力量轻便只好,一篇作品读懂NHTSA自动驾乘分级

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在2013年5月,美国国家公路交通安全管理局发布了“关于自动化汽车的初步政策声明”,其中包括一系列的关于汽车自动化的分级条款:

(原标题:自动驾驶不是无人驾驶 为啥司机非得坐在方向盘后面)

自动驾驶分级傻傻分不清,是大家普遍存在的问题。这里我根据分级标准文件,重点谈一下我的看法。NHTSA和SAE的自动驾驶分级可以分别在官网下载,下面是一个中文版两个等级的汇总表格。

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最近,身边许多不明真相但是却比较土豪的朋友都在问我一个类似的问题,那就是在买车的时候,总是看到一些类似于辅助驾驶、自动驾驶一类的概念。如果一辆车有这样的功能,是不是就能像电影中一样汽车就能自己到处开了?

图片 2△图1
分级的中文参考

0级:非自动化

在这里,作为一位老司机,除了表示羡慕嫉妒恨(因为不用说也知道有这样功能的车不是BBA三强、沃尔沃就是特斯拉一类的豪车)之外,终于有机会在土豪朋友面前扬眉吐气一下了。买不起不要紧,但是有机会能给土豪朋友以及和他们一样不太了解自动驾驶的朋友简单的介绍一下,还是很必要的。

等级0 无自动化水平

在任何时候,驾驶员都单独完全控制汽车的主要控制器(包括制动、方向盘、油门和发动机),驾驶员独自承担监视道路情况和所有的汽车控制的安全操作责任。如果某一汽车有特定的驾驶员支持/驾驶员便利系统,但是不具备对方向、刹车或油门的控制权限的汽车仍被认为是0级汽车。其中包括只提供危险警报的系统(例如防碰撞预警系统、车道偏离警示、盲点监测系统),同样包括提供2级自动化控制的系统,例如雨刮、车头灯、方向灯、警示灯等。尽管车对车信息交换技术(V2V)也属于这个级别,这种科技将会明显增加安全性,有必要全部安装,但是,当传感器和摄像机不能提供警报时,许多技术可以在这种情形下提供警报(例如,汽车在十字路口互相接近的时候)。

自动驾驶≠无人驾驶

如果是驾驶员控制,哪怕你有各种警告,我们也可以列举一排现阶段还没介入的ADAS功能,这些也都在等级0里面。

1级:特定功能自动化

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此等级的特点:只有环境感知,功能目的是辅助增强驾驶员对环境和危险的感知能力。

在这个级别,自动化包括一个或多个特定的控制功能;如果是多项功能自动化,它们则是独立运转的。驾驶员有全面的控制权,并且独自承担安全操作责任,但可以选择在主要的控制操作上让渡一些权限(如自适应巡航控制),这时汽车可以在主要的控制操作方面获得有限权限(如电子稳定控制系统
);或者自动化系统可以在某些常规驾驶情景下或汽车发生碰撞时为驾驶员提供额外的控制能力(如动力控制器在紧急情况下的辅助功能)。这个级别的汽车可能具备多重性能,结合了驾驶员个人辅助系统和防撞车技术,但是驾驶员的警觉性必不可少,这一级别的汽车也不承担驾驶员的主要驾驶责任。汽车自动化系统可以帮助或增加驾驶员对某项主要控制系统的操作—如方向盘或刹车/油门控制的其中之一(但不是两者同时控制)。从结果来看,多项汽车控制系统是不能一同工作的,这一级别的车辆无法让在驾驶员的手离开方向盘的同时脚离开踏板,使驾驶员的身体脱离汽车操作。特殊功能自动化系统的例子包括:巡航控制、自动制动和车道保持系统。

在大家的印象里,完全不用驾驶员,整个过程依靠汽车系统自动完成,包括启动、行驶、停车、等信号灯,这些全自动化的操作并不是自动驾驶,而是自动驾驶的下一个发展阶段、也可以看成是汽车工业发展的最终目标,叫做无人驾驶。

驾驶员操作:如图2所示,方向盘、油门、刹车一个都不能少。

2级:组合功能自动化

提到无人驾驶大家一定也并不陌生,稍稍关注我们频道的朋友一定都看过许多关于谷歌测试无人驾驶汽车的新闻。谷歌的无人驾驶汽车采用了非常激进的设计,甚至完全抛弃了方向盘和各种踏板控制器,所有的行驶和操作都依靠系统来完成,乘客可以在车内完全放松,想干什么干什么,甚至美美的睡上一觉也没有关系。

现有车辆主要的功能体现:

这个级别涉及至少两个主要控制功能的自动化,这些功能可同时运行,可以减轻驾驶员的负担。在某些特定的驾驶情景下,当驾驶员主动放弃汽车的主要控制操作时,这个自动化级别汽车就可使用共享权限。驾驶员仍然对监控道路和安全操作负有责任,驾驶员在任何时候和在突发情况下都可获得控制权。系统可以在没有提前警告的情况下放弃控制,因此驾驶员必须准备好安全地控制汽车。一个实现2级组合功能系统的例子是自适应巡航控制与车道保持系统的功能结合。1级系统和2级系统的主要的区别是,2级系统被设计成在特殊操作条件下,自动操作模式可以确保驾驶员可以使身体脱离对汽车的操作—让他(她)的手离开方向盘的同时脚离开踏板。

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1.夜视 Night Vision(NV)2.行人检测 Pedestrian Detection (PD)
3.交通标志识别 Traffic Sign Recognition (TSR) 4.车道偏离警告 Lane
Departure Warning (LDW) 5.盲点监测 Blind Spot Monitoring (BSM)
6.后排平交路口交通警报 Rear-Cross Traffic Alert (RCTA)

3级:有限的自主驾驶

不过也正是这种过于激进的设计,在谷歌内部也产生了比较大的分歧,同时包括美国政府也不允许这样的做法。就算是无人驾驶汽车,想要上路也必须要设计有方向盘和控制踏板等组件。因此才会看到最近关于谷歌将无人驾驶汽车单独剥离成立了Waymo新公司,并且与传统汽车厂商合作为其提供无人驾驶系统与软件服务的做法。

图片 5△图2
驾驶员的操作概览

这一级别的自动化让驾驶员在某些路况或环境下可以不用完全掌控所有安全攸关的功能,同时可以高度依靠汽车来监视环境变化、确定是否需要切回驾驶员控制模式。驾驶员被认为可以在一些特殊条件下获得控制权,但是要有充足的转换时间。在自动化驾驶模式下,汽车被设计为能够确保安全操作。一个例子是,自驾自动化汽车可以决定当系统不再能支持自动化,例如汽车即将驶向一个施工区,然后汽车信号示意驾驶员重新介入驾驶任务,并提供给驾驶员足够的转换时间去安全地恢复手动控制。2级和3级的主要区别是,3级汽车可以让驾驶员在汽车行驶时不必时常监视道路。

至于我们经常在汽车广告或者4S店销售人员口中听到的自动驾驶,其实更多作用类似于“辅助驾驶”,它的作用更多的是为我们的日常驾驶提供更多的便利性和安全性,通过技术来弥补人类驾驶员在驾驶技术和反应时间上的不足。比如我们经常听见的自适应巡航系统、车道保持、自动刹车、自动泊车等,都属于自动驾驶功能的范畴之内。

等级1 特定功能的自动化

4级:全面的自主驾驶

简单的说,自动驾驶并不是无人驾驶,而只是无人驾驶的一个初级阶段。因此作为初级阶段的技术,就算拥有自动驾驶功能,还是需要驾驶员按照正常的驾驶要求和标准来操作汽车,双手更是不能离开方向盘,视线也依然要保持在前方的路况上。

驾驶员完全主导。车辆会介入控制1项或者多项。多项功能同时出现的时候,这些功能是工作是分开的。驾驶员可以放弃部分控制权(方向盘、油门&刹车之一),给系统来接管。

这级汽车能在全程完全掌控所有与安全攸关的驾驶功能,并监视道路环境。这样的设计要求驾驶员提供目的地信息或者进行导航输入,但在全程中任何时候都不能获得控制权。这级汽车包括无人乘坐汽车和有人乘坐汽车。在设计上,安全操作完全依靠自动控制汽车系统。

“自动”的前提是双手不能离开方向盘

此等级特点:此项是大部分公司目前在做的,大部分的功能都是单独一个ECU来开发。

目前最著名的自动驾驶技术就要数来自特斯拉的Autopilot功能了,而今年年初的一段时间,出现的各种事故也将Autopilot和特斯拉推向了风口浪尖。

驾驶员操作:如图3所示,在ACC情况下,油门和刹车不用;在AEB情况下,刹车可不用(这里不刹车不代表不碰撞,伤害小一些)。

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现有车辆主要功能体现:

Autopilot是特斯拉为旗下电动汽车配备的一项自动驾驶功能,但是却一度被外界误认为是无人驾驶,因此虽然特斯拉一再要求车主在开启Autopilot功能之后双手也不能离开方向盘,但是还是有车主不仔细阅读Autopilot的使用说明,而在行驶的时候溜号分心、双手去做一些其它的事情而完全将控制权交给Autopilot,最终出现了各种不同程度的事故,甚至有美国车主为此丧命。

1.自适应巡航控制系统 Adaptive Cruise Control (ACC) 2.自动紧急制动
Automatic Emergency Braking (AEB)

而在多次事故出现后,特斯拉也开始改变了口风,将Autopilot标榜成无人驾驶的概念转成了辅助驾驶。现在特斯拉的Autopilot系统工作后,仪表盘会发出“双手紧握方向盘”的警报,驾驶员必须握紧方向盘才能解除警告。如果驾驶员很快做出回应,那么系统会正常运行,如果驾驶员没有在警告发出的15秒内作出回应,自动转向系统将结束工作,车辆减速甚至停车,并且再次发出警示要求驾驶员双手紧握方向盘,直到驾驶员做出回应为止。

小结:所以L1和L0之间的距离,就是介入整车控制的过程,L0只有感知给驾驶员报警,L1需要帮助驾驶员来在一个横向或纵向驾驶车辆,注意这里的横向和纵向两个功能是分开的。

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图片 8△图3
L1一般是分布式架构

除了特斯拉,沃尔沃也对于自动驾驶功能提出了“双手必须放在方向盘上”的前提要求。沃尔沃在方向盘上内置了传感器,当驾驶者的双手离开方向盘超过8秒,就会解除自动驾驶辅助,强制用户的双手回归到方向盘上。

以LKA车道保持辅助系统为例,在驾驶员注意力不集中或疲劳驾驶出现车辆偏转时,系统进行主动修正、转向干预,当检测到驾驶员操作转向信号灯时,系统进入被动模式,如上图4所示其系统架构是放在独立的系统ECU里面完成的,与其他ACC控制器不相关。

其实除了要求驾驶员的双手不许离开方向盘外,通用在自动驾驶的安全性上采取了另外一个不同的思路。通用的这项自动驾驶特性名叫“超级巡航(Super
Cruise)”,允许驾驶员的双手长时间离开方向盘,但是却要求注意力更加集中。因此就算双手离开,你也别想干别的。

等级2 组合功能

这套系统将允许司机在高速公路上让汽车自动驾驶,但如果道路上有太多拐弯,或车辆检测到司机没有集中精力,它就会发出一系列警报。如果驾驶员不接手驾驶,车辆会自动减速,然后打开危险指示灯。

驾驶员和汽车来分享控制权。系统同时具有纵向和侧向的自动控制,且具备两项以上。驾驶员可以放弃主要控制权,驾驶员需要观察周围情况,并提供安全操作。驾驶员必须随时待命,在系统退出的时候随时接上。

简单的说,这是一套基于路况和驾驶员状态检测的系统,如果道路比较“直”,那么系统可以应对,但是如果弯道太多了系统就会报警。同时车内还有驾驶员检测系统,随时监测司机的状态,如果发现驾驶者打瞌睡或者心不在焉,系统同样会发出警报。而如果驾驶者对警报置若罔闻,那么最终同样会面临强制减速直到靠边停车“惩罚”。

此等级特点:系统需要进行融合,需要两个ECU进行配合,系统之间进行高度耦合。

自动驾驶能力有限只能“辅助”

驾驶员操作:只要用眼睛看就行,在某些时候车辆自己可以运行。

其实无论是特斯拉、沃尔沃还是通用,之所以如此强调就算在开启自动驾驶时双手也不能离开方向盘,最主要的原因就是以目前的技术来看,自动驾驶距离无人驾驶还有相当的差距,无论是传感器、摄像头等硬件还是系统软件,都还不足以完全应对复杂的交通路况变化。

这里的核心问题,是由于系统的不够智能或者没办法提前预知自己不行,退出的警告时间非常短

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小结:L2和L1的区别,主要就是系统工作,驾驶员在系统能工作的时候,只要用眼睛就可以了。

目前,美国高速公路交通安全委员会将无人驾驶技术分成了五个等级:

图片 10△图4
L2需要进行融合,处理决策需要多输入

等级0:驾驶者拥有百分之百的控制权,车辆没有任何安全系统辅助设备,目前绝大部分车辆属此层级;

以丰田AHAC公路自动驾驶辅助(Automated Highway Driving
Assist)系统为例。该系统由两个子系统组成,分别为协作自适应巡航控制(Cooperative-adaptive
Cruise Control)和车道跟踪控制(Lane Trace
Control),开启过程中驾驶员可以完全脱离方向盘,系统可利用无线电自动调整车速及车距,这里是分布式系统往融合式系统前进了一步。

等级1:车辆拥有单个或多个独立功能电子控制系统,如自动紧急刹车系统,未来新车多属于此层级;

等级3 有限度的自动驾驶

等级2:至少有两项控制能自动化,如结合主动车距控制巡航系统与车道维持系统;

在某些环境条件下,驾驶员可以完全放弃操控,交给自动化系统进行操控。如果系统需要人员做一些操作,驾驶员偶尔来帮下忙。驾驶员不需要全身关注看车外的情况。

等级3:车辆具有自动闪避障碍、自我导引、主动控制等功能,但驾驶者仍拥有操控权;

此等级特点:系统某些条件下完全负责整个车辆的操控了

等级4:车辆全自动驾驶,使用者仅须给定相关信息,例如目的地、路径等,车辆无法任意改为手动驾驶。

驾驶员操作:系统需要提示帮忙的时候回来,其他时候可以放松;当系统不行的时候,需要驾驶员来帮助

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小结:L3和L2的区别,就是不需要驾驶员时时刻刻盯着,系统需要高度的鲁棒性,在特定工作的情况下,系统不允许退出。

因此从NHTSA的级别划分上看,目前市面上最先进的自动驾驶技术基本上也属于等级2到3的阶段,因此驾驶者依然需要掌握对汽车的绝对控制权。

下图5是AUDI的zFAS,基本上把好几个模块都放在一起,形成了完整的控制系统,包括整套中央数据(地图合成和环境合成目标)、驾驶决定以及驾驶规划。硬件上把控制器内部的一堆设备进行整合,主要是由多个芯片单元所组成。由此可见L2到L3核心上的突破是容纳决策的控制器,这算是一个决定性的跨越和壁垒,也是一般车企不投入大量资源很难突破的。

当我们驾驶汽车上路的时候,总会遇到各种各样不同的复杂路况和突发事件,而对于老司机来说,如何得心应手的应对各种状况,就成为了一种很大的考验,而对于新手来说,则是一个积累的过程。

图片 12△图5 AUDI
zFAS的域控方案

对于无人驾驶和自动驾驶来说也是这样,自动驾驶相当于“新手”,各种感应器和传感器的能力有限,同时有些还缺少激光雷达,因此无法完全应对各种复杂路况和问题;而无人驾驶就相当于多年的“老司机”,无论是经验、硬件还是系统算法都已经相当成熟,因此能够让人类驾驶员放心的将车辆的控制权交给无人驾驶系统。

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以真正无人驾驶为目标

△图6 AUDI zFAS的域控框架

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等级4 全自动驾驶

正如上面提到的,目前主流的自动驾驶技术都停留在等级2或等级3的无人驾驶阶段,而自动驾驶的下一个发展目标就是将更多的控制权交给系统,让驾驶者更多的解放出来。

只要输入出发地和目的地,责任完全交给车辆端。

目前许多厂商都将自己的无人驾驶汽车发布或上路时间定在了2020年或2021年,而这也表明许多厂商都意识到了想要实现真正的无人驾驶其实还有相当多的困难。不过就算到了2020年,也只是无人驾驶的初级阶段,自动技术对于汽车行驶的掌控也依然有限,预计厂商能做到的也只是提升汽车行驶的安全性以及简单的无人驾驶服务。

英国的工程机械技术公司里卡多的PPT里面,给了一个L2到L4的自动驾驶参考路径。

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图片 16△图7
L2~L4进化图

同时除了技术发展本身,各个国家的立法、车辆的测试、检验和许可执照也需要时间来对无人驾驶技术进行适应。同时对于非无人驾驶汽车的驾驶员和行人来说,如何与无人驾驶车辆共处、改变自己已经养成的出行和驾驶习惯,也是无人驾驶技术发展后要考虑的因素。

我们拿典型的L2等级高级辅助驾驶,作为例子。比如ACC自动巡航和LKA车道保持(它的前置路径是LDW车道保健配上EPS接入方向)。如果将这两个功能合在一起控制,其本身就需要算法的和控制的强耦合。而从L2到L3之前,则需要高功能安全等级的控制器、实现人类驾驶决策功能的AI功能,以及与驾驶功能安全相关的车联网V2V和车联系统支持。L3到L4则需要高精度的地图和各种路谱扫描能力强的感知系统来做支持。

对于无人驾驶技术的下一阶段发展,将会以完善汽车设计、软件服务和大幅减少交通事故发生概率为主。

小结:各个阶段的晋级并非那么简单,需要的评估测试如下图所示。

因此,在自动驾驶技术完全过渡到无人家驾驶之前,驾驶员的双手放在方向盘上、以及注意力的集中就是保证我们出行安全的最后一道防线。都说科技以人为本,其实对于自动驾驶来说,人其实也是科技的“本”。

图片 17△图8
自动车辆安全性评估

从测试验证角度来讲,对L1等级的功能,完成本级安全性和测试方案以及效果即可得到验证。而更高阶的系统安全性和有效性,需要长期接受挑战和迭代。测试验证时,需要从L1开始一层层往上逐级测试,然后再通过大量的系统性的组合再测试保证安全性。L1→L2→L3不存跳跃测试这种方法,除非对整个系统结构进行重构优化,但是验证路径还是采取的逐步完成和实施的。所以说L1到L2进阶所需的评估就是不小的工作量,L3实在没影呢。


参考文献

图1出自东方蒲《驾驶辅助和自动驾驶-分级讨论》。图2&图3&图8AutomationofVehicleSafetyFunctions.图3出自大众途安培训材料车道保持辅助系统。图4出自ITS2014AutomatedHighwayDrivingAssistAHDADemonstration.图5出自AutomatedVehicleSystems(AVS)ReferenceArchitectureandInterface(RAI).图6出自出自Audi’sWayTowardsPilotedDriving.图7出自Roadmaptotheautomatedvehicle.


作者简介:汽车行业从业工程师,从08年初入行开始,主要是做汽车电子,涉及领域从新能源汽车慢慢过渡到将来的ADAS。汽车电子是未来汽车的核心和变量,需得汽车电子人求索本土之出路,与本土的汽车品牌和产业一起找到出路。

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