人工智能系统在自动驾驶汽车中的应用
作者:禅与计算机程序设计艺术
随着城市化进程加快、人口向中年段迁移、共享经济的兴起等一系列新形势的出现,未来城市将成为一片繁华的都市圈。而人工智能的引入则让这个世界变得更加美好。其中,自动驾驶汽车作为最主要的人类交通工具之一,正在受到越来越多人的关注。现在,已经有许多公司和研究机构探索了自动驾驶汽车的开发、测试、部署以及运营。然而,如何让自动驾驶汽车真正落地,还需要长远考虑和投入。
本文将以自动驾驶汽车的技术实现与应用为线索,综述人工智能技术在自动驾驶汽车领域的应用现状和局限性,并分析当前技术瓶颈所在,给出未来的技术发展方向和规划。最后对国内外已有的相关技术进行调研与比较,阐明自动驾驶汽车在不断进步、创造价值的过程中所面临的种种困境,以及目前存在的商业模式问题等。通过综述、阐述、论证,本文可以为自动驾驶汽车的发展指明正确的道路。
2.基本概念术语说明
2.1 自动驾驶汽车
自动驾驶汽车(self-driving car)或称电子驱动汽车(EV),是指由计算机控制的汽车,车辆的操控功能均由电脑完成,不需要人为参与操作。它将给个人带来舒适的驾驶体验,提高行车效率。目前国内外已经有不少自动驾驶汽车产品,包括Uber和Tesla等。
自动驾驶汽车通常有两种工作方式:
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基于计算机视觉的方法,如基于激光雷达、摄像头等。此类方法不需要主动控制,可以实时识别、跟踪周围环境并作出决策;
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基于控制论的方法,如基于PID控制器、机器学习算法等。此类方法需要通过计算得到一个控制指令,用于对汽车行动,例如转向角度、速度、转弯角度等。由于控制指令具有很强的主观性和不可预测性,因此可能导致汽车行动失灵甚至发生危险。
本文将从以下几个方面介绍自动驾驶汽车:
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发展历程:自动驾驶汽车目前处于快速发展阶段,研究人员和工程师们纷纷投入资源开发自动驾驶汽车,特斯拉的创始人马斯克曾说过“自动驾驶并非一蹴而就”。然而,自动驾驶汽车还有很多技术难题要解决,例如安全、性能等。在这些技术难题上,创新一直是自动驾驶汽车的重要策略。
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架构设计:自动驾驶汽车的设计通常分为四个层次。第一层次为基础设施层,包括传感器、雷达、地图信息等,这一层是自动驾驶汽车的硬件组件。第二层次为软件系统,即驾驶控制系统(Driver Assistance Systems, DAS)。DAS能够从各个传感器获取的数据,结合算法和处理数据,最终输出控制指令,实现自动驾驶汽车的操控。第三层次为通信系统,即Vehicle-to-Vehicle Communications (V2V),连接不同车辆之间的传输数据,进行协同工作。第四层次为服务层,包括人机交互、自动驾驶系统安全、故障诊断等,能够提供用户各种服务。
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智能系统架构:自动驾驶汽车的智能系统可以分成多个模块,如感知模块、计算模块、决策模块和执行模块等。感知模块包括红外相机、激光雷达、深度相机等传感器,它们能够获取车辆周边环境的信息,如环境物体、人脸等。计算模块包括经典的路径规划算法、机器学习算法等,它们根据感知得到的数据,对其进行分析和处理,生成控制指令。决策模块决定下一步的行动,如转向、加速、减速等,并产生相应的控制信号。执行模块把指令送入电动机、变速箱等,使汽车能够按照控制信号行动。
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技术难点:自动驾驶汽车的技术难点主要包括:安全性、可靠性、性能、电池续航等。安全性是一个非常重要的问题,因为未来无人驾驶汽车将面临非常严格的安全检查。为了保证汽车的安全,需要建立完整的驾驶技能训练体系,从专业驾驶员、助手、指导员到教练、警察等,每个成员都要掌握各种驾驶知识。另外,汽车的物流系统也应该做好应对突发事件的准备。例如,遇到路口堵车,汽车应该能够检测到并制止。可靠性是一个技术难点,因为自动驾驶汽车需要时刻保持在一个良好的状态,否则容易丢失或者损坏。这是由于汽车底盘、车身、电源、传感器等部件等因素导致的。性能也是自动驾驶汽车的一个技术难点,因为没有有效的电池管理系统,容易耗尽电量。因此,为了提高性能,需要设计更先进的电池管理系统,同时需要升级传感器、处理器等组件。
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商业模式:自动驾驶汽车的商业模式一般分为两个阶段。第一个阶段是自营阶段,也就是完全自主开发、自主运营的阶段。第二个阶段是整合阶段,将自动驾驶汽车与传统汽车、摩托车结合起来,形成新的统一整体,亦称混合型自动驾驶汽车。这种模式能够最大程度地降低成本、提高效益,有利于增加销售额。另外,通过将汽车与自动驾驶系统集成到一起,可以获得更多的收益,比如降低油耗、节省汽车寿命等。总之,自动驾驶汽车的发展前景依旧光明。
3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学公式讲解
3.1 深度学习算法
深度学习(Deep Learning)是一种通过多层神经网络模型来学习数据的计算机技术。深度学习通过非线性映射和组合来学习输入数据中的复杂结构,极大地增强了模型的表达能力。由于采用了多层网络结构,使得深度学习模型具备了高度的非线性特性,能够对复杂的非凡数据进行建模。与传统的机器学习算法相比,深度学习算法可以解决一些传统机器学习算法无法解决的问题。
人工智能领域的深度学习技术主要有三种:
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卷积神经网络CNN(Convolutional Neural Network):卷积神经网络是一种特殊的神经网络模型,属于深度学习模型的一种。它的核心思想是利用一组卷积核对输入数据进行特征提取,然后再经过全连接层输出结果。
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循环神经网络RNN(Recurrent Neural Networks):循环神经网络(Recurrent Neural Network, RNN)是一种深度学习模型,其核心思想是在时间序列数据上进行建模,使得模型能够对之前的历史信息进行建模,实现对序列数据进行连续预测。RNN模型能够记忆之前的输入数据,并在之后的时间步上进行回归或分类。
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递归神经网络RNN(Recursive Neural Networks):递归神经网络(Recursive Neural Network, RNN)是一种递归模型,属于深度学习模型的一种。它的核心思想是使用递归的方式对输入数据进行建模,通过递归调用中间变量,从而实现对整个输入数据进行建模。
为了解决自动驾驶汽车的技术难题,目前国内外已有不少深度学习算法被应用到自动驾驶汽车领域,如图像识别、目标检测、轨迹预测、语音识别、决策算法等。如图1所示,图中展示的是一种流行的深度学习算法架构——YOLO(You Look Only Once)。
YOLO的基本思想就是利用卷积神经网络来进行目标检测,其网络结构如图2所示。YOLO采用了三级特征图,分别是(S、B、C)三个尺度上的特征图。首先,S特征图用于检测小目标,B特征图用于检测大目标,C特征图用于检测所有目标。YOLO对小目标进行精细的定位,对大目标进行粗糙的定位,对于目标数量较多的视频帧,还可以将多个小目标合并成大的目标。
3.2 概念算法
3.2.1 路径规划算法
路径规划算法(Path Planning Algorithm)是指确定汽车的行进路线及避让障碍物、寻找路径的算法。目前,有许多路径规划算法被应用到自动驾驶汽车领域,如A 算法、RRT算法、D 算法等。
A*算法
A 算法是一种著名的路径规划算法。该算法启发自启发式搜索算法,使用一种启发式函数来评估从初始节点到目标节点的代价。A 算法通过优先选取路径中当前最佳的分支点来构建路径,而不是像普通的DFS或BFS那样随机选择分支点。
RRT算法
RRT算法(Rapidly-Exploring Random Tree)是一种比较简单的路径规划算法。该算法生成一棵树结构,初始时树仅包含起点和终点,随后通过随机采样生成新节点,通过几何约束或距离限制来对生成的新节点进行修正,直到新节点与树中的叶子节点之间存在一条合理的路径为止。
D*算法
D 算法(Dynamic Star)是另一种路径规划算法。该算法的基本思路是动态维护一个搜索空间,其中包含所有可行路径。D 算法通过反复修正搜索空间,以期使得更多的可行路径能够加入到搜索空间中,进而提升搜索效率。
3.2.2 决策算法
决策算法(Decision Making Algorithms)又称为调度算法(Scheduling Algorithm)。该算法用于在一个时刻内对所有车辆的决策进行调度。目前,有许多决策算法被应用到自动驾驶汽车领域,如贝尔曼矩阵法、改进单旅行路径算法等。
贝尔曼矩阵法
贝尔曼矩阵法(Bellman Matrix Method)是一种最简单的决策算法。该算法将车辆的行为建模为马尔科夫决策过程,即在每一时刻只考虑当前及之前的时间状态和行为,简化了决策模型。在得到了马尔科夫决策过程的定义之后,贝尔曼矩阵法便可以使用线性规划求解,直接得到最优解。
改进单旅行路径算法
改进单旅行路径算法(Improved Single-Trip Pathfinding Algorithm)是一种具有竞争力的决策算法。该算法提出了一个新的决策模型——最小双旅行时间,并结合了时空网路流信息和代价函数。在得到了双旅行时间的定义之后,算法便可以通过迭代的方法进行优化求解。
3.2.3 控制算法
控制算法(Control Algorithm)是指汽车的动力学模型及其调节器(Actuator)的组合。在自动驾驶汽车领域,主要用到的控制算法有PD控制器、PI控制器、P控制器等。
PD控制器
PD控制器(Proportional–Derivative controller)是一种常用的控制算法。该算法结合了速度误差和加速度误差来调节车辆的速度。在实际应用中,PD控制器通常结合PID控制器使用。
PI控制器
PI控制器(Proportional–Integral controller)是一种常用的控制算法。该算法结合了速度误差和积分误差来调节车辆的速度。在实际应用中,PI控制器通常结合PID控制器使用。
P控制器
P控制器(Proportional controller)是一种简单但有效的控制算法。该算法通过调整比例因子来调节车辆的速度。
3.3 数据收集及存储
由于自动驾驶汽车的数据量巨大,为收集足够多的数据进行训练,每天收集的数据量超过50GB。因此,数据收集及存储也是自动驾驶汽车的关键技术。数据收集的准确性是影响汽车性能的重要因素,错误的数据会对汽车的行为造成影响,进而影响汽车的安全性、健康性。
自动驾驶汽车的数据收集过程如下:
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数据采集:主要是获取环境信息,如摄像头图像、激光雷达扫描数据等。
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数据处理:将原始数据转换为机器学习算法可以接受的形式。
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数据存储:保存数据用于训练模型。
自动驾驶汽车的数据存储方案主要有两种:
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分布式存储:分布式存储是将数据存储到不同的服务器上,便于数据的并发访问。
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云端存储:云端存储是将数据存储到云服务器上,云服务器可以实现数据快速访问。
3.4 车流量统计与管理
车流量统计与管理(Traffic Statistical and Management System)是指用来管理自动驾驶汽车车道的车辆流量,保证车流畅、平稳运行的系统。它可以通过实时的车流数据、历史车流数据、车流预测数据来管理车流量。
自动驾驶汽车的车流量统计与管理方法通常包括以下几个方面:
-
车流预测:自动驾驶汽车的车流量预测方法有两种,一种是基于算法,如ARIMA算法等;另一种是基于监督学习,如监督学习分类器等。
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车流限制:当车流量过大时,需控制车流量,防止堵塞车道。
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车流密度限制:当车流密度过大时,需控制车流密度,避免拥堵交通道。
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车道管理:通过红绿灯、交通信号等方法进行车道管理。
3.5 事件检测与处理
事件检测与处理(Event Detection and Processing)是指在汽车运行过程中检测和处理异常事件的系统。系统需要实时监控汽车的运行状态,判断是否存在异常事件,并及时进行处理。在汽车的故障预警系统中,也会使用该系统。
自动驾驶汽车的事件检测与处理系统通常包括以下几个方面:
-
传感器集成:将多种传感器集成到一起,提供实时的汽车运行数据。
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异常检测:通过对传感器数据进行分析,判断是否存在异常情况。
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异常处理:当异常情况发生时,进行异常处理,使汽车正常运行。
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时序分析:通过对事件发生的时序进行分析,发现潜在的风险。
3.6 车辆安全保护
车辆安全保护(Vehicle Safety Protection)是指通过减小、减速、避让、缓冲等方式,使汽车免受各种恶意攻击或安全威胁的系统。系统能够将对车辆安全的威胁分为两类:静态威胁和动态威胁。静态威胁一般是指汽车自身的性质或设计缺陷,如轮胎不牢固,电瓶充电可能导致爆炸等。动态威胁一般是指汽车运行过程中存在的高风险事件,如交通事故、雷击、碰撞、盗窃等。
自动驾驶汽车的车辆安全保护系统通常包括以下几个方面:
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车辆结构:自动驾驶汽车的车辆结构应该足够健壮、轻巧,能够抵御各种超速、疲劳、碰撞、路段偏离、车距超限等安全威胁。
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驾驶员辅助系统:驾驶员辅助系统可以帮助驾驶员调整车速、检测车况、发现危险等。
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驾驶辅助工具:驾驶辅助工具是指能够帮助驾驶员进行各种操作,如手动和自动调节、巡航等。
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警示系统:警示系统可以提醒驾驶员、报警,并及时响应安全事故。
4.具体代码实例和解释说明
本节介绍一些自动驾驶汽车相关的代码实例和解释说明。
4.1 Python代码实例
下面是Python语言编写的自动驾驶汽车相关的代码实例,可以参考学习:
OpenCV颜色检测示例
import cv2 as cv
cap = cv.VideoCapture(0) # 打开摄像头
while cap.isOpened():
ret, frame = cap.read()
if not ret:
break
hsv = cv.cvtColor(frame, cv.COLOR_BGR2HSV) # 将图片转换到HSV色彩空间
lower_blue = np.array([90,50,50])
upper_blue = np.array([130,255,255])
mask = cv.inRange(hsv, lower_blue, upper_blue) # 找到蓝色范围
res = cv.bitwise_and(frame, frame, mask=mask) # 在蓝色区域显示为白色,其他区域显示为黑色
cv.imshow("camera", res) # 显示视频
k = cv.waitKey(5) & 0xFF # 检查键盘按键
if k == ord('q'):
break
cv.destroyAllWindows() # 关闭窗口
cap.release() # 释放摄像头资源
yolo目标检测示例
import numpy as np
from PIL import Image
import cv2
import os
def yolo_detect(img):
model_cfg='yolov4.cfg'
weights='yolov4.weights'
class_names=['person', 'bicycle', 'car','motorcycle', 'airplane',
'bus', 'train', 'truck', 'boat', 'traffic light',
'fire hydrant', '','stop sign', 'parking meter', 'bench']
net = cv2.dnn.readNetFromDarknet(model_cfg, weights)
ln = net.getLayerNames()
ln = [ln[i[0] - 1] for i in net.getUnconnectedOutLayers()]
hsv_min = np.array((0., 0., 0.))
hsv_max = np.array((180., 255., 255.))
img_pil = Image.fromarray(cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2RGB))
blob = cv2.dnn.blobFromImage(img, 1/255.0, (416, 416),
swapRB=True, crop=False)
net.setInput(blob)
layerOutputs = net.forward(ln)
boxes = []
confidences = []
classIDs = []
for output in layerOutputs:
for detection in output:
scores = detection[5:]
classID = np.argmax(scores)
confidence = scores[classID]
if confidence > 0.5:
box = detection[:4]*np.array([w,h,w,h])
(centerX, centerY, width, height) = box.astype("int")
x = int(centerX - (width / 2))
y = int(centerY - (height / 2))
boxes.append([x,y,int(width),int(height)])
confidences.append(float(confidence))
classIDs.append(classID)
indices = cv2.dnn.NMSBoxes(boxes, confidences, 0.5, 0.4)
font = cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX
colors = pkl.load(open("./pallete","rb"))
for i in indices:
i = i[0]
box = boxes[i]
x = box[0]
y = box[1]
w = box[2]
h = box[3]
color = colors[classIDs[i]]
cv2.rectangle(img, (x,y), (x+w,y+h), color, 2)
text = "{} {:.4f}".format(class_names[classIDs[i]],confidences[i])
cv2.putText(img,text,(x,y-5), font, 0.5,color,2)
return img
if __name__=='__main__':
video_capture = cv2.VideoCapture(0)
while True:
_, frame = video_capture.read()
result = yolo_detect(frame)
cv2.namedWindow("Detections", cv2.WINDOW_NORMAL)
cv2.resizeWindow("Detections", 800, 600)
cv2.imshow("Detections", result)
key = cv2.waitKey(1)
if key == ord("q"):
break
车流量统计示例
import pandas as pd
import datetime
class trafficStat:
def __init__(self, timeSpan, databaseName="traffic.csv"):
self.timeSpan = timeSpan
self.databaseName = databaseName
self.createDatabaseTable()
def createDatabaseTable(self):
columns = ["Time", "CarCount"]
df = pd.DataFrame(columns=columns)
df.to_csv(self.databaseName, index=False)
def recordTraffic(self, count):
now = str(datetime.datetime.now())
data = {"Time":now,"CarCount":count}
with open(self.databaseName,'a') as f:
f.write(",".join([str(data[key]) for key in data.keys()])+"
")
def getTrafficData(self):
df = pd.read_csv(self.databaseName)
currentTime = str(datetime.datetime.now())[:-7].replace("-","/") + ":00"
currentHour = int(currentTime[-5:-3])
dataInTimeSpan = df[(df['Time'] >= (currentTime - self.timeSpan))]
sumOfData = dataInTimeSpan["CarCount"].sum()
avgPerHour = round(sumOfData/(self.timeSpan.seconds//3600), 1)
totalAvg = round(avgPerHour * 24 // 10, 1)
print("Traffic Data In Last {}:
".format(self.timeSpan))
print(dataInTimeSpan.tail().style.set_caption("Raw Data").set_precision(2).hide_index(),"
")
print("Total Cars Per Hour (Last {}):
{} cars per hour
".format(self.timeSpan, avgPerHour))
print("Total Average Cars Per Day (Last {} Hours):
{} cars per day".format(self.timeSpan.seconds//3600, totalAvg))
if __name__=="__main__":
ts = trafficStat(datetime.timedelta(hours=24))
# add some traffic
for _ in range(100):
ts.recordTraffic(_)
# show the latest data
ts.getTrafficData()
车流密度统计示例
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
sns.set()
class trafficDensity:
def __init__(self, distanceInterval, databaseName="traffic.csv"):
self.distanceInterval = distanceInterval
self.databaseName = databaseName
self.createDatabaseTable()
def createDatabaseTable(self):
columns = ["Distance", "CarCount"]
df = pd.DataFrame(columns=columns)
df.to_csv(self.databaseName, index=False)
def calculateDistance(self, velocity, duration):
distance = ((velocity*(duration))/1000)*(self.distanceInterval/1000)
return round(distance, 2)
def updateDistanceRecord(self, velocity, duration, timestamp):
distance = self.calculateDistance(velocity, duration)
data = {"Distance":distance, "CarCount":1}
with open(self.databaseName,'a') as f:
f.write(",".join([str(timestamp), str(data[key]) for key in data.keys()])+"
")
def plotTrafficDensity(self):
df = pd.read_csv(self.databaseName)
ax = sns.lineplot(x="Distance", y="CarCount", data=df)
plt.show()
if __name__=="__main__":
td = trafficDensity(20)
# add some records
for _ in range(100):
td.updateDistanceRecord(_,_,_)
# plot density chart
td.plotTrafficDensity()
