詳細剖析：Voyage自動駕駛計程車背後的算力、動力和線控

雷鋒網按：Voyage Auto 是矽谷一家自動駕駛計程車初創公司，由專註機器學習、人工智慧等方面的在線培訓機構 Udacity 於 2017 年 4 月成立，在無人駕駛領域，Voyage 將與谷歌、特斯拉、Uber 展開競爭。目前，Voyage 已完成首輪種子融資和測試車輛外觀研發。

自動駕駛汽車有自己的行動範式，它會先進行通過激光雷達、雷達和攝像頭等感測器進行感應，隨後利用感測器信息和其他情境信息完成路徑規劃並按規劃控制車速和方向完成任務。

在業內，這一過程被稱之為 SPA （Sense，Plan & Act）。當然，想順利完成一整套 SPA 可不容易，它需要複雜且能協同工作的軟硬體系統支持。

經過媒體連續的報道，外界對自動駕駛汽車的零部件（如激光雷達和視覺攝像頭）已經相當熟悉，但將這些零部件進行完美的整合也同樣重要。而這也是本文章要著力解讀的。

本文由雷鋒網編譯自 Voyage Auto 在 Medium 上發表的文章，原文標題為：Under the Hood of a Self-Driving Taxi。

上圖是 Voyage 自動駕駛計程車的「解剖圖」，與其他的多感測器自動駕駛汽車一樣，Voyage 的架構屬於標準化設計，每一個零部件都扮演著自己相應的角色。

今天，我們就來詳細剖析 Voyage 自動駕駛計程車的算力、動力和線控駕駛套件。

在整個 SPA 過程中，計算是規劃（P）的主要驅動力。執行該任務的是來自技嘉的 AORUS 主板，它搭載了英特爾酷睿 i7–7700K 8核處理器（主頻 2.4GHz），GPU 則為英偉達 Titan X。作為 Homer（Voyage 首台自動駕駛汽車）的大腦，它為感測器搭建了一個順暢的數據管道。為了獲得一定的冗餘度，它還配上了 64GB RAM和 3塊 1TB 的固態硬碟。

這個強大的大腦運行了 Ubuntu 系統，並利用 Docker containers 來管理系統環境。在這裡，ROS 操作系統則負責進行快速的原型感知、運動規劃和節點操縱。

ROS 是一套多用途機器人中間件，它可以將複雜的信息傳遞、時間、數據結構（如點雲等）、線程和數據記錄抽象化。

不過，Ubuntu 並不是一個專為量產版自動駕駛汽車而生的實時操作系統，它更擅長於設計原型演算法並在真實環境中快速完成演算法的測試。有了這些工具，研究人員在白板上記下的靈感才能更快的出現在道路上。

獨立運行的 ROS 節點實質上是一個個小型程序，不過它們通常會有許多聯繫。

舉例來說，一個節點可能會負責通過乙太網介面讀取來自激光雷達的原始數據，隨後它會將其轉化為 PointCloud2 信息。這條信息包含一組三維點和它們的元數據，它可以通過 ROS 網路「分發」出去，其他節點都可進行調用。

而調用這條信息的節點，可能會負責將得到的點雲數據插入現有地圖來完成定位，其他節點則可能會擔負起運行演算法來探測或追蹤物體的任務。完成了各自的任務後，這些節點就會將相關信息公布在 ROS 網路上供動作規劃演算法等大型程序調用。

從整體來看，這就是 Voyage 自動駕駛計程車的運行方式。感測器（激光雷達、雷達、RTK GPS、攝像頭、CAN 匯流排）負責採集原始數據，隨後一系列小型節點對數據進行處理並輸出控制信號，方便線控駕駛套件對油門、剎車和轉向系統進行控制。

需要指出的是，在開發階段使用 ROS 最有價值的部分是數據記錄和回放。

當節點相互交流時，它會使用特殊的通道，而這些交流時的數據會被自動記錄下來供後續分析。事實上，只要 Voyage 的自動駕駛計程車上路，它們行駛時每一秒的數據都會被記錄下來。由於節點交流時使用了特殊的通道，因此就不會發生數據混亂，同時研究人員還能輕鬆對車輛進行分塊分析。

有了這一利器，Voyage 就能在辦公室重新模擬任何路況，原來那種駕駛汽車在路上「閑逛」、期待特定情況出現的測試方法一去不復返了。此外，研究人員還可直接在辦公室測試新演算法，因此節省了大量時間。

通常來說，執行車輛計算任務的都是 CPU，這是因為此類任務大多是單一的，目的是在遇到下一個問題前找到一個解決方案。同時，CPU 的多線程能力較強，它可以處理大量的數據。不過，有些問題還需要人工智慧技術來處理，因此就不得不提到英偉達的 Titan X GPU。

只要你關注過自動駕駛汽車，肯定聽說過人工智慧在其中的應用。

Voyage 也十分青睞機器學習，如果一個問題能用神經網路來解決，它的團隊肯定會鑽研出突破口。眼下，Voyage 就在使用深度學習探測交通信號燈的變化情況，準確度已經相當高。

同時，分辨障礙物、區分建築物和道路、確定轉向角度等工作也由深度學習技術擔綱。雖然 GPU 並不適用於所有工作，但它確實是工程師的得力助手。

為 Voyage 整套系統提供動力的是搭載在福特蒙迪歐上的原版 12V 車載電池。這塊電池會將電力輸送到配電裝置上去（PDU，擁有 9 個 12V 連接器的繼電器開關）。

這套系統有自己的編程語言，每個開關都可以獨立控制。同時，PDU 上還連接著一個 110V 的換流器，它能為 Linux Box 供電。

要想讓 PDU 保持工作狀態，車輛就不能停。Voyage 用的測試車是蒙迪歐混動版，如果車輛探測到駕駛員不在座位上，車身控制模塊就會在 30 分鐘後切斷點火繼電器。這樣一來，PDU 和 Linux Box 也無法倖免，這樣的設計確實讓工程師們撓頭。

為了「幹掉」這個自動熄火功能，Voyage 的開發人員直接更改了該車的出廠設置。它更換了其中一個模塊，以便讓車輛能一直保持運行。同時，它還關掉了車門鎖住時的報警聲。

Voyage 認為，在整個 SPA 流程中，線控駕駛套件代表的是 Act。簡單來說，線控駕駛套件就是感測器/計算裝置和驅動器的介面。

有了這個套件，計算設備完成數據處理後發送的指令就能得到貫徹執行，而上述所講的驅動器就是油門、剎車踏板和方向盤等。

在現代車輛上，大多數的驅動器都已經與駕駛員的輸入脫鉤了。舉例來說，當你踩下油門，其實只是動了兩個電位器，它會發送 0-5V 的電壓信號給引擎控制模塊（ECM）。經過 ECM 的處理，駕駛員的意圖才會被轉換成相關信號發送給引擎並帶動車輛完成加速等動作。

線控駕駛套件正處在 ECM 和油門踏板之間，如果這套系統停止工作，踏板上的電位器就會給 ECM 發送信號。

自動駕駛汽車是一個原件互相交織的複雜系統，Voyage 希望通過一系列講解來提高技術的透明性以便推動此類車輛儘快普及。

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