聊聊 GOOGLE 无人驾驶汽车

雷达

前几天有网友提到google无人驾驶车的一些情况，勾起我的兴趣，在网上作了一些初步的了解，在这里聊聊，欢迎讨论。

4 o9 L: q" s! x  _9 S1.概况
偷个懒，基本信息就先引用维基百科：
, l: R4 q* r8 p$ i$ N& x: ^! ]Google Driverless Car是谷歌公司的 Google X 实验室研发中的全自動駕駛汽車，不需要驾驶者就能启动、行驶以及停止。目前正在测试，已驾驶了48万公里。[1]项目由Google街景的共同发明人塞巴斯蒂安•特龙（Sebastian Thrun）领导。[2]谷歌的工程人员使用7辆试验车，其中6辆是丰田普锐斯，一辆是奥迪TT[3]。这些车在加州几条道路上测试，其中包括旧金山湾区的九曲花街。这些车辆使用照相机、雷达感应器和激光测距机来“看”其他的交通状况，并且使用详细地图来为前方的道路导航。谷歌说，这些车辆比有人驾驶的车更安全，因为它们能更迅速、更有效地作出反应。然而，在所有的测试中，都有人坐在駕駛座上於必要時可以随时控制车辆。[4] 2012年4月1日，Google展示了他们的使用自动驾驶技术的赛车，命名为10^100（十的一百次方，也就是googol，"google"这个单词的词源） 2012年5月8日，在美国内华达州允许无人驾驶汽车上路3个月后，机动车驾驶管理处（Department of Motor Vehicles）为Google的无人驾驶汽车颁发了一张合法车牌。为了醒目的目的，无人驾驶汽车的车牌用的是红色。[5]
$ m* p* M1 ^3 H) I% v  f/ _8 e**48万公里是2012年的驾驶里程，现在应该多得多。

1 z7 ]5 Q" }% [9 V) Q2.原理
Google Driverless Car使用照相机、雷达和激光测距机(Lidar)作为传感器，使用GPS定位，没有方向盘，油门，刹车，由控制系统直接操纵车轮做前进/后退/转弯。(Fig 1)
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Google Driverless Car的各部分如上图
9 u4 a# w+ m' n) C（1）在前后左右各个方面安装四到六个射频雷达。基于多普勒速度，雷达可以测出移动的物体，主要用于检测前后远处行驶中的车辆。车载防撞雷达的技术已经很成熟，目前大多使用频率20G级左右的FMCW体制，也有使用频率更高的毫米波雷达。
, B7 D# C, w: V3 ^$ q  a（2）车道引导摄像机。用于检测汽车运行轨迹与分道线之间的差距，保证汽车一直行驶在本车道之内。
  |) D% |' o4 ~% V4 {% ], }, Q（3）激光雷达LIDAR，这大概是最重要的设备。WIKI叫它激光测距机，实际上它的功能不是简单的测距，而是基于连续测距实现三维立体成像。射频雷达只能检测到金属物体，而激光雷达可以检测到周围近距离360度范围内的所有物体，不论是车辆，树木还是行人。下面是一个激光成像的仿真效果图。(Fig 2)


后面我会对激光雷达做更详细解读。
（4）两组红外摄像机，安装在车灯处，用于夜间检测。
（5）两只立体相机，实现对前方物体的三维成像，用于检测前方突然出现的障碍，如行人，动物等等。
（6）GPS，精度达到两米，除了用于导航，更重要的是与高精度地图以及摄像机配合，监测前方的红灯，停牌等已知的地面标识。
( K  W0 m) \: P$ y8 f3 t（7）车轮传感器，使车辆实现机动的关键。
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3.激光雷达
; v5 L' y$ f9 l激光雷达是最重要也最昂贵的设备，所以在这里单独做一些介绍。
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首先，激光测距的基本原理和射频雷达是一样的：向目标发射电磁波或者激光，然后接收反射回来的信号，测量电磁波在空气中传播的时间，乘以光速除以二，就是雷达与目标之间的距离。想像一下，如果我们将激光雷达在固定位置向固定目标连续发射测量，那么将得到误差范围内固定的一个距离值。

进一步，如果将激光雷达安置在可以旋转或者移动的设备上，在连续发射测量的同时，直线旋转或者移动扫描，那么我们将得到一个二维图谱，其横坐标表示旋转角度或者移动距离，纵坐标是测得的目标距离 。在实际工作中，激光雷达的扫描，是通过其内部一个可旋转摆动的反射镜来实现，不需要移动激光雷达本身。

再进一步，如下图所示(Fig 3)，将激光雷达安装在飞机上，在与飞行速度垂直的方向上做线性往复扫描，同时由于飞机自身的运动，在地面上形成锯齿状的扫描轨迹。连续测量目标距离以及做坐标变换后，就可以得到三维图像，X/Y轴是目标点的坐标，Z是距离(高度)值。

. d; j* ~/ t* W4 j激光雷达三维图像的分辨率，主要取决于 激光波束发散角，激光脉冲重复频率，扫描频率，飞行速度，以及飞行高度等等。成像算法中很重要的一部分是对飞行航迹和飞行姿态偏差引起的畸变做校正，  所以高精度三维激光雷达中必须配备高精度的惯性测量装置(IMU)和GPS.

5 u$ r, v: f3 E( _4 X% n机载激光雷达三维图像的一个实例(Fig 4)。

* v$ Q' l2 ^; o0 S5 ]9 ^
) `1 z% j/ t: j  u8 \基于类似的原理可以实现车载激光雷达三维成像(Fig 5)。
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0 K; P  o8 K, i, N
# l5 U8 g8 @! |" r* o$ C: h. X$ J0 N将激光雷达安装在汽车顶部可以水平旋转的平台上，工作过程中激光自身做垂直方向的线性扫描，同时激光雷达整体在水平方向匀速旋转，这样就可以得到近距离的三维图像。(Fig 6)

$ z. j& k; D2 u4 r* p" ?% [
从上面这个效果图可以看到，道路上斑马线以及分道线都显示出来了。这是近距离激光三维成像的一个特点，除了可以采集距离信息之外，也可以像射频雷达一样基于反射回波强度的不同将不同性质的目标分辨开来。

回到Google Driverless Car，它采用的车载激光雷达是 Velodyne公司的专利产品。
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" ^( K0 {& w3 P# m% [. C! y6 b上面讲到的车载激光雷达使用1个激光波束配合可往复摆动的反射镜做线性扫描。而Velodyn的车载激光雷达却使用了64个激光波束形成阵列，配合64路独立的光学接收通道，实现高精度的扫描。换言之，传统的车载激光雷达的基本元素是点，由点成线，由线成面。而Velodyn直接生成一小块反射面，然后水平旋转将连续的小反射面拼成完整的三维图像。要知道每一路发射接收通道都是一个精密的光学系统，需要独立的激光头，光电转换器，以及一系列的透镜。将64路激光通道，安装在那么小的区域内，而且要保证激光通道之间不相互干涉干扰而正常工作，这个真的很厉害！



4.成本价格
7 y# j: _; U5 d+ j+ x; I0 S谷歌汽车还没有正式上市，所以现在不知道真正的价格是多少。查到的一种说法是预计15万刀左右一台，其中最贵的设备就是激光雷达，大概要七万多。如果真的是这个价格的话，要想打败传统汽车，还是有一点偏贵。但是如果考虑到它所采用的技术设备，那么15万并不算贵。比如激光雷达，前面提到的机载激光雷达一台要150万左右。传统的车载激光雷达也要五六十万美金。Velodyne雷达卖七万刀，可以说是业界良心了。当然它的精度肯定不会很高(当然也不需要很高)，要知道与机载激光雷达配套的高精度IMU一台就要十几万刀。

5.问题与挑战
首先是功能的实现。可以想像，无人汽车中心控制计算算法工作量会很大。需要实时综合各类传感器传递过来的信息，引导汽车作出正确的举动。由于实际的路况十分复杂，会有各种各样不同性质的目标以及不同的问题。比如在All Way Stop路口，如果对面和左右都有车辆，还有行人，那么情况就比处理简单的停牌要复杂的多。再比如在高速公路上切换车道，旁边是小车或者大卡车，或者是大卡车前面有小车，情况都不一样。
2 O/ M: M! V$ O. _4 j  O然后是可靠性。在高速公路上以一百多公里时速飞奔的汽车，如果主控计算机出了问题死机重启，那必然是灾难性的，谁碰上谁倒霉。再者汽车需要适应各种气候条件，比如激光雷达在雨雪雾等潮湿天气下性能会差很多。某些波长的激光雷达，在雨雪天最坏的情况下检测距离只能达到正常值的一半。

+ ~  c% ^: ]3 t9 v: \6.几句题外话
% J$ `! Q+ w7 K% s; V- F; M& A近年来经常看到种种评论，关于美国正在衰落中国正在崛起之类。说实话，近几十年中国确实在大大的发展，可是每当接触到老美的新技术新产品的时候，作为一个工科男我就想说，路还长着呢！ 类似上面Velodyne这样的小公司，在美国多如牛毛！
更关键的是，谷歌的创始人发了财，享受财富之余会投资技术领域，去搞无人汽车，智能眼镜，高空风力发电等等…有些技术或者产品可能永远也实现不了但他们还是愿意投钱去做。而中国的富豪们在干什么呢？泡小明星，买名画，买球队…或者就是不断的扩张，不断的赚钱，什么赚钱快干什么。别人就罢了，像李彦宏，张朝阳这样名校出身的工科男，发了财以后是不是应该向谷歌学点什么呢？
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晨枫

自动驾驶的车要是撞了人，责任是谁的？制造商，车主，实际坐在车里的人，还是别的什么人？

猫元帅

首先吧，我觉得坐这个车估计很容易晕车。
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其次呢，中国的优势就是能把某项技术最快白菜化。

第三呢，谷歌的创始人也不是圣人，人家搞的所谓技术领域投资都是预投资，是等着变现的。有的搞成了，有的没搞成。不是什么“有些技术或者产品可能永远也实现不了但他们还是愿意投钱去做”，资本就是资本，否则这个汽车干嘛要卖15万刀啊。

猫元帅

晨枫 发表于 2014-12-5 03:36
* L7 j! E( k4 \  u9 u/ n自动驾驶的车要是撞了人，责任是谁的？制造商，车主，实际坐在车里的人，还是别的什么人？ ...

- p& V: N$ t# M, M$ G. P6 ^4 x' _法律问题好解决。一般是驾驶人和车主负责。像无人驾驶这种没有明确驾驶人的情况下，可以是车主负责。

晨枫

猫元帅 发表于 2014-12-4 18:28
# t5 M& T! k3 T/ q法律问题好解决。一般是驾驶人和车主负责。像无人驾驶这种没有明确驾驶人的情况下，可以是车主负责。 ...

为什么是车主负责呢？现在的汽车如果刹车失灵撞人，可能是车厂的责任呢。

山远空寒

自动驾驶的某些技术也许可以部分应用到现有汽车上，提高安全性和可靠性，还是挺有钱途的。

猫元帅

晨枫 发表于 2014-12-5 08:43
, l8 a+ i* H, V& M" o% _! k为什么是车主负责呢？现在的汽车如果刹车失灵撞人，可能是车厂的责任呢。 ...

8 S9 P' ^- D. ?# f. r这个可能国内的法律和国外不同。刹车失灵是驾驶人的第一责任，《道路交通安全法》第二十一条驾驶人驾驶机动车上道路行驶前，应当对机动车的安全技术性能进行认真检查；不得驾驶安全设施不全或者机件不符合技术标准等具有安全隐患的机动车。

  W8 a: c+ v& }2 K0 F5 A$ `但是在无人驾驶汽车这种无明确驾驶人的情况下，我认为应该规定车主的附带责任。因为保持车辆符合安全标准可以认为是车主的义务。

& i. o5 P+ C7 O: C& s这种事情法律规定了就可以了。好比追尾后车全责，虽然不尽合理，但是有利于降低社会成本，便于执行，就可以。

- c! J, d8 m6 \% v& _1 @0 R这里有一个案例可以参考http://bjyouth.ynet.com/3.1/1210/10/7512432.html

雷达

晨枫 发表于 2014-12-5 08:43
为什么是车主负责呢？现在的汽车如果刹车失灵撞人，可能是车厂的责任呢。 ...

法律问题细思极烦。
. G2 z0 |/ M3 k我估计这种车的维护恐怕很繁琐。举个例子，现在普通车的倒车camera过一阵脏了自己还要擦一擦。这种车那么多各种光学设备，车主不维护出了问题恐怕怨不得制造商。可要真出了事情估计理清责任也很难，恐怕得有个黑匣子之类的东西要送回厂分析。
总之确实还有很多问题，技术问题和非技术问题，法律问题保险问题等等，很麻烦。

七月群山

猫元帅 发表于 2014-12-5 10:01
" Z) `9 ]3 n1 k- ?这个可能国内的法律和国外不同。刹车失灵是驾驶人的第一责任，《道路交通安全法》第二十一条驾驶人驾驶机 ...

( ]; [& }, `1 m0 L. _你提供的这个案例，我看了之后半晌无语。
0 a0 ^) I+ h/ E: }6 J1 m6 Z
! _7 U5 O: z) H  O" G( G$ @首先这是司机的责任事故，司机应该判刑才对，报道里一句没提。其次挂靠公司主要负责安全检修培训和各种证照等等，属于“法人”的地位吧，应该是主要责任人，负责理赔，大头应该他们出，或者他们的保险公司出。而车主相当于投资人，实际不应该赔偿什么的，如果车辆损坏，车主还应该得到保险公司的相应赔偿才对。

" }  R" _0 O3 r7 r当然我这是“美国”观点了。

小书童

晨枫 发表于 2014-12-5 03:36
自动驾驶的车要是撞了人，责任是谁的？制造商，车主，实际坐在车里的人，还是别的什么人？ ...

  i5 j$ @# P* x5 b好像是看你的车是怎么来的了，首先是保险，然后是车主。所以lease的车还是有好处的

小书童

晨枫 发表于 2014-12-5 08:43
为什么是车主负责呢？现在的汽车如果刹车失灵撞人，可能是车厂的责任呢。 ...

4 I: L) Z9 o0 h4 k/ P晨大：

这个好像应该先是保险，不够了找车主。
证明刹车失灵可能普通人很难证明...............要同样事故多次发生
# @/ X$ o2 w3 E. m9 B又有不要钱的律师肯垫钱帮你打官司。那么才有可能的吧
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( W* @6 m4 n6 O9 |  d" y/ w不过，开车就会有麻烦。所以经济允许的情况下还是租车开划算

小书童

七月群山 发表于 2014-12-5 10:41
你提供的这个案例，我看了之后半晌无语。
% H: s: h5 C+ R: B6 e6 s; |1 |
8 U! |' ]4 P* v9 k, [# l% n. ^首先这是司机的责任事故，司机应该判刑才对，报道里一句没提。 ...

不对啊，无论是怎么样的车祸，只要司机没有喝酒和逃离。
就只有民事赔偿责任。所以找车主是最大可能性获赔的
- G  l6 A4 J1 I+ i0 k) a除非主动，要不司机可以不负责。
可怜现在加拿大碰瓷的和讼棍搅到一起，把保险费弄得太高了！！！
我一个朋友，被人亲亲屁股。毛都没掉两根。保险赔了20000加币。律师拿3分一....................

猫元帅

七月群山 发表于 2014-12-5 10:41
你提供的这个案例，我看了之后半晌无语。

首先这是司机的责任事故，司机应该判刑才对，报道里一句没提。 ...

这个新闻写得不细。从行文看，车主张某似乎就是驾驶人。这里说的保险公司，是车辆投保的保险公司。国内的保险都是跟着车走的，投保人是车主。这辆车看来是私人拥有，所以张某就是投保人。驾驶人是第一责任人，这个是国内的一个基本准则。如果是公司拥有，那么投保人就是公司。

; |8 o+ F6 d) c这里还有一个案例http://wxxfy.chinacourt.org/public/detail.php?id=1289

七月群山

# v6 [" u+ |1 D# n7 a

小书童 发表于 2014-12-5 11:29
不对啊，无论是怎么样的车祸，只要司机没有喝酒和逃离。
就只有民事赔偿责任。所以找车主是最大可能性获 ...

普通驾照和商业驾照是完全不同的两个概念。

6 \% k  z. |$ c) P所有15人以上客车（比如校车等等）的驾驶员必须持有有客运特许的商业驾照（CDL w/passenger endorsement），同时必须执行相关安全程序。安全程序之一是“行前检查”pre trip inspection，也就是每日运行前必须做到的排出隐患的例行检查（其中绝对包括刹车部分）；此外还有途中检查，行后检查，详细的条例就不说了。。。所以，我认为，如果报道属实，该司机运行一辆不安全的车辆载客，造成死亡事故，那无论如何是逃脱不掉刑事责任的。

另外，建议一下下哦，有时间请仔仔细细阅读一次交规，看看有没有新收获，这肯定对你有好处。

你说“无论是怎么样的车祸，只要司机没有喝酒和逃离。就只有民事赔偿责任。”我不知道你们那儿法律，反正在美国不是这样。比如施工路段违章造成施工人员伤亡的，肯定坐牢。估计加拿大类似。

小书童

七月群山 发表于 2014-12-5 12:09
普通驾照和商业驾照是完全不同的两个概念。
$ e8 L+ y% @2 Y( Y7 \
0 s: O, I8 ]8 l0 Y9 Q9 V" V所有15人以上客车（比如校车等等）的驾驶员必须持有有客运特 ...

好吧，看来商业驾驶和普通司机确实是不一样的。
8 _( L  f- X; ~- G' m" B
: J: B2 c8 e! S: ^, ^google 汽车确实也贵，估计以后大家不会去拥有一辆汽车，而只是使用车的性能。例如出租车出了事故，怎么也无法找乘客的麻烦的吧？？
8 b* c, W0 e) T1 m4 k" b
1 J1 ]9 }& R# V: I2 c6 n, f租车者说：）

七月群山

猫元帅 发表于 2014-12-5 11:45
0 _) y4 c0 ?4 T( I这个新闻写得不细。从行文看，车主张某似乎就是驾驶人。这里说的保险公司，是车辆投保的保险公司。国内的 ...

这个判例我觉得稍微有点过于通情达理了，法官是个好人。我有过类似的经历，自己的公司卖给别人不久，新老板和别人发生经济纠纷被告了，新老板当时没有完成过户手续，法院就给我寄传票了。。。一番周折才得以解脱。

猫元帅

七月群山 发表于 2014-12-5 12:38
这个判例我觉得稍微有点过于通情达理了，法官是个好人。我有过类似的经历，自己的公司卖给别人不久，新老 ...

但是这个判决事实清楚，而且有理有据，于情于理都说得过去。
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. |6 M) ^: x# `' D覃某出借身份证的行为违法但不是犯罪，不属于法院判决的范围。如果追究覃某协助隐瞒财产的行为，那应该是另案处理，不在本案涉及范围内。
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晨枫

小书童 发表于 2014-12-4 21:17
. w  e2 s) G+ D+ G4 u0 ?好像是看你的车是怎么来的了，首先是保险，然后是车主。所以lease的车还是有好处的 ...

保险只是明确责任后才付钱，自动驾驶撞人，到底责任是车主，还是车厂？是维修不当？使用不当？还是设计不当？

四处张望

猫元帅 发表于 2014-12-5 08:25
首先吧，我觉得坐这个车估计很容易晕车。

其次呢，中国的优势就是能把某项技术最快白菜化。

4 J: O$ P* X) |9 x很容易晕车这个完全不成立...

一叶飞刀

如果汽车是自动驾驶的，当然由制造商负责安全问题，包括使用者的安全，事实上，既然使用者不开车，那他就是乘客而非司机，不是司机当然不会为事故负责。

5 G4 s3 S" L1 ]: ]至于保养问题，自动驾驶汽车应当有“保险丝”，如果看不见了，应当以最合理的方式停车，如果由此造成事故，责任仍然是制造方的。
2 X' |0 R) |; x; ?" i* k6 Y+ {
话说自从有了自动汽车，就不用考驾照了……