汽车行业深度报告:汽车自动驾驶技术路径对比分析.docx
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1、汽车行业深度报告:汽车自动驾驶技术路径比照分析1.引言数字经济是通过数字技术,对生活生产实现数字化管理,促 进实体经济高效开展,充分发挥数据信息价值,是未来经济 开展的主要驱动力,其开展 速度之快、辐射范围之广、影 响程度之深前所未有,正推动生产方式、生活方式和治理 方式深刻变革,成为重组全球要素资源、重塑全球经济结构、 改变全球竞争格局的关键力量。随着近年来数字经济在国民经济中的重要性不断提升,党和 国家也对其 越来越重视:从早期“十三五”国家科技创新规划 中提出,到中央政治局会议将其作为议题,再到写入十九大 报告后,数字经济被正式写入“十四五”规划,并对一些指标 提出了相应的预期性目标。结
2、 合其他各项政策的陆续出台, 愈发凸显出党和政府对我国数字经济开展的支持和鼓励态 度。因此,在这样的背景下,数字经济范畴内的各产业在未来中 长期时间内,在内将有充分的需求逐渐涌现,在外那么有良4)对横向目标敏感度低,并且只能提供角度和距离信息而 无法提供高度信息;5)无法成像,无法进行图像颜色识别。2313激光雷达激光雷达(LiDAR, Light Detection and Ranging ),即激 光探测及测距系统,是一种集激光、GPS和惯性测量设备 三种技术于一身的系统。由于激 光波长短,准直性强,因 而激光雷达具有角分辨率和距离分辨率高、抗干扰能力强、 能获得目标多种图像信息(深度、反
3、射率等)、体积小、质 量轻等优势。图4.激光雷达效果示意图资料来源:互联网收臬,红塔证券根据激光雷达线束数量的多少,可以将激光雷达分为单线 (2D)雷达和多线(3D)雷达,而由于单线雷达只能获得 平面数据,无法完成复杂路面地 形环境的模型建立,因此 目前在实际使用中,基本都是多线雷达。目前主流的激光 雷达通常从16线到64线,也有少数128线等高线束数 量的产品。由于激光雷达可以依靠其探测范围广、抗干扰能力强及测量 精度高的特点,收集到足够多的数据信息,并以此实现对 车辆周围环境的建模。因此在理想状态下,激光雷达能够 为自动驾驶的决策提供最丰富的参考信息,但在实际应用 过程中,激光雷达仍面临一
4、些尚待解决的问题。首先,最大的问题就是激光雷达本钱太高。目前技术最成熟 的是机械式激光雷达,即通过旋转电机等机械设备实现 360度扫描,但这种方式的硬件集成难度高,因此高线束 激光雷达的本钱甚至难以降至3000美元以下。而 作为替 代技术的半固态MEMS方式器件价格较高,并且扫描控制 难度大;固态的Flash方式尽管本钱较低,但探测距离短, 缺乏以适应自动驾驶的需求;固态的OPA方式潜力最大, 但目前技术还不够成熟,供应链也不完善,中短 期内实现 技术突破仍有困难。其次,由于激光雷达获得的道路信息极多,数据量大,对数 据处理的算法要求很高。目前主流的算法基础为点云分割, 即根据点云分布的整体特
5、征和局部特征,将点云进行分割, 从而形成多个独立的子集,从而快速提取有用的物体信息。 因此,车辆使用激光雷达作为传感器,既需要足够出色的数 据算法作软件支持,也需要充足的硬件算力作保障。第三,激光雷达发射的激光在云、雾、雨雪等恶劣环境下衰 减严重,无 法提供精确的环境图像,因此自动驾驶过程无 法完全依赖激光雷达,必须有 其他传感器设备配合。2.3.2 .决策 自动驾驶的决策层主要包括两大局部,即硬件局部和软件部 分。其中硬件局部是指各类计算单元,目前主要包括CPU、 GPU和FPGA,其作用是为后续的软件处理数据提供基本 的算力支持。而软件局部那么是各类算法,包括对信息数据 的处理、道路短期未
6、来情况的推演预测、行驶方案的制定等 等,是自动驾驶技术中非常核心的局部,也是各大自动驾 驶方案提供商的核心竞争力所在。2.321 ,硬件局部自动驾驶的计算平台需要考虑的因素具有其独特性:为了处理海量数据,并为AI运算提供充足算力,需要足 够有效的计算性能;计算结果直接决定了车辆行驶的平安性,关乎车上驾乘人 员的生命平安,并且其工作环境可能较为恶劣(温度、颠 簸等),因此需要保证其具有高可靠性;作为移动平台,需要保证其功耗在可接受范围内; 需要具有良好的可扩展性;由于产品最终要用于普通车辆上,作为消费品,需要控制 其本钱。目前自动驾驶所使用的计算单元主要包括CPU、GPU、 FPGA (现场可
7、编程门阵列)和ASIC (专用集成电路), 四种方式各有优劣。413.自动驾驶主要使用的计算单元资料来源:公开奏料终理,红塔注券优势劣势CPU通用性强,支持复杂指令集串行调用运算指令和操作,不适 合AI运算特性GPU并行运算能力强大,擅长浮点 运算运算复杂度较低,运算单元利用 率低FPGA可编程,灵活度高,产品上市 速度快开发生态弱,开发周期长ASIC效率最高,功耗最低,芯片量 产后单片本钱低硬件电路不可重复编程,研发周 期长,投入资金大主流的自动驾驶计算平台供应商大多项选择择混用不同的计算 单元。目前全 球能够提供高性能自动驾驶芯片的领先企业 主要包括特斯拉、华为、瑞萨、英伟达(Nvidia
8、)、Mobileye、 高通等,而其中特斯拉的系统封闭,软硬一体化,不对外 供应芯片,华为也只提供MDC计算平台,而不单独对外出 售芯片,其他几家那么大多以SoC方式提供产品。232.2 .软件局部 目前自动驾驶技术的算法底层技术都是机器学习算法,但具 体采用的算 法那么会因厂家而异,而且这也是各大自动驾驶 开发厂商最核心的竞争力。全球致力于开发自动驾驶系统的企业和研究机构仍有不少, 而这些企业 和研究机构的背景也各不相同,其中包括整车 主机厂(特斯拉、宝马、沃尔沃等)、汽车零部件厂商(安 波福等)、IT巨头(谷歌Way mo,百度等)、专 门的初 创企业(Aurora、小马智行等)。由于这些
9、不同的企业诞生 于不同的地区和行业背景下,因此他们开发的自动驾驶系 统也往往在取向和进程上有着不同的进展,具体情况我们 将在后文中详细分析。而当下从软件端来看,为了保证自动驾驶过程中驾驶的平安 性和可靠性,需要大量的测试和验证,而目前业界普遍采 用的基于机器学习算法来处理大 数据集的深度学习技术尽 管已经取得了巨大开展,但在面对自动驾驶的复杂 程度时 仍然显得效率缺乏。3.自动驾驶主要开发商介绍及比照Waymo前身是谷歌下属的一个工程组,因此其一直能够收 到谷歌及其母公司Alphabet的持续投入,因此它自始至终 开发资金都很充足,目前Waymo仍然被认为是走在自动驾 驶技术最前列的开发商。W
10、aymo在最关键的路测阶段积累了大量的经验,是全球测 试里程最长的开发商,并且相较后来者有着数量级上的差 距,根据目前数据,Waymo自动驾驶路测里程占全部路测 里程的一半以上。而Waymo采用的“强感知+强智能”路线 也成为目前全球自动驾驶开发企业最主流思路。而Waymo开发自动驾驶汽车的思路其实是脱离了“汽车” 本身的,Waymo想做的是改变人类的出行方式,即建立一 套由自动驾驶汽车构成的基础设施,并将其整体打包作为 服务向民众提供。因此,Waymo无论是在开发过程还是路 测过程中,都是以此作为目标,直接将目标放在了无人驾驶 的终极形态上。3.1.1 .传感器Waymo采用的传感器方案非常
11、完备,包括了激光雷达、摄 像头、毫米波 雷达及其他传感器(音频探测等),并且相当一局部雷达在整辆车上配备有复数个,从而保证对环境 的完全掌握。图5. Waymo传感器分布资料来源:Wevolver 2020自动驾救技术报告Waymo的技术方案采用了基本上目前主流的所有传感器, 因而保证了其在各种时间、气候条件下都能够为算力中心 提供充分的环境数据。3.1.2 .软件Waymo的算法本身还是机器学习算法,但他们通过上百亿 英里的模拟和超过2000万英里的实际路测对其自动驾驶 系统进行训练,使其能够通过传感器传递的数据信息,探 测、理解车辆周围的物体,并预判其可能的行为 方式及对 车辆行驶线路的影
12、响,从而依此做出相应的驾驶决策。整套系统包括三大局部:感知、行为预测和规划。感知系统 通过处理传 感器提供的外部环境数据信息,帮助车辆区分 行人、骑行者、汽车等交通参与者,以及车道线、信号灯、 障碍物等静态物体;随后借助行为预测系统,软件尽可能 预测道路上各个物体的运动趋向,确保车辆行驶在保持平安 的同事,尽可能地高效;在获得感知和行为预测提供的信 息后,规划器能够为车辆规划出合理的路径,而这一过程需 要尽可能保证车辆行驶的平安、顺畅和平稳。32特斯拉特斯拉作为现今在自动驾驶领域“声音”最大的企业,选择了 与Waymo不同的开发思路。特斯拉在开发自动驾驶时,着 眼的是改变用户体验,车辆 本身并
13、没有变化,更多地是以 赋能的形式呈现,让特斯拉的车辆在具有自动驾驶功能后, 与市场上的其他竞品根本性地区别开来。而从技术上来说,相比于Waymo及其他企业普遍采用的 “强感知+强智能”路径,特斯拉摒弃了本钱高昂的激光雷达, 采用高清摄像头为主,毫米 波雷达为辅的“弱感知+超强智 能”,以软件决策为核心搭建其自动驾驶平台。在特斯拉的传感器方案中共有8个摄像头,其中包括了 3 个前视主摄像头(广角、主摄、窄视各一个)、2个侧方 前视摄像头、2个侧方后视摄像头,以及1个后视主摄像 头,此外还有车身周围共12个超声波雷达和1个车头 雷 达。图6.特斯拉传感器分布5x Forward Facing Ca
14、meras (Wide, Main. Narrow) Forward Looking Side CamerasRear View CameraFotward Facing RADARRearward Looking Side Cameras12 Uttrasonks around the vehicle资料来源:Wevolver 2020自动药收技术报告算法方面特斯拉综合采用了 CNN (Convolutional NeuralNetworks,卷积神经网络)、RNN (Recurrent NeuralNetworks,递归神经网络)、DRL (Deep Reinforcement 好的政策环
15、境保驾护航,将是我国国民经济开展的重要抓 手。其中,智能驾驶/车联网作为数字经济开展的一项应用, 象征着未来人类出行方式的颠覆性改变,可能催生出全新 的商业模式、全新的产业格局,因此具有巨大的想象空间, 而在诸多厂商和研究机构的努力下,其技术已经开展了一段 不短的时间,但所采用的技术路径那么各有不同。因此,本文 将尝试 比照分析目前主流的智能驾驶实现方案及其相关产 业链,从而为后续寻找产业链的投资机会提供参考。2 .背景.智能驾驶简介根据定义,智能驾驶是指汽车通过搭载先行的传感器、控制 器、执行器、通讯模块等设备实现协助驾驶员对车辆的操 控,甚至完全代替驾驶员实现无人驾驶的功能。当前行业普遍遵
16、循SAE协会定义的智能驾驶等级,其中 L2级以下的智能驾驶通常被称为ADAS(高级驾驶辅助系 统),其最主要的特点是系统只在特定场景下给驾驶员提 供协助,车辆行驶决策权在驾驶员,相应地驾驶员需要承当 所有的责任与后果。而在L4及以上的智能驾驶因为是汽车 主导驾驶行为,责任主体为汽车生产商或者汽车服务商。Learning,深度强化学习)三种主流机器学习算法,从而提 高了准确度并降低了硬件算力需求。而除了其内部的路试 之外,特斯拉还依托其目前庞大的客户数量,获得更多的 数据,从而通过训练不断迭代升级其自动驾驶系统 AutoPiloto另外,与其他厂商不同的是,特斯拉会展望无地图技术路径, 即在对车
17、辆定位和路径规划的过程中完全依赖传感器对外 部的感知,而不需要借助高精度地图等基础数据库类型的 支持(目前仍然依赖高精度地图)。33沃尔沃Uber沃尔沃在2016年就与Uber达成了战略协议,共同开发自 动驾驶汽车与技术。与Waymo相比,其技术方案在考量 的侧重点有所不同。相比Waymo,沃尔沃Uber在XC90上使用了更多的摄像 头来增强其视觉传感系统,其中包括车顶的一个前视摄像 头和一个车侧及车尾摄像头、进气格栅处的一个前视摄像 头、两侧后视镜上的侧视摄像头,以及车尾的后视 摄像头。 另外,沃尔沃-Uber还使用了一前一后各一个超声波雷达,以及前后两侧各一个毫米波雷达,以及车顶的一个激光
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