丰田发16页论文详解L2自动驾驶，软硬件信息全公开，公式都写上了

　　全球最大的车企集团之一丰田开始大力升级旗下的L2级自动驾驶系统，名为Teammate Advanced Drive System（简称TAD），并在国际自动机工程师学会（SAE International）发表了一篇论文。

　　文章介绍了这套L2级自动驾驶系统的硬件配置、功能特点，同时还重点介绍了丰田所运用的核心科技、前期测试验证方法，从中能够看到丰田在L2级自动驾驶领域的布局。

　　丰田TAD传感器配置非常丰富，包括5个毫米波雷达、8个摄像头、1个激光雷达。在L2级自动驾驶工作过程中，还有多个ECU协同工作，包括感知、计算、控制以及车内多媒体设备控制。依赖强大的传感器和计算设备，丰田TAD具备敏锐、智慧、可交互、可靠和可升级等五大特点。

　　丰田TAD采用高精地图配合传感器实现精准定位，全方位传感器预测、更具智慧的路径规划和驾驶决策、人性化的UI设计、冗余系统设计提前预警驾驶员接管以及紧急制动等六大核心技术。

　　前期研发过程中，丰田的工程师也在虚拟世界和真实世界进行了大量测试，确保整个系统稳定运行。

　　这篇文章题目为Teammate Advanced Drive System Using Automated Driving Technology，是迄今对丰田TAD系统全面介绍的文章之一。

　　面对今年年初本田在日本推出全球首款量产L3级自动驾驶车辆，体量更大的丰田同样有类似布局。首先，丰田TAD允许驾驶员在脱手驾驶，同时在紧急情况下，可以提前4秒提醒驾驶员接管车辆。如果驾驶员始终不接管车辆，车辆会主动减速，并停放在高速路应急车道上，开启双跳灯并拨出紧急电话，和本田L3级自动驾驶系统的功能也有几分类似。

　　那么，丰田的这套L2级自动驾驶系统究竟有哪些黑科技，距离L3级自动驾驶还有多远？

　　一、旗下两款车已经配备 高速路上能松手松脚

　　最先搭载丰田TAD系统的共有两款车型，分别是雷克萨斯的旗舰级轿车LS500h，另一款是丰田氢能源车Mirai，这两款车已经开始在日本销售。

　　▲左：雷克萨斯LS（参数丨图片）500h，右：丰田Mirai

　　顺带一提，这两款车都搭载了量产激光雷达，成为全球第一批搭载激光雷达的量产车。

　　丰田TAD系统可以在高速公路或仅有机动车参与的道路上开启使用，驾驶员需要在中控屏幕上设置目的地，车辆会根据导航路线进行L2级自动驾驶，能够实现自适应巡航+车道保持这样的基础功能，也能够实现汇入、汇出匝道，主动超车，避开交通事故，通过ETC等多种高级功能。

　　▲丰田TAD使用场景

　　在L2级自动驾驶工作期间，驾驶员不需要操作油门、刹车、方向盘，允许松手、松脚，但是需要驾驶员注视交通状况，必要时接管车辆驾驶。

　　丰田为这套系统配备了丰富的传感器，包括8个摄像头、5个毫米波雷达、1个激光雷达。

　　而在此前，丰田也有自己的L2级自动驾驶系统，名为LSS+A（Lexus Safety System+A，雷克萨斯安全系统+A），TAD的传感器设备在LSS+A的基础上有了重大升级。

　　文章指出，现有大多数L2级自动驾驶系统采用1个前视摄像头、2个侧视摄像头和1个后视摄像头的方案。此前推出的丰田LSS+A系统在此基础上增加了5个毫米波雷达（4个角雷达和一个主雷达）、前视双目摄像头，能够感知更丰富的场景。

　　▲丰田TAD传感器配置

　　而在TAD中，丰田在LSS+A的基础上加入了1个前视激光雷达、1个长焦摄像头、1个定位摄像头和驾驶员监控摄像头，从而实现更多L2级自动驾驶功能。

　　其中，激光雷达可以探测205米的距离，拥有水平110度，垂直2.5度的视场角，分辨率为51*3；定位摄像头拥有120米探测距离，120万像素，长焦摄像头拥有250米探测距离，500万像素。

　　文章中还公布了TAD系统的计算设备，其中包括4个ECU，电控制动、转向器，以及车内多媒体拓展单元，全部会参与到驾驶过程中。

　　▲丰田TAD四大主要计算ECU

　　其中，四个主ECU中，SoC的CPU算力能够达到107KDMIPS，GPU算力达到35.9TOPS。

　　丰田TAD所配备的激光雷达、长焦摄像头、SISECU、ADSECU、ADXECU部件全部来自电装这一日本头部Tier 1。

　　文章说道，利用深度神经网络技术，ECU能够对各种可能出现的状况做出准确识别和判断，从而实现更安全的L2级自动驾驶。

　　由于TAD系统允许驾驶员脱手，因此紧急情况下提前预警驾驶员十分必要。研究显示，当驾驶员从走神的状态进入驾驶状态，平均时间小于4秒。

　　▲驾驶员平均反应时间

　　因此，当遇到紧急情况时，丰田TAD会提前4秒做出预警，提示驾驶员接管。即便系统出现机械故障，或者无法继续进行自动驾驶，都会提前4秒告知驾驶员。

　　为此，丰田设计了一整套冗余系统，包括感知、控制、执行、通信、电源的冗余，同时保证安全气囊等部件等供电，在极端情况下最大程度保证安全。

　　▲丰田TAD冗余系统

　　在车内，液晶仪表和HUD也会在驾驶过程中发挥重要作用。其中，HUD的尺寸达到600mm*150mm，大约24英寸，液晶仪表为12.3英寸。两块屏幕会实时显示道路状况和形状、周围车辆状况、车辆目标轨迹以及未来驾驶规划。

　　▲上：HUD画面，下：液晶仪表画面

　　面向未来，丰田TAD将不断升级，丰田为ADSECU、ADXECU、SISECU以及Meter ECU（包括HUD控制）提供OTA软件更新，用户不需要升级硬件，就能享受更新功能。

　　二、使用六大核心技术 拥有多重安全措施

　　在大量的传感器配置、高算力平台以及丰富的功能下，背后有丰田在L2级自动驾驶系统中的六大核心技术，包括高精地图与定位、传感器融合预测、驾驶路径规划、UI设计、故障安全操作以及紧急制动系统。

　　1、GPS+高精地图+传感器实现车道级定位

　　丰田TAD系统首先利用GPS确定车辆位置，然后利用车辆的摄像头、毫米波雷达以及激光雷达共同检测道路标志、车道标志、车道线以及周围车辆。当车辆将检测的数据映射到高精地图中，与高精地图中的数据匹配，就能实现精准的车道级定位。根据车道级定位的信息，从而校正车辆的速度、方向。

　　这种方法可以让车辆在利用高精地图，但不利用高精地位模块，实现车道级定位的效果。这样一来，前期制造过程中能够降低部分制造成本，后期高精地图也会不断升级。

　　测试人员在可能是日本最繁忙且最复杂的高速公路——首都高速都心环状线C1进行了路测。这条高速公路有4%～5%的高度差，有多个半径小于150米的弯道。面对这些情况，丰田TAD都能妥善应对。

　　▲传感器通过周围车辆协助定位

　　不过，在这条高速公路上，还会遇到车道线不清晰、眩光、GPS信号干扰、多层高架桥等复杂环境。面对这种情况，丰田TAD的冗余系统会发挥作用，同时也会根据周围车辆校准位置，即便周围车辆在相邻车道中也能辅助校准，能够让整个系统达到可用状态。

　　▲具备高进地图的日本高速路

　　目前，日本3.1万公里公里的高速路的高精地图数据都已经整合进丰田TAD中。

　　2、传感器融合识别周围车辆 不再怕加塞

　　研发人员开发了一套深度神经网络，用于识别周围车辆，更重要的是判断车辆意图。

　　当视觉传感器采集到图像信息后，就会输入对象识别（Object Recognition, OR）和道路识别（Road Recognition, RR）的每一个网络中。

　　对象识别中，自动驾驶电脑会标记识别到的车辆，并判断距离。实际测试中，视觉传感器的最远探测距离可以接近300米。同时，道路识别将识别出路肩，划定可行驶的范围。

　　最终，将对象识别和道路识别的结果融合处理。这样一来，能够更早发现切入车道的车辆。

　　而如果按照传统算法，需要车辆切入本车道1/3之后，才会判定切入。使用新的判定技术，能够提前判断车辆意图，如遇紧急情况也能及时提醒驾驶员。

　　▲提前预测车辆是否会切入车道

　　为了在单个网络中同时处理两个相同的信号，物体识别和道路识别单元的性能有了大幅提升，还节约了计算资源。

　　识别过程中，激光雷达的作用也非常重要，激光雷达安装于车辆格栅下方，能够直接探测到前车的轮胎位置，从而精准判断位置。

　　拥有传感器融合的数据，结合高精地图。当车辆判断要减速时，能够用更和缓的方式逐渐减速，避免碰撞，相比于传统ACC自适应巡航舒适度更高。

　　3、10公里路径规划 保持左右安全距离

　　根据介绍，丰田TAD能够提前大约10公里预测前方路况和驾驶决策，同时将最近的几个决策显示在HUD和液晶仪表上。

　　如果前车速度过慢，丰田TAD会发出换道超车提示音，驾驶员批准后，就能实现超车，超车动作完成后，车辆会主动回到原来的车道，确保交通安全。

　　▲丰田TAD能实现超车功能

　　在人类驾驶过程中，如果遇到大型车辆，一般会选择超车或间隔车道行驶，主动与大型车辆保持距离以保障行车安全。但是，现有大多L2级自动驾驶系统并没有这么“聪明”，大车小车一视同仁。

　　▲丰田TAD会主动避让大型车

　　这就导致自动驾驶车辆在经过大卡车周围时，驾驶员会感到压力较大。

　　丰田TAD自有解决方案。在经过大型车辆侧面时，车辆会选择在车道内偏移一定距离，保持与大型车辆更安全的距离。

　　4、面部动作识别率超95% 紧急情况自动停车拨打救援电话

　　在UI设计方面，丰田TAD也有诸多人性化之处。

　　车内除了配备12.3英寸液晶仪表和24英寸HUD抬头显示之外，还在驾驶员监测、紧急停车系统上有多种设计。

　　方向盘后方有一个DMS摄像头，这个摄像头会追踪驾驶员头部和眼球的动作，从而判断驾驶员是否出现走神的状况。

　　共有三种情况：当驾驶员正常驾驶时，车辆不会提示驾驶员。如果判断驾驶员有困意，出现错误驾驶动作时，会提醒驾驶员提高注意力。当驾驶员身体出现状况无法驾驶，车辆会行驶到路肩，自动停车，开启双跳灯，拨打救援电话。

　　▲当驾驶员正常驾驶时，系统不会提醒

　　经过54万公里的路测后，丰田TAD系统的面部识别已经非常成熟，其中面部追踪识别率达到99%，正面向前面部动作的识别率达到99%，非正面面部动作识别率达到95%，闭眼识别率达到99%，甚至驾驶员发呆也能识别出来，准确率达到95%。

　　如果检测到驾驶员注意力不集中，车辆会震动安全带、闪烁HUD提示驾驶员安全驾驶，也会推荐最近的服务区休息。

　　▲EDSS系统原理

　　同时，丰田还开发了EDSS（Emergency Driving Stop System紧急停车系统）。当驾驶员身体出现状况，无法继续驾驶，系统即会发出警告，打开双跳灯并缓慢减速。同时，车辆向应急车道并线，在与应急车道相邻的车道上逐渐将速度降低至10km/h。当检测到应急车道没有障碍物后，进入应急车道停车，并自动紧急呼叫救援。

　　5、冗余系统保证行驶安全

　　在ADSECU中，共有两个MCU共同工作。如果其中一个失效，另一个会立即接管。

　　在冗余计算系统中，几乎所有传感器数据都将输入ADSECU，也就是核心处理器，经过拥有双SoC与双MCU的冗余，加上ADXECU的计算结果，形成驾驶决策。

　　▲丰田ADSECU冗余系统

　　同时，丰田还研发了BUC（Backup Control），可以在MCU上执行备份功能。当车辆传感器失效，通过此前的轨迹，继续规划接下来4秒的驾驶策略，为驾驶员反应提供时间。

　　6、自动紧急制动避免碰撞

　　在TAD中，还有自动紧急制动功能。高速公路上出现紧急状况时，留给驾驶员反应的时间甚至都不会达到4秒这么长。

　　丰田TAD利用高精度地图、激光雷达和长焦摄像头实现紧急制动。

　　▲高速路上自动紧急制动

　　当车辆速度达到125km/h，前方140m有障碍物时，如果不采取措施，4秒就会发生事故。此时，车辆必须自动紧急制动，而不是提醒驾驶员介入。

　　起初，车辆能够以3.5m/s²的加速度减速，当距离障碍物仅有50米时，车辆会以最高8m/s²的加速度减速，最终避免碰撞。

　　三、虚拟现实多重验证 已经路测54万公里

　　丰田TAD经过大量测试验证，已经具有优秀的驾驶能力。面向未来，TAD也会不断升级，让自己更像一位老司机。

　　在虚拟环境中，丰田进行了大量仿真测试，在计算机进行自动驾驶算法验证。通过反复的评估，找到算法的明显弱点并加以改进。

　　第二步是在真实世界中模拟。丰田制造了21辆测试车，在现实世界中测试了54万公里。

　　此外，丰田还使用车辆网络硬件在环虚拟测试（Hardware-in-the-loop Simulation），在测试场地内模拟故障发生时，车辆可能存在的安全隐患。

　　经过大量的测试，丰田TAD已经能够实现L2级自动驾驶，不过在更像人的方面，还需要更加努力。

　　例如，在通过弯道时，一位有经验的司机会提前减速，以合适的角度、速度切入弯道，直至出弯，整个过程尽可能保持行驶平稳。而如果是一位赛车手，他所选择的路线和有经验的司机相似，但会以更高的速度通过，乘坐体验并不舒适。

　　▲人与机器驾驶行为测试

　　因此，未来TAD系统要不断成熟，向有经验的司机方向发展。研究人员正在使用包括模型预测控制（MPC）在内的优化技术，协调动力和转向扭矩，让乘坐体验更加舒适。

　　丰田的研究人员认为，汽车智能化让车辆能够更多地关注周围的交通状况，驾驶员可以与车辆协同共驾，形成顺滑的驾驶辅助功能。通过这种人机共驾的方式，能实现丰田的终极安全标准。