聊聊自动驾驶中的功能开发-绵羊汽车生活记录

在知乎上看过不少大牛写的自动驾驶技术介绍文章，大多谈到的是AI, Deep Learning, Computer Vision等等感知(Perception)层面的。但在各个传感器(雷达、摄像头、激光雷达等)探测到目标信息及周围环境后，车辆该如何做出反应？自动驾驶的大脑该怎样根据感知层的信息对车辆进行控制？

这些其实都是在自动驾驶软件中的功能应用层中实现，那么功能层还需要做些什么呢？本文试图以最简单的语言就以下几方面聊聊自动驾驶中的功能开发。

严格来说，本文并不讨论“自动驾驶”这个主题。考虑量产的情况下，所谓的自动驾驶现阶段只能分为高度自动驾驶(Highly Automated Driving, HAD)和部分自动驾驶(Partially Automated Driving, PAD)，所以本文出现的自动驾驶字样代表的是HAD和PAD。

HAD— L3+的功能。Audi A8的交通拥堵引导(Traffic Jam Pilot, TJP)算一个，尽管宣布了很久后依然没有上市。

PAD— L1-L2的功能。比如国外Tesla的Autopilot，Cadillac CT6的Super Cruise，国内吉利博瑞GE的智能领航，长安CS55的IACC，荣威Marvel X等等，均可以归类到此。

刚才HAD或PAD里举例展现出来的系统都是由一个个功能组成的，比如Tesla的Autopilot，其实就包括了以下功能：

当然，这些功能不同的OEM叫法都不一样。可以看出，无论是什么级别，自动驾驶其实是由一个个小功能组成，甚至Super Cruise中的驾驶员Handsoff也可以算作一个功能。再举例，Audi A8中的L3功能，其实也是在包含了LDW/LDP/TJA/ICA等等一系列功能的基础上，再加上TJP。当然，自动驾驶级别越高，单个的功能也会越复杂。

至于这些功能在哪实现，可以在传感器中，在雷达ECU中，在摄像头ECU中，或是在中央控制器ECU中（发展趋势），均是可以的。

功能基本都在Application Layer中实现，至于其它层的作用，由于相关性不高，这里就不赘述了。参考下图，可以把每个功能理解为一个函数，有输入输出，通过获取传感器和车身CAN的信息，经过分析计算，输出CAN信号对车辆进行控制和显示。

各个传感器识别到的感知信息，比如摄像头识别到的车道线信息，交通灯/路标信息，雷达识别到的车辆信息，周围物体信息等等

分别设计实现以上几个方面，就能相对完善地做出一个功能。这里以车道保持辅助( Lane Keeping Assist, LKA) 功能设计为例，看看要做些什么。

LKA指的是通过摄像头识别车道线，检测本车在自车道中的位置，经过实时计算，连续输出扭矩请求信号至执行器电子助力转向系统EPS，以控制车辆随时保持在车道中间行驶，如下图：

可以看出，其将LKAS分为了OFF和ON两个主状态，ON中又分为了standby和active两个子状态，这样设计是最佳的么？其实不一定，这里展示的仅仅是一个最基本的状态机，根据OEM需求的不一样，对于HMI显示的不同要求，是可以将这个状态机扩展开来的。

比如主状态，其实除了ON和OFF，是否需要额外表示ERROR状态，ERROR又可以分为Permanent Error和Temporary Error，那在这些状态之间，如何切换呢？OFF -> ON：这个比较直观，驾驶员按下开关，软件读取到功能开启的信号后ON -> OFF：同理，驾驶员将功能关闭

那么如果此时功能是OFF，这时候功能出现故障，比如传感器出现故障，或所需要接收的车速等重要信息报文丢失，此时的状态是继续保持OFF还是转为ERROR呢？这些就是状态机里需要定义的了。

此时功能状态是ON，这时候出现故障，状态应该跳到ERROR，但之后，故障自动消失，比如之前丢失的报文又重新正常发送，那此时功能是回到ON还是回到OFF(让驾驶员手动重新开启)？这里，一样是取决于功能定义策略，没有哪种一定好或一定不好。

那LKA在ON的状态下，有active和standby两种状态。active顾名思义，功能正在激活，方向盘此时依据软件计算发出的请求扭矩进行自动调整，但出现了一定抑制，比如车速过低，一般而言，LKA只在车速60以上才可以使用，那如果功能开启，但车速在60以下，此时就是standby了。那仅仅standby和active两个状态就够了么？其实也不一定。这里需要引出抑制条件的概念，这也是LKA功能设计中比较重要的一环，LKA功能设计的初衷是辅助驾驶员打方向盘，使其开车时更加舒适，那么如果驾驶员想要变道，此时如果还发出扭矩牢牢控制住方向盘把车维持在中间，是不是就有问题了？如果车辆处于一些极端工况下，这时候LKA还在正常激活，是否会对驾驶员的操作进行干扰？同样的，如果激活过程中突然丢失了车道线，LKA也应该进入抑制状态。

由状态机中得知，HMI中最基本的就是我们需要知道这功能什么时候是开启的，什么时候是关闭的，也就是说需要接收该功能的开关信号。可以是驾驶员方向盘边上的硬开关，也可以是中控大屏里的软开关，这个不重要，但重要的是功能需要接收驾驶员是否开启功能的信号。

此外，作为驾驶员，我需要知道功能开启后给我的反馈，该功能是否开启，是否可以工作，是否激活，是否有故障等等。这些输入的基础就是状态机了，功能将自身的状态发出给仪表，作出不同的显示，这部分就是HMI要做的内容。

这一块也是不同OEM区别最大的部分，有的可以做的很酷炫，比如特斯拉，可以将摄像头识别到的车道线信息显示出来，是直道还是弯道，且弯道能随道路半径的不一样而变化，实线还是虚线等等。这些信息就是通过HMI直接输出到CAN上，仪表以此作为输入进行显示的。