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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

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车东西(公众号:chedongxi)
作者| James
编辑| 晓寒

  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。

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