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在2004年的一個涼爽的星期四早上，第一次機器人汽車比賽在美國莫哈韋沙漠拉開了戰(zhàn)幕。隨著太陽升起，一只沙漠烏龜從洞穴中探出頭來，希望能在迅速變暖的公路上享受一天的陽光。今天它發(fā)現(xiàn)自己被困在了洞穴附近，無論往哪個方向都寸步難行。 大約20名生物學(xué)家在這個洞穴和類似的洞穴周圍設(shè)置了路障，以保護瀕臨滅絕的動物免受即將駛過附近公路的機器人汽車的傷害。他們恰當(dāng)?shù)仡A(yù)計了這些汽車無法保持在公路上行駛，更不用說避開它們中間的烏龜了。 自動駕駛汽車挑戰(zhàn)賽 當(dāng)時人們對賽車是否能完成比賽的預(yù)期大相徑庭。賽事經(jīng)理毫不含糊地聲稱，勝利者會在10小時內(nèi)跑完142英里的賽程。但有人懷疑是否會有任何一輛賽車能完成比賽，機器人社區(qū)的很多人都有此懷疑。 百萬美元獎金岌岌可危。克里斯•厄姆森（Chris Urmson）是角逐這筆獎金的人之一，他是一個開發(fā)自動駕駛悍馬汽車的研究團隊的設(shè)計帶頭人。克里斯身材頎長，頂著一頭凌亂的金發(fā)。在傳奇機器人專家“老紅”威廉•惠特克的指導(dǎo)下，克里斯正在卡內(nèi)基–梅隆大學(xué)攻讀博士學(xué)位。 克里斯•厄姆森（Chris Urmson） 他非常專注于自己的研究，在沙漠中花了近兩個月的時間對車隊的悍馬進行測試，一度連續(xù)工作近40個小時。在一次長時間的測試中，他一直守候到午夜時分，蜷縮在厚厚的毯子下，看著悍馬兜圈子。透過薄霧，車頭燈光依稀可見，只見悍馬突然偏離了路線，撞上了鐵絲網(wǎng)圍欄。在另一次實驗中，悍馬在急轉(zhuǎn)彎時翻了車，傳感器被甩掉了，花了幾個星期才修復(fù)。克里斯知道，這些事故發(fā)生在比賽前比發(fā)生在比賽中要好得多。 比賽當(dāng)天，克里斯和他的團隊設(shè)計的裝滿了傳感器的悍馬從烏龜洞穴旁邊疾馳而過，緊隨其后的是另一輛賽車。悍馬已經(jīng)行駛了大約25分鐘，它的車速并不快，在駛過的7英里賽程中，它的平均時速略高于15英里，但它仍然比當(dāng)天其他參賽車輛要好得多。這輛機器人汽車的擋風(fēng)玻璃被大大的“CAT”（卡特彼勒汽車）徽標(biāo)蓋住，它自信滿滿地向前奔馳。但突然，隨著一個向左的急轉(zhuǎn)彎，它的視野一片漆黑。由于看不見路，汽車成了盲眼行駛。 如何設(shè)置自動駕駛汽車的速度？ 悍馬是如何自動行駛7英里的？你可能聽說過，自動駕駛汽車實現(xiàn)自動駕駛所使用的技術(shù)是機器學(xué)習(xí)，特別是深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。但是克里斯和他的同事賽后描述他們的悍馬時，根本沒有提到機器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)時是2004年，距離人們研究出如何訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可靠地“看到”物體還有將近10年的時間。 那么，這些早期的自動駕駛汽車使用了什么技術(shù)呢？當(dāng)人們提供給一輛汽車要訪問的一系列地點時，它如何在偏遠(yuǎn)的交通不便的沙漠公路上行駛數(shù)英里？在深入探討這些細(xì)節(jié)，即自動駕駛汽車軟件的各部分之前，讓我們先快速了解一下計算機控制汽車硬件的方式。 如何設(shè)置自動駕駛汽車的速度？簡而言之，汽車需要把計算機給它的數(shù)字（比如“25”）轉(zhuǎn)換成具體的東西，即汽車的行駛速度。讓這比聽上去更難的是，物理發(fā)動機不知道“25”是什么意思。例如，即使你知道給電動發(fā)動機施加250伏的電壓會讓汽車以每小時25英里的速度行駛，你也無法通過簡單地調(diào)高或調(diào)低電壓來獲得想要的速度。 如果想讓汽車以每小時1英里的速度行駛，你不能指望給發(fā)動機施加10伏的電壓它就能做到。在10伏電壓下，發(fā)動機根本不會轉(zhuǎn)動。18世紀(jì)，人們通過使用一種叫離心調(diào)速器的裝置解決了這個問題，這種裝置創(chuàng)建了一個反饋回路來控制發(fā)動機的速度。離心調(diào)速器是一種帶有兩個金屬飛球的“旋轉(zhuǎn)”裝置，如圖所示，你可能會把它同蒸汽機和啟蒙時期的機械車間聯(lián)系起來。當(dāng)發(fā)動機運轉(zhuǎn)得更快時，離心調(diào)速器就旋轉(zhuǎn)得更快，金屬飛球被離心力向外拉。通過一系列杠桿，一個閥門會關(guān)閉進入發(fā)動機的燃料通路，使發(fā)動機減速。如果發(fā)動機運轉(zhuǎn)太慢，裝置就會增加發(fā)動機的燃料，使其加速。通過調(diào)節(jié)注入發(fā)動機的燃料，離心調(diào)速器可以讓發(fā)動機的轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定。 離心調(diào)速器，電子控制系統(tǒng)的前身。當(dāng)發(fā)動機運轉(zhuǎn)得更快時，帶有金屬飛球的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)得也更快，飛球被離心力向外拉。接下來的一系列杠桿讓發(fā)動機的閥門關(guān)閉。如果發(fā)動機運轉(zhuǎn)太慢，閥門就會讓更多的燃料通過 這個離心調(diào)速器的缺點是，它只知道如何讓發(fā)動機保持單一速度運轉(zhuǎn)。現(xiàn)代自動駕駛汽車使用類似的反饋回路，只是它們可以按照計算機程序控制的任意目標(biāo)速度運轉(zhuǎn)。在圖中，你可以看到這樣的反饋回路。你的目標(biāo)速度（例如每小時25英里）是這個反饋回路的輸入，回路使用電子速度計而不是旋轉(zhuǎn)裝置來測量車輪速度與目標(biāo)速度的差異。 人們希望從速度控制算法中得到的直覺行為是：當(dāng)汽車開得太慢時，它會提高發(fā)動機的功率；當(dāng)汽車開得太快時，它會降低發(fā)動機的功率。一種常用的調(diào)節(jié)發(fā)動機功率的方法叫作比例控制，之所以叫比例控制，是因為我們對功率的調(diào)節(jié)等于目標(biāo)速度和當(dāng)前速度的差值乘以一個固定的系數(shù)。比例控制并不完美，如果汽車爬坡行駛或逆風(fēng)行駛，它的行駛速度往往比我們期望的速度慢。因此，我們通常會對控制算法做一些其他調(diào)整，例如，如果車速一直太慢，發(fā)動機的功率就會稍微提升一些。 最常見的控制算法由三條簡單規(guī)則組成，它可以使汽車可靠地達(dá)到目標(biāo)速度。我們在接下來的幾章中介紹的許多自動駕駛汽車都使用了這種三規(guī)則控制器，專家稱之為PID（比例–積分–微分）控制器。 既然我們已經(jīng)對硬件的控制方法有了大致的了解，就無須再過多思考這些復(fù)雜的細(xì)節(jié)。創(chuàng)建硬件固然重要，但我們可以假設(shè)它是一項單獨的挑戰(zhàn)。為了從我們的視角來控制速度和轉(zhuǎn)向，我們需要編寫一個軟件來告訴汽車應(yīng)該以什么速度行駛，車輪應(yīng)該扭轉(zhuǎn)多大角度。把開車從硬件問題轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖䥺栴}，現(xiàn)在我們便可以只關(guān)注軟件問題了。 PID控制器的反饋回路，即上文描述的三規(guī)則控制器。該控制器使用速度計的反饋來調(diào)節(jié)發(fā)動機的輸入，例如功率 自動駕駛汽車的路徑選擇 當(dāng)悍馬在比賽中行駛時，它并不是朝某個隨機方向行駛25分鐘，而是沿著一條通往特定目的地的道路行駛。汽車可以朝目的地行駛，是因為車?yán)镉幸粋�軟件告訴它該去哪里。這個規(guī)劃組件是自動駕駛汽車最重要的部分，它決定了系統(tǒng)其余部分的優(yōu)先級。汽車所做的其他一切事情，比如利用轉(zhuǎn)向系統(tǒng)保持在道路上行駛、不撞上巖石等，都是為了進一步實現(xiàn)沿著那條路徑行駛的目標(biāo)。 在比賽開始前僅兩個小時的時候，機器人汽車比賽的組織者才向參賽者提供了一幅電子地圖，因為他們不希望參賽者提前偷看這條路線。這張帶有GPS（全球定位系統(tǒng)）坐標(biāo)的地圖描繪了賽車從比賽起點到終點的路線。因此，克里斯和他的團隊為汽車配備了GPS傳感器來檢測位置。 從理論上講，汽車只需要從地圖上的一個地點導(dǎo)航到另一個地點，用GPS傳感器調(diào)整方向，使自身保持沿路線行進即可。克里斯的團隊自稱紅色車隊。他們知道GPS是導(dǎo)航中最重要的部分，但他們也知道這還不夠。柵欄和巖石之類的障礙物會擋住去路。因此，紅色車隊還提前繪制了一幅巨大的地圖，稱之為“世界上最好的地圖”，以此完善他們在比賽當(dāng)天早上得到的地圖。在比賽開始前的幾周里，他們研究了54000平方英里a沙漠的衛(wèi)星圖像，以確定障礙物的位置。 接下來，在比賽開始前僅兩個小時的時候，他們獲得了路線的GPS坐標(biāo)，14個人連忙在幾十臺計算機的幫助下手工標(biāo)注沿途的地形。當(dāng)這些工作人員手工標(biāo)注地圖時，計算機不斷搜索從比賽起點到終點的最佳路線，并將最新信息發(fā)送給工作人員，以便其確定研究的優(yōu)先順序。克里斯和他的團隊計劃在比賽開始前把這條預(yù)先計算好的路徑上傳到他們的自動駕駛悍馬上。 僅僅走了5%路程的第一名 悍馬在沙漠中剛剛駛過7英里里程標(biāo)后，一頭撞上了一塊巖石。那里有一個向左的急轉(zhuǎn)彎，但悍馬轉(zhuǎn)彎太急了，左側(cè)車輪越過了路肩。它向前滑行，底盤陷入沙土中，最終撞上了巖石。比賽計時器上的時間一分鐘又一分鐘地流逝，悍馬還在沙土中旋轉(zhuǎn)著車輪。幾名負(fù)責(zé)跟蹤悍馬進程的賽事官員注視著它在晨光中掙扎。 悍馬的車輪旋轉(zhuǎn)了將近7分鐘，最終著火了。附近的賽事官立刻按下遙控的電子滅火開關(guān)，停止了機器人，然后跳出來撲滅了火焰。悍馬的車輪轉(zhuǎn)得太快了，當(dāng)按下電子滅火開關(guān)時，它的兩個半軸全都斷裂了。克里斯的隊伍正式退出了比賽。 DARPA（美國國防部高級研究計劃局）組織了這次機器人汽車比賽，人們稱之為“DARPA無人車挑戰(zhàn)賽”（DARPA Grand Challenge）。在106輛報名參賽的車輛中，有15輛在比賽當(dāng)天參加了比賽，其中包括克里斯和他的團隊設(shè)計的機器人悍馬。 最終，這些自動駕駛汽車沒有一輛贏得百萬美元獎金。在旁觀者看來，這些賽車看起來簡直就像一群可憐蟲：只見一輛參賽的大卡車慢慢地從灌木叢中退出來；另一輛車因為害怕影子而駛離了道路；18那位自動駕駛摩托車的發(fā)明者，在賽前的興奮和歡呼中，忘記了把摩托車切換到自動駕駛模式，它在起跑線就一頭栽倒了。 悍馬行駛了7.4英里，最終在路邊拋了錨。雖然它是比賽中表現(xiàn)最好的車輛，但它僅僅走完了5%的路程。紅色車隊研究了他們的比賽記錄，發(fā)表了一份長篇報告，概述了這輛悍馬的優(yōu)缺點。他們在報告中列舉了25分鐘行駛過程中的一些問題。報告讀起來就像電影《福祿雙霸天》（The Blues Brothers，是歷史上損毀車輛最多的電影）的劇本。
在紅色車隊的報告中，這些撞擊被描述為“非正常行為”，但保險公司可能會更恰當(dāng)?shù)胤Q之為事故。DARPA曾向參賽者宣布，比賽可以用普通四驅(qū)皮卡完成，但紅色車隊選擇了一輛悍馬，因為他們不希望硬件成為瓶頸。這在某些情況下確實有所幫助，例如，3號圍欄樁是加固過的，堅固的悍馬推了它近兩分鐘才終于把它推倒，繼續(xù)前進。克里斯甚至稱他們的悍馬為“汽車破城槌，時速22英里的猛獸”。但是一輛堅硬的悍馬并不足以贏得勝利。 ; _ c) y: ]5 l/ j! Y( k4 U S問題是悍馬幾乎看不到它的去向。它的巨眼太原始，視力太差。除了長距離導(dǎo)航功能之外，悍馬的大部分智能行為都涉及使用簡單的規(guī)則對傳感器做出反應(yīng)。紅色車隊意識到了這些局限，對悍馬進行了編程，讓悍馬在數(shù)據(jù)可能不可靠時忽略攝像頭和激光掃描儀的數(shù)據(jù)，然后按照GPS坐標(biāo)，沿著預(yù)定路線盲眼行駛。這就是在悍馬致命的撞車之前發(fā)生的事情。它必須改進巨眼和任何支持巨眼的軟件。 一場失敗的比賽，一個全新的開始 對旁觀者而言，DARPA無人車挑戰(zhàn)賽可能看起來就是一次失敗。美國有線電視新聞網(wǎng)以“機器人折戟挑戰(zhàn)賽”為題總結(jié)了這次比賽。《大眾科學(xué)》（Popular Science）稱之為“DARPA的沙漠潰敗”。從好的一面講，正如一位觀眾所言，這是“拖車司機的好日子”。 但許多參賽者對結(jié)果非常滿意。當(dāng)晚，參賽者和組織者在位于終點的布法羅比爾賭場聚會，在那里，他們被一群熱衷于制造機器人汽車的極客包圍了。很快，所有人都能詳細(xì)了解機器人悍馬如何在崎嶇的沙漠里跑7.4英里了！而且，在連續(xù)數(shù)月的連夜奮戰(zhàn)和周末加班之后，他們終于可以補覺了。 DARPA的官員也很興奮，互相祝賀這場比賽的成功。在之前的8年中，自從自動駕駛汽車領(lǐng)域的引領(lǐng)者之一恩斯特•迪克曼斯（Ernst Dickmanns）宣稱“這個領(lǐng)域需要等到計算機變得更強大才有希望”，該領(lǐng)域就一直在寒冬中蟄伏。計算機的速度提高了25倍，DARPA無人車挑戰(zhàn)賽迅速重燃了這個領(lǐng)域，讓研究人員得以再度取得進展。 DARPA也更接近于實現(xiàn)國會的目標(biāo)—到2015年使1/3的軍用車輛實現(xiàn)自動駕駛（據(jù)我所知，這個目標(biāo)并沒有實現(xiàn)）。與參賽者一樣，DARPA也擁有來自世界各地專家的文獻，內(nèi)容涉及如何制造可以在沙漠中自動行駛的汽車。“對我們而言，是否有車輛跑完整個賽程并不重要，”時任DARPA主任的安東尼•特瑟（Anthony Tether）解釋道，“我們希望激起人們對這個領(lǐng)域的科學(xué)興趣和工程興趣。” 從這個角度看，這次比賽大獲成功。它吸引了100多名申請者，并在短短幾個月內(nèi)就看到了450多家電視媒體和58家報紙的報道。《連線》（Wired）和《大眾科學(xué)》等28家頂級雜志用大量篇幅報道了這一賽事。盡管他們當(dāng)時并不知道，但這至少比重工業(yè)投資自動駕駛汽車技術(shù)提前了15年。 |
