発行元: 2019年03月04日 |
照片承蒙麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)提供。
自动驾驶汽车能够通过精心放置在车辆周围的多个传感器数字眼,实现360°环境观察。利用雷达、红外摄像头和超声波技术,传感器不断检测并将原始数据源源不断地传输到电子控制单元(ECU),然后在那里以快速、时间敏感的方式进行处理,以确定汽车应采取什么行动。
可以想象,在自动驾驶方面,感知就是一切。但是,如何保证安全呢?面对千变万化的路况,如何确定最佳行车道?当您考虑道路规则、多个目的地和其他变量时,您如何找到最佳路线?
这些是学生工程师在麻省理工学院(MIT)计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)正在努力解决的问题。这些学生正处于一个为期五年的研究项目的第四个年头,该项目旨在寻找新的和新颖的方法来解决与自动驾驶有关的问题。
这个由博士后学者、博士生和硕士生组成的12人团队由麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室主任兼电气工程与计算机科学系教授Daniela Rus领导。她和麻省理工学院航空航天副教授Sertac Karaman共同担任自动驾驶汽车研究小组的首席研究员。
“这个团队在技术上很有实力,而且相互配合得很好。团队正在突破自动驾驶汽车的界限,以塑造个人出行的未来。”
Daniela Rus教授,麻省理工学院(MIT)
该团队目前正在从事的项目包括:
“我们正在努力解决自动驾驶汽车面临的问题,而且有很多问题,”麻省理工学院机器人软件工程师Thomas Balch说。“我们的研究重点是在复杂的乡村道路上导航,以及开发在极端天气条件下可有效发挥作用的强大感知方法。”
麻省理工学院机器人软件工程师Thomas Balch展示了用于自动驾驶普锐斯V型汽车的各种硬件组件。这些设备包括用于连接计算机和ECU的 dSPACE MicroAutoBox、用于在手动和计算机控制之间切换的Pilot Systems中继箱、用于机器学习和深度神经网络的NVIDIA Drive PX2、GPS单元和配电箱。
自动驾驶汽车在很大程度上依赖可用的3D地图,这些地图可以精确定位开放道路的景观(即行车道、出口坡道、路标、十字路口等)。为了为无人驾驶技术做好准备,各大城市正在为道路设置标记和进行3D测绘。但是自动驾驶汽车应该如何在没有标记的道路上行驶呢?农村地区有数百万英里的乡村道路,在相当长的一段时间内不会进行三维测绘。
为了解决这个问题,该团队开发了一个名为MapLite的系统,该系统可以在没有3D地图的情况下实现自主导航。MapLite技术使用GPS数据和激光雷达传感器,前者在地形图上提供汽车位置的粗略指示,后者则生成追踪道路表面边界的轨迹,从而实现导航。MapLite将道路边界检测与车辆里程表(由运动传感器提供数据,用于估计位置的变化)结合起来,使自动驾驶车辆能够可靠地在道路上高速导航。
“我们正试图找到一种方法,使用传感器让你在一个可能没有密集特征地图的地方开车,”Balch说。“最多,你可能有手机GPS,或者你可能什么都没有。您如何保持行车路线?如果到了人行道尽头怎么办?如果碰到十字路口怎么办?这些都是MapLite正在努力解决的问题。”
2018年在澳大利亚布里斯班举行的国际机器人和自动化会议(ICRA)上发表了一篇 关于MapLite的技术论文 。该团队乐观地认为,MapLite技术将用于未来的自动驾驶汽车。
为了研究各种与自动驾驶相关的场景,研究团队使用了两辆配备一系列不同传感器的2016年普锐斯V型汽车,这些车辆中配备了激光雷达、IMU、GPS、摄像头、编码器等。dSPACE MicroAutoBox 原型设计单元用作自主软件和车辆控制系统之间的接口。
该团队使用汽车来构建算法,学习如何利用原始摄像头输入进行导航驾驶。他们正在开发这些端到端的技术,从头开始教汽车如何在一天的不同时间或环境中行驶。
Balch表示,“平台提供的基础自主软件使这些汽车能够作为全自动驾驶汽车行驶,这个软件必须采用模块化方式,并且容易对接,以便任何团队成员都可以把他们的研究结果快速加载到汽车上。他们依赖汽车的其他部分自主运行,这样我们在实验中看到的任何结果都可以用来验证他们的研究或排除故障。”
到目前为止,团队所做的每一项研究都有其独特的挑战,也需要不断加以改进。几乎每次编写新代码来改进性能不佳的部分软件堆栈时,通常也会发现需要优化的新领域。
Balch分享了一个单一故障影响整个系统的示例。用于控制汽车的Linux计算机在更新时,突然出现几条传感器信息,但没有一条到PCB的输出命令以超过1 Hz的速度发送出去。经过调查,该团队发现Linux内核有一个更新,更改了计算机的USB规则。这导致了USB传输速率达到上限,意味着它无法再控制汽车或接收一些关键的传感器输入。
Balch继续说道,“我们发现了这个错误后,对规则进行了修补,将值重置为以前的值,这虽然不一定是自动驾驶的一个障碍,但绝对是一个非常难以追踪的错误。”
该团队关注的另一个项目是开发一种自动轮椅。团队使用两个由定制PCB控制并配有车载计算机和传感器的电动轮椅,它们能够运行自主软件来为轮椅导航,而无需人工干预。传感器创建周围环境的3D地图,以便检测和避开轮椅行进路径上的障碍物。
该团队正在收集有关如何在杂乱的环境中导航的研究数据。他们正在研究的问题是:在这些环境中导航以保持安全、避免碰撞和平稳驾驶的最佳方式是什么?如果一个脾气暴躁的人试图把轮椅撞向墙壁或偏离道路,自动轮椅应如何反应?
该团队希望有一天这种自动轮椅可以在医院得到应用,以帮助行动不便的患者。
研究团队使用笔记本电脑运行自主软件,处理传感器数据并输出控制信号。研究团队过改装了普锐斯V型汽车,以模仿车辆自身传感器发送的信号的方式向转向、制动和加速器ECU发送电压。这种设置本质上是引导汽车自动驾驶。
Balch表示,dSPACE MicroAutoBox单元作为计算机和汽车ECU之间的接口,发挥着两个重要作用。MicroAutoBox读取CAN总线、汽车实际传感器的输出以及编码器的输出。它将数据打包成可以发送到计算机的信息。接着,这些信息以及来自其他传感器输入的数据用于提供有关汽车状态的反馈,然后发出控制信号,告诉汽车该怎么做。MicroAutoBox在信息中接收这些信号,并将其转换为适当的电压,然后输出到相应的ECU。
“MicroAutoBox表现非常好!”Balch 说道。“以前,我们很难通过USB连接以足够高的频率将信息发送到我们的定制板。但现在我们可以轻松地以超过100 Hz的频率发送和接收信息,并且在MicroAutoBox上运行的固件有1毫秒运行时间,所以可以想象我们能够以高达1 kHz的频率发送和接收指令,这太棒了。电压电平也非常平稳和一致,因此我们不太可能因为电压意外下降而导致汽车发生错误。”
Balch指出,希望提高汽车转向控制器性能是该团队决定将其硬件升级到MicroAutoBox的主要原因之一。在此之前,团队使用的是电气工程师在实验室开发的定制PCB。该定制板可以凑合使用,但存在一些问题导致转向控制不佳。
Balch说:“MicroAutoBox提高了电压控制、命令分辨率和通信速度,因此我们的电压控制更精准,速度更快,从而使汽车转向更加平顺。”
Pilot Systems为麻省理工学院的CSAIL团队建造并安装了一个中继箱(左上)。中继箱将实际的传感器信号(如加速、制动和转向)切换到MicroAutoBox,在那里将其转换为输入并发送给车辆的电子控制单元进行自主控制。中继箱还可用作传感器的信号调节器,如车轴编码器,以准确计算距离和速度。
麻省理工学院的研究团队在多个领域获得了Pilot Systems的工程支持。Pilot Systems是一家总部位于美国的系统设计和咨询公司,也是车辆级系统工程等多个领域的专家。
Pilot Systems用Simulink ® 为MIT研究团队重写了固件,并增加了一个框架,以帮助简化未来的升级。Pilot Systems还制作并交付了一个硬件组件和中继箱。此外,Pilot Systems协助研究团队进行验收测试,并就如何整合新功能以及良好的Simulink和ControlDesk编码实践规范提供见解,从而帮助保持固件清洁和有序,便于使用。
“Pilot Systems对我们的帮助非常大,”Balch说道。“无论过去还是和现在,他们都非常积极地回应我们提出的任何问题或请求。当我们尝试找出将我们拥有的功能转移到MicroAutoBox的最佳方法时,他们的设计非常灵活。他们非常友好、专业、易于合作,并且他们提供优质的产品。”
在过去的四年里,该团队完成了大量的研究,并积累了他们的经验和教训。他们希望他们的研究将对未来自动驾驶汽车的发展产生有意义的影响。
经麻省理工学院(MIT)许可
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