中国,该领域的许多人才也都有……

在加拿大和意大利;从地区来看,西欧是自动驾驶人才的中心,而、美国东部等地区也吸引了大量人才。

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han8

中国学者分布就中国而言,自主驾驶研究学者主要集中在北京、上海和南京,其次是Xi的、长沙、武汉和成都。

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han9

根据全球自动驾驶h指数排名前1000位的专家学者的迁移路径统计,美国是自动驾驶领域的大国,人才投入和产出大幅领先(流出略大于流入),其次是英国、德国、中国和加拿大,中国的人才流入大于人才外流。

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han0

全球具有h指数(左)和性别(右)的自动驾驶人才统计从h指数来看,在全球自动驾驶h指数前1000名学者中,20至40名的学者数量最多(占40%),其次是40至60名的学者(占20%);就性别而言,男性自动驾驶学者在百分之九十七中的比例远高于女性。

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han1

中国h指数(左)和性别(右)自动驾驶人才统计图在中国,h指数小于或等于10的学者占最多,占69%,h指数大于或等于60的学者占最少,仅占1%;

从性别来看,中国男性自动驾驶学者的比例为99%,远高于女性。

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han2

国外代表性研究学者

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han3

目前,国内代表性研究人员的应用和趋势自动驾驶的应用主要体现在公共交通、快速交通、老年人和残疾人汽车类别。在公共交通方面,与汽车相比,它更能让普通人受益,让人们感受到人工智能和自动驾驶带来的技术创新和便利,这也使技术成为最初的起点。今年3月,法国EasyMile的自动驾驶巴士EZ10成为加州第一辆没有驾驶座的汽车,这也是第一家受益于加州新自动驾驶政策的公司。随着全球老龄化问题加剧,自动驾驶技术正试图弥补快递等行业的劳动力短缺。随着技术的成熟和市场普及程度的提高,无人配送将成为必然趋势。本文是清华-中国工程院知识与智能联合研究中心的自动驾驶前沿报告,将从技术、人才、应用和趋势等维度对自动驾驶的产业发展进行盘点。无人驾驶:从科幻到地面自动驾驶,即使用传感器和计算机系统的汽车智能驾驶在20世纪已有几十年的历史,在21世纪初呈现出接近实用化的趋势。

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通过对人类驾驶员长期驾驶实践的理解,无人驾驶技术可以拆解为“环境感知决策和规划控制与执行”过程中理解、学习和记忆的物化。根据美国国际汽车工程师学会2014年制定的SAE J3016标准,汽车自动化系统可分为六个级别:0级(无自动化)至5级(完全自动化)。该标准不仅被美国交通部采纳为联邦标准,也成为全球汽车行业评估自动驾驶水平的通用标准。

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han

从技术角度来看,无人驾驶汽车是一个软硬件结合的复杂智能自动化系统,已应用于自动控制技术、现代传感技术、计算机技术、信息通信技术和人工智能。从战略角度来看,自动驾驶具有更强的机动性,可以有效提高交通安全,实现节能减排,消除交通拥堵,促进产业转型。毕马威会计师事务所:2014年至2030年间,自动驾驶技术可以使全球车祸死亡人数减少2500人;IHS Automotive:无人驾驶生产汽车将于2025年推出,预计销量为23万辆;英特尔:到2050年,无人驾驶汽车市场的规模将达到7万亿美元。因此,自动驾驶汽车受到了世界各国政府前所未有的关注。国内外的大学和研究机构投入了大量的人力和物力,各大汽车公司、科技公司、汽车零部件供应商和自动驾驶汽车初创公司也在这一领域布局。

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在国外,无人驾驶技术的兴起可以追溯到20世纪70年代的实验室。随后,在1984年,国防高级研究计划局(DARPA)与陆军合作开展了自动地面车辆(ALV)项目;

同一时期,卡内基梅隆大学、斯坦福大学、麻省理工学院等美国著名大学相继加入无人驾驶汽车的研究工作,著名的NavLab系列智能汽车来自卡内基梅伦大学。2009年,谷歌宣布开始开发司机项目,并于2012年5月获得了美国(内华达州)首个自动驾驶汽车道路测试许可证;随后,谷歌拆分了自动驾驶业务,成立了一家独立的新公司Waymo。在谷歌的领导下,新的技术力量已经进入无人驾驶领域。

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国外无人驾驶汽车发展图谱(重要事件一览)

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国外研究机构无人驾驶技术研发过程综述

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外国新技术力量对无人驾驶技术研究的贡献(以谷歌为例)与美国和发达国家相比,中国的无人驾驶汽车研究起步较晚,始于20世纪80年代末。与专注于自主研发的外国车企不同,中国汽车制造商大多采取与国内研究机构合作的方式,高效开发无人驾驶技术。2011年,一汽集团与国防科技大学合作开发红旗HQ3无人驾驶汽车,并完成了286公里的高速公路无人驾驶测试。2013年,百度启动无人驾驶汽车项目,并与传统车企开展合作;

随后,高科技公司也加入了竞争。

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国内无人驾驶汽车发展地图集(重要事件一览)

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国内科研院所无人驾驶技术研发过程综述

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国内新技术力量对无人驾驶技术的研究贡献(以百度为例)六大关键技术概述无人驾驶汽车的关键技术包括环境意识、精确定位、决策与规划、控制与执行、高精度地图与车联网V2X、无人驾驶汽车测试与验证技术。其中,环境意识、决策和规划以及车辆控制都涉及人工智能的应用。

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环境感知技术环境感知可以理解为使用传感器套件对车身周围的抖动和静止物体进行三维重建。目前,环境意识技术有两条技术路线。一种是以特斯拉为代表的以摄像头为主导的多传感器融合方案。另一种是以谷歌和百度为代表,以激光雷达为主导,其他传感器为补充的技术方案。

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精确定位技术精确定位技术顾名思义,是让汽车引导其物理位置,涉及惯性导航系统、轮速编码器和轨道计算、卫星导航系统和SLAM自动导航系统。

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决策和规划技术根据环境感知和导航子系统、自动驾驶汽车的行为决策和路径规划系统,结合给定的起点和终点来处理信息。目前,用于自动驾驶决策和规划的专用芯片/计算平台包括英特尔-Mobileye开发的EyeQX和NVIDIA Drive PX系列。

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控制与执行系统车辆控制平台是无人车的核心部件,它控制着车辆的各种控制系统。车辆控制系统可分为两部分:纵向控制(使用节气门和制动器集成控制来跟踪预定速度)和横向控制(包括模拟驾驶员行为和分析车辆动力学)。

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高精度地图和车辆联网V2X为了更好地避免潜在风险,帮助车辆预测复杂的道路信息,如坡度、曲率、路线等,无人驾驶通常需要结合实时高精度地图,而这种实时性能可以通过车辆联网(V2X系统)来实现。

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人工智能在自动驾驶汽车中的应用

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han5

自动驾驶汽车学术热点的分布与迁移根据国际期刊大会的学术论文,AMiner计算并分析了自动驾驶领域全球h指数排名(一个国际公认的能够准确反映学者学术成就的指数)的前1000名学者,并绘制了该领域学者(自动化车辆)的全球分布图。

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自动驾驶领域学者全球分布图

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han7

根据各国自动驾驶人才统计图,从全国范围来看,美国是自动驾驶汽车研究学者最多的国家,其次是英国和中国,该领域的许多人才也都有……

在加拿大和意大利;从地区来看,西欧是自动驾驶人才的中心,而、美国东部等地区也吸引了大量人才。

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中国学者分布就中国而言,自主驾驶研究学者主要集中在北京、上海和南京,其次是Xi的、长沙、武汉和成都。

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根据全球自动驾驶h指数排名前1000位的专家学者的迁移路径统计,美国是自动驾驶领域的大国,人才投入和产出大幅领先(流出略大于流入),其次是英国、德国、中国和加拿大,中国的人才流入大于人才外流。

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han0

全球具有h指数(左)和性别(右)的自动驾驶人才统计从h指数来看,在全球自动驾驶h指数前1000名学者中,20至40名的学者数量最多(占40%),其次是40至60名的学者(占20%);就性别而言,男性自动驾驶学者在百分之九十七中的比例远高于女性。

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han1

中国h指数(左)和性别(右)自动驾驶人才统计图在中国,h指数小于或等于10的学者占最多,占69%,h指数大于或等于60的学者占最少,仅占1%;从性别来看,中国男性自动驾驶学者的比例为99%,远高于女性。

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han2

国外代表性研究学者

Century, Beijing, Hongqi, Tesla, Han3

目前,国内代表性研究人员的应用和趋势自动驾驶的应用主要体现在公共交通、快速交通、老年人和残疾人汽车类别。在公共交通方面,与汽车相比,它更能让普通人受益,让人们感受到人工智能和自动驾驶带来的技术创新和便利,这也使技术成为最初的起点。今年3月,法国EasyMile的自动驾驶巴士EZ10成为加州第一辆没有驾驶座的汽车,这也是第一家受益于加州新自动驾驶政策的公司。随着全球老龄化问题加剧,自动驾驶技术正试图弥补快递等行业的劳动力短缺。随着技术的成熟和市场普及程度的提高,无人配送将成为必然趋势。2018年“618”大促期间,20多台配送机器人出现在京东商城的上地配送站。在调度平台的指挥下,首批三台运送“618“商品订单的配送机器人依次出发,并自动赶往订单配送目的地。此外,自动驾驶汽车已经开始在老年人和残疾人这两个消费群体中使用。2012年,谷歌员工让失去95%视力的Steve Mahan坐上了谷歌的自动驾驶汽车,展示了自动驾驶技术的巨大潜力。一方面,自动驾驶汽车的真正落地需要技术上的完善,包括高精度地图和车联网系统的建设,专用计算平台/芯片的推出,以及安全高效的决策规划算法和控制执行系统的实现;

另一方面,有必要完善相关政策法规,在确保产业发展安全和健康的同时,刺激技术发展。智慧认为,从历史演绎的角度来看,自动驾驶作为未来高效、安全的交通运营系统的解决方案,已经从一开始的军事科研项目转变为科技公司进入汽车/出行领域的筹码。其在汽车现代化转型中的核心地位指向颠覆性的价值链重组(根据普华永道艾略特的说法:到2030年,仅数字出行服务的市场规模就将达到2.2万亿美元,但现有汽车制造商的利润将减半)。科技企业正试图通过信息技术的优势整合连横,传统车企也在试图调整战略,与之竞争。2018年“618”大促期间,20多台配送机器人出现在京东商城的上地配送站。在调度平台的指挥下,首批三台运送“618“商品订单的配送机器人依次出发,并自动赶往订单配送目的地。此外,自动驾驶汽车已经开始在老年人和残疾人这两个消费群体中使用。2012年,谷歌员工让失去95%视力的Steve Mahan坐上了谷歌的自动驾驶汽车,展示了自动驾驶技术的巨大潜力。一方面,自动驾驶汽车的真正落地需要技术上的完善,包括高精度地图和车联网系统的建设,专用计算平台/芯片的推出,以及安全高效的决策规划算法和控制执行系统的实现;另一方面,有必要完善相关政策法规,在确保产业发展安全和健康的同时,刺激技术发展。智慧认为,从历史演绎的角度来看,自动驾驶作为未来高效、安全的交通运营系统的解决方案,已经从一开始的军事科研项目转变为科技公司进入汽车/出行领域的筹码。其在汽车现代化转型中的核心地位指向颠覆性的价值链重组(根据普华永道艾略特的说法:到2030年,仅数字出行服务的市场规模就将达到2.2万亿美元,但现有汽车制造商的利润将减半)。科技企业正试图通过信息技术的优势整合连横,传统车企也在试图调整战略,与之竞争。

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