戈壁中的百万比赛:主动驾驶汽车是怎样发生的?
2019-07-08 21:00

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Photo by Nicolas Cool on Unsplash


在2004年的一个凉快的星期四早上,第一次呆板人汽车竞赛在美国莫哈韦戈壁拉开了战幕。随着太阳升起,一只戈壁乌龟从窟窿中探出头来,盼望能在敏捷变暖的公路上享用一天的阳光。明天它发明本人被困在了窟窿左近,无论往哪个偏向都步履维艰。


约莫20名生物学家在这个窟窿和相似的窟窿四周设置了路障,以维护濒临灭尽的植物免受行将驶过左近公路的呆板人汽车的损伤。他们适当地估计了这些汽车无法坚持在公路下行驶,更不必说避开它们两头的乌龟了。


主动驾驶汽车应战赛


事先人们对赛车能否能完成竞赛的预期大相径庭。赛事司理绝不模糊地宣称,成功者会在10小时内跑完142英里的赛程。但有人疑心能否会有任何一辆赛车能完成竞赛,呆板人社区的许多人都有此疑心。


百万美元奖金危如累卵。克里斯•厄姆森(Chris Urmson)是比赛这笔奖金的人之一,他是一个开辟主动驾驶悍马汽车的研讨团队的设计带头人。克里斯身体细长,顶着一头混乱的金发。在传奇呆板人专家“老红”威廉•惠特克的指点下,克里斯正在卡内基–梅隆大学攻读博士学位。


克里斯•厄姆森(Chris Urmson)


他十分专注于本人的研讨,在戈壁中花了近两个月的日期对车队的悍马停止测试,一度延续任务近40个小时。在一次永劫间的测试中,他不断等待到半夜时分,伸直在厚厚的毯子下,看着悍马兜圈子。透过薄雾,车头灯光依稀可见,只见悍马忽然偏离了道路,撞上了铁蒺藜围栏。在另一次实行中,悍马在急转弯时翻了车,传感器被抛弃了,花了几个星期才修复。克里斯晓得,这些变乱发作在竞赛前比发作在竞赛中要好得多。


竞赛当天,克里斯和他的团队设计的装满了传感器的悍马从乌龟窟窿阁下疾驰而过,紧随厥后的是另一辆赛车。悍马曾经行驶了约莫25分钟,它的车速并烦懑,在驶过的7英里赛程中,它的均匀时速略高于15英里,但它依然比当天其他参赛车辆要好得多。这辆呆板人汽车的挡风玻璃被大大的“CAT”(卡特彼勒汽车)徽标挡住,它自大满满地向前疾驰。但忽然,随着一个向左的急转弯,它的视野一片乌黑。由于看不见路,汽车成了瞎眼行驶。

 

怎样设置主动驾驶汽车的速率?


悍马是怎样主动行驶7英里的?你能够听说过,主动驾驶汽车完成主动驾驶所运用的技能是呆板学习,特殊是深度神经网络。但是克里斯和他的同事赛后描绘他们的悍马时,基本没有提到呆板学习和神经网络。事先是2004年,间隔人们研讨出怎样训练神经网络牢靠地“看到”物体另有快要10年的日期。


那么,这些晚期的主动驾驶汽车运用了什么技能呢?当人们提供应一辆汽车要拜访的一系列所在时,它怎样在偏僻的交通方便的戈壁公路下行驶数英里?在深化讨论这些细节,即主动驾驶汽车软件的各局部之前,让我们先疾速理解一下盘算机控制汽车硬件的方法。


怎样设置主动驾驶汽车的速率?简而言之,汽车需求把盘算机给它的数字(比方“25”)转换成详细的工具,即汽车的行驶速率。让这比听上去更难的是,物剃头动机不晓得“25”是什么意思。比方,即便你晓得给电动发起机施加250伏的电压会让汽车以每小时25英里的速率行驶,你也无法经过复杂地调高或调低电压来取得想要的速率。


假如想让汽车以每小时1英里的速率行驶,你不克不及指望给发起机施加10伏的电压它就能做到。在10伏电压下,发起机基本不会转动。18世纪,人们经过运用一种叫离心调速器的安装处理了这个题目,这种安装创立了一个反应回路来控制发起机的速率。离心调速器是一种带有两个金属飞球的“旋转”安装,如图所示,你能够会把它同蒸汽机和发蒙时期的机器车间联络起来。当发起机运转得更快时,离心调速器就旋转得更快,金属飞球被向心力向外拉。经过一系列杠杆,一个阀门会封闭进入发起机的燃料通路,使发起机加速。假如发起机运转太慢,安装就会添加发起机的燃料,使其减速。经过调理注入发起机的燃料,离心调速器可以让发起机的转速坚持波动。

 

离心调速器,电子控制条理的前身。当发起机运转得更快时,带有金属飞球的旋转轴旋转得也更快,飞球被向心力向外拉。接上去的一系列杠杆让发起机的阀门封闭。假如发起机运转太慢,阀门就会让更多的燃料经过

 

这个离心调速器的缺陷是,它只晓得怎样让发起机坚持单一速率运转。古代主动驾驶汽车运用相似的反应回路,只是它们可以依照盘算机顺序控制的恣意目的速率运转。在图中,你可以看到如许的反应回路。你的目的速率(比方每小时25英里)是这个反应回路的输出,回路运用电子速率计而不是旋转安装来丈量车轮速率与目的速率的差别。


人们盼望赶快度控制算法中失掉的直觉举动是:当汽车开得太慢时,它会进步发起机的功率;当汽车开得太快时,它会低落发起机的功率。一种常用的调理发起机功率的办法叫作比例控制,之以是叫比例控制,是由于我们对功率的调理即是目的速率和以后速率的差值乘以一个牢固的系数。比例控制并不完满,假如汽车爬坡行驶或顺风行驶,它的行驶速率每每比我们希冀的速率慢。因而,我们通常会对控制算法做一些其他调解,比方,假如车速不断太慢,发起机的功率就会略微提拔一些。


最罕见的控制算法由三条复杂规矩构成,它可以使汽车牢靠地到达目的速率。我们在接上去的几章中引见的很多主动驾驶汽车都运用了这种三规矩控制器,专家称之为PID(比例–积分–微分)控制器。

既然我们曾经对硬件的控制办法有了大抵的理解,就无须再过多考虑这些庞大的细节。创立硬件虽然紧张,但我们可以假定它是一项独自的应战。为了从我们的视角来控制速率和转向,我们需求编写一个软件来通知汽车应该以什么速率行驶,车轮应该改变多大角度。把开车从硬件题目变化为软件题目,如今我们便可以只存眷软件题目了。


PID控制器的反应回路,即上文描绘的三规矩控制器。该控制器运用速率计的反应来调理发起机的输出,比方功率

 

主动驾驶汽车的途径选择


当悍马在竞赛中行驶时,它并不是朝某个随机偏向行驶25分钟,而是沿着一条通往特定目标地的路途行驶。汽车可以朝目标地行驶,是由于车里有一个软件通知它该去那边。这个计划组件是主动驾驶汽车最紧张的局部,它决议了条理其他局部的优先级。汽车所做的其他统统事变,比方应用转向条理坚持在路途下行驶、不撞上岩石等,都是为了进一步完成沿着那条途径行驶的目的。


在竞赛开端前仅两个小时的时分,呆板人汽车竞赛的构造者才向参赛者提供了一幅电子地图,由于他们不盼望参赛者提早偷看这条道路。这张带有GPS(环球定位条理)坐标的地图描画了赛车从竞赛终点到起点的道路。因而,克里斯和他的团队为汽车装备了GPS传感器来检测地位。


从实际上讲,汽车只需求从地图上的一个所在导航到另一个所在,用GPS传感器调解偏向,使本身坚持沿道路行进即可。克里斯的团队自称白色车队。他们晓得GPS是导航中最紧张的局部,但他们也晓得这还不敷。栅栏和岩石之类的妨碍物会挡住来路。因而,白色车队还提早绘制了一幅宏大的地图,称之为“天下上最好的地图”,以此美满他们在竞赛当天早上失掉的地图。在竞赛开端前的几周里,他们研讨了54000平方英里a戈壁的卫星图像,以确定妨碍物的地位。


接上去,在竞赛开端前仅两个小时的时分,他们取得了道路的GPS坐标,14团体赶紧在几十台盘算机的协助动手工标注沿途的地形。当这些任务职员手工标注地图时,盘算机不时搜刮从竞赛终点到起点的最佳道路,并将最新信息发送给任务职员,以便其确定研讨的优先次序。克里斯和他的团队方案在竞赛开端前把这条事后盘算好的途径上传到他们的主动驾驶悍立刻。


仅仅走了5%旅程的第一名


悍马在戈壁中方才驶过7英里里程标后,一头撞上了一块岩石。那边有一个向左的急转弯,但悍马转弯太急了,左侧车轮越过了路肩。它向前滑行,底盘堕入沙土中,终极撞上了岩石。竞赛计时器上的日期一分钟又一分钟地流逝,悍马还在沙土中旋转着车轮。几名担任跟踪悍马历程的赛事官员凝视着它在晨曦中挣扎。


悍马的车轮旋转了快要7分钟,终极着火了。左近的赛事官立即按下遥控的电子灭火开关,中止了呆板人,然后跳出来毁灭了火焰。悍马的车轮转得太快了,当按下电子灭火开关时,它的两个半轴全都断裂了。克里斯的步队正式加入了竞赛。


DARPA(美国国防部初级研讨方案局)构造了这次呆板人汽车竞赛,人们称之为“DARPA无人车应战赛”(DARPA Grand Challenge)。在106辆报名参赛的车辆中,有15辆在竞赛当天参与了竞赛,此中包罗克里斯和他的团队设计的呆板人悍马。


终极,这些主动驾驶汽车没有一辆博得百万美元奖金。在观看者看来,这些赛车看起来几乎就像一群不幸虫:只见一辆参赛的大卡车渐渐地从灌木丛中加入来;另一辆车由于惧怕影子而驶离了路途;18那位主动驾驶摩托车的创造者,在赛前的高兴和喝彩中,遗忘了把摩托车切换到主动驾驶形式,它在起跑线就一头栽倒了。


悍马行驶了7.4英里,终极在路边抛了锚。固然它是竞赛中体现最好的车辆,但它仅仅走完了5%的旅程。白色车队研讨了他们的竞赛记载,发布了一份长篇陈诉,概述了这辆悍马的优缺陷。他们在陈诉中罗列了25分钟行驶进程中的一些题目。陈诉读起来就像影戏《福禄双霸天》(The Blues Brothers,是汗青上损毁车辆最多的影戏)的脚本。

 

  • 撞上1号围栏桩;

  • 撞上2号围栏桩;

  • 长久的进展;

  • 撞上3号围栏桩;

  • 撞上岩石;

  • 经过发夹弯时转弯半径过小。


在白色车队的陈诉中,这些撞击被描绘为“非正常举动”,但保险公司能够会更适当地称之为变乱。DARPA曾向参赛者宣布,竞赛可以用平凡四驱皮卡完成,但白色车队选择了一辆悍马,由于他们不盼望硬件成为瓶颈。这在某些状况下的确有所协助,比方,3号围栏桩是加固过的,巩固的悍马推了它近两分钟才终于把它推倒,持续行进。克里斯乃至称他们的悍马为“汽车破城槌,时速22英里的猛兽”。但是一辆坚固的悍马并缺乏以博得成功。



题目是悍马简直看不到它的去处。它的巨眼太原始,目力太差。除了长间隔导航功用之外,悍马的大局部智能举动都触及运用复杂的规矩对传感器做出反响。白色车队认识到了这些范围,对悍马停止了编程,让悍马在数据能够不行靠时疏忽摄像头和激光扫描仪的数据,然后依照GPS坐标,沿着预定道路瞎眼行驶。这便是在悍马致命的撞车之前发作的事变。它必需改良巨眼和任何支持巨眼的软件。


一场失败的竞赛,一个全新的开端


对观看者而言,DARPA无人车应战赛能够看起来便是一次失败。美国有线电视讯息网以“呆板人折戟应战赛”为题总结了这次竞赛。《群众迷信》(Popular Science)称之为“DARPA的戈壁溃败”。从好的一壁讲,正如一位观众所言,这是“拖车司机的好日子”。


但很多参赛者对后果十分称心。当晚,参赛者和构造者在位于起点的布法罗比尔赌场聚会,在那边,他们被一群热衷于制造呆板人汽车的极客解围了。很快,一切人都能细致理解呆板人悍马怎样在坎坷的戈壁里跑7.4英里了!并且,在延续数月的连夜奋战和周末加班之后,他们终于可以补觉了。


DARPA的官员也很高兴,相互恭喜这场竞赛的乐成。在之前的8年中,自从主动驾驶汽车范畴的引领者之一恩斯特•迪克曼斯(Ernst Dickmanns)声称“这个范畴需求比及盘算机变得更弱小才有盼望”,该范畴就不断在隆冬中冬眠。盘算机的速率进步了25倍,DARPA无人车应战赛敏捷重燃了这个范畴,让研讨职员得以再度获得停顿。


DARPA也更靠近于完成国会的目的—到2015年使1/3的军用车辆完成主动驾驶(据我所知,这个目的并没有完成)。与参赛者一样,DARPA也拥有来自天下各地专家的文献,内容触及怎样制造可以在戈壁中主动行驶的汽车。“对我们而言,能否有车辆跑完好个赛程并不紧张,”时任DARPA主任的安东尼•特瑟(Anthony Tether)表明道,“我们盼望激起人们对这个范畴的迷信兴味和工程兴味。”


从这个角度看,这次竞赛大获乐成。它吸引了100多名请求者,并在短短几个月内就看到了450多家电视媒体和58家报纸的报道。《连线》(Wired)和《群众迷信》等28家顶级杂志用少量篇幅报道了这一赛事。虽然他们事先并不晓得,但这至多比重产业投资主动驾驶汽车技能提早了15年。


注:本文依据肖恩·格里什的《智能呆板怎样考虑》整理而成

本内容为著作人独立观念,不代表虎嗅态度。未经容许不得转载,受权事件请联络hezuo@lafranciscentral.com

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