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量产自动驾驶重卡,不妨摸着嬴彻科技过河

田溪 2022-09-06 16:15:00 7916

2022,重卡自动驾驶圈内,无人不提「前装量产」。

自嬴彻科技于 2021 年底交付全球首款量产 L3 级别自动驾驶重卡,打响行业第一枪以来,从扎根该领域的老玩家,到刚入场不到一年的新公司,都开始前呼后拥大声公布着将自动驾驶功能上车的计划。

前些天,「沉寂」5 年之久的特斯拉 Semi Truck,也被这种高涨的情绪激活,传出今年底开启交付。

整个行业似乎在这一刻达成了共识:万事俱备只欠量产

然而,关于如何实现量产,鲜少被认真提及,似乎它是自动驾驶技术达标后,自然而然发生的过程。

对照现实,却不尽然,这不免让人心生疑惑:当谈论重卡自动驾驶前装量产时,我们究竟在谈论什么。

作为第一个「吃螃蟹的人」,嬴彻科技将量产的秘诀,总结为 8 大原则7 大系统1 套流程和 1 套标准

在过去三年时间,嬴彻科技、携手主机厂等 50 多家产业链上下游伙伴,联合开发全新智能重卡,进行了大量的量产实践和前沿探索。

在以「实践出真知」为主题的首届科技日上,嬴彻科技将这些三年量产过程中的实践、经验、思考、核心技术和开发体系整理成为一本《自动驾驶卡车量产白皮书》(以下简称《白皮书》),与行业同行们进行了深度分享。

「我们切实感受到,白皮书不仅仅是嬴彻科技对自己的总结,也代表着行业现阶段对于如何实现量产最需要又最缺乏的方法论体。」马喆人认真地说道。

01

实现重卡自动驾驶,「正向开发」革命势在必行


在一般人看来,自动驾驶重卡等同于「自动驾驶+重卡」的简单叠加,而实际上,它是自动驾驶技术和重卡载体的深度融合。

过去,在技术开发、概念验证、路测阶段,业内通过改制、后装的方案,让重卡车辆适应自动驾驶的功能需求。

然而,到了量产时期,这种做法却不再适用,原因不仅在于法规层面不允许,更重要的是,无法在真实作业场景下,进行更复杂的整车系统交互,也难以满足商用车运营过程中对可靠性和耐久性的要求。

传统卡车的底盘系统、动力总成、人机交互等,也无法适应自动驾驶时代对安全和性能所提出的设计要求。

举例来说,如果传统卡车转向是原来的 L2 人机共驾的控制策略,人手在方向盘时,施加的手力对转向器转角输出是有一定影响的,会影响自动驾驶横向控制的安全。

这个需要从软件的底层去改控制逻辑,通过改装是无法实现的,必须通过正向开发和定义,才能实现所需的功能和性能。

由此得出的结论很显然:重卡自动驾驶无法通过改良升级实现,必须引入一场正向开发「革命」——从新定义一辆自动驾驶重卡。

为此,嬴彻科技从需求出发,首次提出针对自动驾驶卡车使用场景的系统性正向功能定义方法,融合功能安全和信息安全的标准与规范,并配套完整的指标体系和测试方案。

具体来说,在功能定义方面,嬴彻科技采用「DDT/ODD 定义——专项研究——冲突融合」三个步骤,循环往复、逐步深入,并在后期可基于实际运营数据进行快速迭代,以满足干线物流运输的实际需求。

而在功能安全设计中,嬴彻科技在参考 ISO 26262 ASIL D  ISO 21448 的标准前提下,采用最先进的安全策略,在概念、系统、软件、硬件、测试等每个环节进行充分的开发和应对。

例如针对电子电气系统可能存在的系统性失效、随机硬件失效,以及自动驾驶系统中预期存在的功能/性能不足、驾驶员误用等问题,嬴彻科技开展 10000种以上的危害分析和安全评估(HARA),提出 18 条整车级别的安全目标,并细化出超过 10000 条 FSR 和 TSR 等各级安全需求。

最后在整车信息安全方面,嬴彻科技从车端安全、汽车外部通信链路安全、数据安全、车联网云端安全 4 处入手,保障用户生命财产和个人隐私安全。

马喆人将嬴彻科技关于自动驾驶重卡的需求定义总结为「4+1」:

4 指的是天、地、人、车,代表卡车适应不同天气,不同道路,各种驾驶习惯,以及人车动态交互的需求。」

「1」代表的则是安全前提,「『安全高于一切』是我们最核心的理念。」马喆人特别强调道。

在需求定义的指引下,嬴彻科技全栈自研了自动驾驶电子电气线控底盘网络安全人机交互云基础设施数据闭环 7 大量产核心系统。

「我们认为自动驾驶技术真正的量产落地,是横跨人工智能、车辆工程、半导体、系统软件以及云计算等多个领域和技术栈的系统工程。

打造一款成功的自动驾驶卡车,必须把这些领域的核心能力进行全栈整合。」《白皮书》中如是写道。

02

软硬结合,从车端到云端全栈自研

对于自动驾驶企业来说,技术无疑是最重要的基本功。

《白皮书》将自动驾驶系统列为 7 大子系统之首,并根据算法系统、系统软件、硬件再次细分了感知、高精定位、规划控制、节油解决方案、系统软件、自动驾驶域控制器、车规级硬件套装 7 个二级子系统。

其中,感知系统作为自动驾驶系统的第一环,是规划控制的上游,其结果的准确性及鲁棒性直接决定了自动驾驶系统的能力边界。

重卡由于制动距离更长、车体更宽、驾驶室与底盘非刚性连接等特点,对感知系统提出特别要求,要实现自动驾驶,需要更远的感知距离、更高的横向精度、更灵敏的后向感知。

为此,嬴彻科技采用摄像头——毫米波雷达——激光雷达配置,实现车体 360 度环境感知覆盖,同时设计并实现在 BEV 视角下融合不同数据源的前融合框架,基于 Transformer 方法,全方位提升感知精准度。

此外,采用加权多任务学习策略和 Warm-Up 策略,成功解决了 GradNorm、PcGrad 在多任务学习中的精度下降难题。

在高精定位方面,嬴彻科技设计研发了带有多重校验和冗余的高效融合定位算法,能够有效地抵抗各类噪声,通过融合低成本 GNSS/IMU、视觉、LiDAR、轮速等传感器信息,实现在不同工况下均能提供高精度的定位输出。

规划控制系统涵盖了嬴彻科技的重大创新。

目前行业中的流行做法是预测、决策、规划和控制分步进行,即分层规划控制架构,这种相对简洁的方式有益于工程实现,却未必能做到全局误差最优,且在追求舒适、经济和耐久的动态平衡,适配重卡底盘控制延迟等问题上存在很大的技术瓶颈。

嬴彻科技创新性提出规划控制一体化架构,包含长时长预测模型、后决策模型、车辆参数自适应建模、基于模型的预测控制、车辆底盘多系统控制,结合量产落地,通过独创的车况自适应模型辨别技术和核心算法,成功克服了车辆精度低、参数漂移等难题。

据了解,嬴彻科技在横向控制的平均误差距控制在 8cm 以内,方向盘转角和转速的调整频率都低于人类驾驶员。

节油解决方案 FEAD(Fuel Efficient Autonomous Driving)也是嬴彻科技自动驾驶系统的一大亮点。

在中国,重卡运营中的油耗成本在 TCO 中的占比达 30%,是商业运营中的高度敏感项。

而嬴彻科技通过小时级、分钟级、秒级、亚秒级四重节油优化机制,做到比金牌驾驶员平均节油 2-5%,逼近 7% 的节油上限。

此外,嬴彻科技自研系统软件层, 不仅为自动驾驶卡车提供高性能、高安全、高可靠的中间件服务,也为产品研发效率提供了强大的支撑;

其全自研的自动驾驶域控制器是卡车领域首个自带全冗余且高算力的车规级车载计算平台

硬件套装方面,嬴彻科技集成的传感器套装达成了主机厂认可的生产件批准程序 PPAP,是真正意义上的行业内首套商用车车规级自动驾驶系统硬件套装。

如果说自动驾驶系统体现的是嬴彻科技的「软实力」,那么在其余 6 大子系统上的量产实践,展示的则是该公司的「硬功夫」。

在车端,嬴彻科技域集中式电子电气架构减少了系统复杂度,并提供高通讯带宽、整车信息安全以及整车 OTA 的能力;

线控底盘方面,嬴彻科技的全冗余技术实现了精准安全的车辆控制和流畅的人机共驾,保证了车辆安全平稳运行;

人机交互系统解决了安全员对系统的信任以及疲劳管理问题。

在云端,嬴彻科技打造了「三横两纵」的基于云原生的技术栈,为量产提供了规模化的实时数据分析服务。

值得一提的是,嬴彻科技在「数据闭环系统」上也进行了创新,在传统影子模式基础上增加了闭环影子模式,形成增强影子模式。

这一动作背后源于市场主流的影子模式方案只能识别出「瞬时决策」类的能力缺陷,无法进行有效的「长时行为」相关问题识别,例如变道、避让、匝道相关、连续博弈等。

而嬴彻科技的增强影子模式,通过引入虚拟主车(Virtual Ego)的概念,独立于真实车辆,做「长时行为」,不但可测试控制算法策略,也可测试绝大多数依赖长时状态窗口的 L3/L4+级别决策规划策略。

嬴彻科技 CTO 杨睿刚透露,自量产至今,其自动驾驶系统的商业行驶里程已突破 600 万公里,通过数据闭环,积累了 170 万个场景片段。「这些片段在我们内部称之为 moment,一半是通过增强影子模式自动挖掘出来的。」

总结来说,嬴彻科技在系统开发过程中,围绕「7+7」(7 个一级子系统+7 个二级子系统)做全栈自研,构建了完整的技术链条,不仅能够非常灵活地适配不同场景、不同车辆,以及拓展生态,也在供应链和成本优化上,拥有了充分的自主权。

 03

用极致工程能力,冲破「镣铐」起舞

如同所有高科技产业,在技术和工程之间,似乎总存在一条难以逾越的鸿沟。

这其中的「差距」在于,前者只关注「该有什么功能」的问题,而后者则聚焦在有限的条件下,如何落地实践。

这一点在卡车自动驾驶前装量产过程中,表现得尤为明显。

在行车安全的前提下,既要保证性能强劲、功能冗余,又要遵循车规标准,还要达到成本最优、规模生产,满足一系列广泛、严苛甚至充满「矛盾」的要求。

马喆人将其比喻为「戴着镣铐起舞」,考验的是自动驾驶公司「平衡的艺术」,要完成从做 Demo 到真正量产的跨越,极致的工程能力不可或缺。

嬴彻科技《白皮书》编纂小组组长李颖超博士总结,该公司围绕着自动驾驶算法、系统软件与自动驾驶域控制器 ADCU、整车和人机交互以及生产制造方面,积累了深厚的工程经验和能力。

以算力工程为例,由于车规级硬件往往比非车规硬件的性能要低,嬴彻科技在量产过程中,面临到如何将在 GPU 上完美运行的算法,迁移到算力相对小的车规级芯片上的问题。

对此,嬴彻科技从两方面出发:

第一,做模型的轻量化,做定制化训练,在保证性能的情况下,将计算量降低 50%;

第二,充分利用 SOC 里面的汇编级代码,优化深度学习模型和传统计算机视觉模型。

「通过这些,我们获得了非常高的加速度,比如我们通过汇编级代码的优化,将 Canny Detector 的速度提升了 100 倍。」杨睿刚补充道。

规划控制同样对工程能力提出高要求,既要保证驾驶员的安全舒适,又要考虑重卡的经济、耐用,还要保证干线物流的时效性,可谓是多方诉求汇聚一体。

在这种背景下,嬴彻科技提出了规控一体化概念,从全局的角度对系统做工程优化,在各类指标中找到最优控制。

「所谓量产,就是在一个受限的 TCO 下,综合平衡自动驾驶各方面的能力。」马喆人用水桶理论作比喻,并表示自动驾驶的能力取决于最短的那块板。

「我们要把最短的木板做长,使木桶能装更多的水。」他强调,这时候全栈自研整个系统的工程能力就显得非常重要。

一个完美案例是嬴彻科技在系统软件与 ADCU 上的实践。

据了解,该公司在开发第一代 ADCU 时,由于 L3 级别的自动驾驶卡车对于通用计算域的算力要求很大,嬴彻科技只能挑选一种高 DMIPS 的芯片,但问题随之而来:这种芯片没有集成网络安全功能,给自动驾驶的云通讯网络带来隐患。

「鱼和熊掌」如何兼得?

嬴彻科技的做法是补充了一块很小的网络安全芯片,并将其和自主设计的 ADCU,在硬件层面和系统层面连接起来。

这样既保证了高算力,又能满足网络安全的要求,整体上提高了系统性能。

而这样的工作,如果没有对于需求和功能定义的深入理解,没有全栈自研尤其是软硬件一体开发的能力,是无法支持 L3 级别自动驾驶域控制器这种复杂系统的开发工作的。

嬴彻科技的工程能力还体现在自动驾驶重卡的生产制造环节。

对于大规模量产的产品而言,整车制造精度以及批量精度的一致性是非常关键的指标,嬴彻科技用「失之毫厘,谬以千里」来形容。

比如后向摄像头的安装,只要偏差了几毫米,都会给整个 FOV 视野带来较大影响,而侧后方摄像头安装的位置——车顶侧围,其制造精度在传统车型的制造中,往往不会特别严格的进行控制,而对于安装感知摄像头的智能卡车而言,精度就必须严格控制了。

为此,嬴彻科技联合主机厂和 Tier 1 做专项开发,定义了许多功能性的指标和标准。

一方面,嬴彻科技深度参与供应商的设计评审、制造改善、测试执行、性能优化等零件级开发与释放全流程;

另一方面,嬴彻科技和 OEM 进行了关联件设计、装配验证、功能性测评等系统与整车级的研发与验证。

此外在检测环节,相较于传统卡车的 9 道检测工序,嬴彻科技在此基础上,又增加 7 道检测,包括传感器、自动驾驶系统、线控底盘控制等的精度检测。

汽车之心了解到,在嬴彻科技内部有一个行动叫做下线即交付,在自动驾驶重卡上,要实现这一点非常不容易。

04

系统化流程之下,嬴彻科技加速迈向 L4

卡车自动驾驶量产是一个浩瀚的工程,涉及面众多,要捋清各系统之间的优先级和侧重点,离不开一套清晰高效的流程体系。 

「V 模型」是经典的汽车开发流程。在 V 模型的左半边对应需求分解传递过程,确保每一条需求都正确传递到开发端,而右半边对应的是测试验证过程,确保每一条需求都得到正确实现。

这一模型的优势在于不仅能将需求正向传递、层层分解,有利于复杂系统集成,也能保证各层级需求可追溯,避免遗漏。

此外,分阶段测试,能够提前验证,方便快速定位,及早发现问题。

然而如果照搬「V 模型」到自动驾驶重卡上,却容易出现问题。原因在于,「V 模型」虽保证了正向开发整车的严谨性,但却与软件产业中的「敏捷开发模式」相冲突。

前者要求慢工出细活,而后者则强调「天下武功,唯快不破」的响应速度,好比人的两条腿,一个要走,一个要跑,怎么也配合不起来。

「这是一个在冲突中融合的过程。」马喆人认为,如果单靠正向开发,一个公司把自动驾驶车辆做出来的时间和成本是不可想象的;如果纯粹走敏捷开发,产品可靠性要打一个问号。

此外,V 模型本质上要求设计的东西之间存在清晰的逻辑关系,并能够得到验证,而深度学习中存在大量的不可解释性,这意味着要做好重卡自动驾驶量产,必须结合多方面的需求,对开发流程进行创新。

经过 3 年实践和探索,嬴彻科技总结出以「正向开发、兼顾敏捷」为原则,基于「V」模型理念的研发流程体系,有效保证全新项目的开发效率和交付质量。

在这种系统性的流程指引下,嬴彻轩辕系统 1.0 成功量产落地。

目前,嬴彻全栈自研技术迈入 2.0 阶段,并在感知、规划控制、节油算法、核心硬件、数据闭环等核心技术上取得重大突破,一个全面领先、高度可扩展的嬴彻轩辕自动驾驶系统 2.0 开始规划量产。

与此同时,面向全无人驾驶的嬴彻轩辕自动驾驶系统 3.0 也提上日程,正式步入预研阶段。

嬴彻科技 CTO 杨睿刚博士透露:

3.0 架构可以拆除自动驾驶系统各子模块之间人为设计的边界,替代为端到端的深度神经网络,并通过结合深度强化学习(DRL)和神经辐射场(NeRF)技术 的 NeDFS (Neural Driving Field Simulator) 终极自动驾驶仿真器,训练端到端模型,实现自动驾驶能力的自我演进,最终走向无人。

此前,嬴彻科技 L4 全无人驾驶重卡已经完成国内最复杂 24 公里封闭道路测试,并于今年 6 月 24 日在浙江德清获颁国内首张 L4 级「主驾无人」自动驾驶重卡公开道路测试牌照

在马喆人看来,自动驾驶重卡的量产经验已经为嬴彻科技构建了「能力池」,可以适应不同阶段的需求和任务。「不管 L3 还是以后的 L4,我们已经具备了一个整体的安全设计、开发、验证的能力。」

回到行业,当下虽然「无人不谈量产」,但除了少数几家跑在前面的企业真正实现,更多的还在探索量产的路上。

毫无疑问,要奔赴 L4,走向重卡无人驾驶,这是一道必须迈过的关卡,过程注定困难重重。

庆幸的是,先行者留下了路线图。随着《白皮书》发布,行业稀缺的前瞻经验与实操 knowhow 公开,重卡自动驾驶玩家有望摸着嬴彻科技快速「过河」。

本文为汽车之心原创文章,作者:田溪,如需转载,请联系授权。违规转载法律必究。
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