▌什么是硬件？

請(qǐng)?jiān)试S我拿西部世界[1]的片頭來(lái)舉例，我們?cè)旌萌说墓趋溃∪庖约吧窠?jīng)，最后再給他注入思想，他就變成了一個(gè)完整的人。

硬件可以理解為人的骨骼，肌肉以及更復(fù)雜的器官。我們需要賦予硬件復(fù)雜多樣的功能以及無(wú)與倫比的適應(yīng)性。

那么我們需要無(wú)人車具備哪些功能并且適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境呢？

▌?lì)佒?/p>

分享老師首先強(qiáng)調(diào)的第一點(diǎn)就是顏值，顏值即正義。曾經(jīng)有段時(shí)間我的 ID 就是顏值即正義，特別是前2年韓劇流行時(shí)這句話特別火，直白點(diǎn)說(shuō)就是長(zhǎng)得好看的做啥都對(duì)，即使做錯(cuò)了，那也是你的錯(cuò)。我們先看下 waymo 的無(wú)人車。

一開(kāi)始我也很排斥無(wú)人車上面加裝的鋼骨架和傳感器，也許是接觸無(wú)人車久了，現(xiàn)在回過(guò)頭來(lái)再看 waymo 無(wú)人車的顏值一點(diǎn)也不低，我甚至覺(jué)得非?？帷Ｒ苍S還有漫長(zhǎng)的路要走，使人們能接受這種審美。同時(shí)我們也需要不斷改善無(wú)人車的外觀，人們不會(huì)為丑的東西買單，可以看到 waymo 無(wú)人車的外觀也在不斷改善。

我們?cè)倩剡^(guò)頭去看下初代的無(wú)人車，下圖是DARPA 挑戰(zhàn)賽上奪冠的無(wú)人車 "Stanley"，真是充滿了前蘇聯(lián)式的暴力美學(xué)，酷似高達(dá)。

但是有什么車不那么在乎顏值呢？就是卡車，因?yàn)椴皇亲约核?，主要是考慮功能，誰(shuí)也不會(huì)在乎廚師的顏值高低，只是在乎菜做的好不好吃。所以卡車可以相對(duì)任意的架設(shè)設(shè)備，而可以較少的考慮顏值。

我們?cè)倏聪聭?yīng)該如何設(shè)計(jì)無(wú)人車頂?shù)耐鈿?，之前我一直以為車上的殼子和傳感器是一個(gè)整體，只需要買一個(gè)殼子，之后就可以直接安裝到車上了。沒(méi)想到實(shí)際上是把原來(lái)的架子用殼子遮擋起來(lái)了。為什么我希望能夠模塊化傳感器模組呢，很顯而易見(jiàn)的場(chǎng)景就是采集地圖，如果是在車上安裝架子，那么需要先改裝車，安裝傳感器，最后再把車開(kāi)過(guò)去，假如你在深圳，客戶在北京，車開(kāi)過(guò)去的成本太大了，但是如果是一個(gè)模組，可以把模塊快遞過(guò)去，安裝到車上，對(duì)面接一個(gè)電腦，通過(guò)簡(jiǎn)單的校正就可以工作了，相對(duì)成本低很多。

▌視野

另一個(gè)很重要的方面是視野范圍，這也是一直強(qiáng)調(diào)的?？吹母鼜V和看的更遠(yuǎn)。

1. 如何做到全視野

如果可以，我們需要 360° 的視野范圍，拿卡車和小汽車舉例子，可以看到卡車視角的盲區(qū)是很大的，給我映像很深的是看一個(gè)視頻中的交通事故展示，卡車司機(jī)停車后，貼近車頭有人通過(guò)，而司機(jī)在視野盲區(qū)看不到行人導(dǎo)致車禍。小汽車和卡車的視野比較：

除了汽車帶來(lái)的差異以外，不同的場(chǎng)景下也會(huì)導(dǎo)致視野的盲區(qū)，增加多個(gè)傳感器可以解決視野盲區(qū)問(wèn)題，下圖中針對(duì)視野的盲區(qū)，在左右分別增加了2個(gè)激光雷達(dá)，擴(kuò)大視野范圍。

另外調(diào)整傳感器的位置也影響到視野的范圍，下圖中在拐角處，特別是一些盤(pán)山公路，傳感器的位置在車的中部和前部展現(xiàn)的視野范圍也不一樣。

除了這些考驗(yàn)以外，還有其他難以解決的問(wèn)題，遇到拱橋的時(shí)候即使在車前面有傳感器，由于車的俯仰角度，也很難發(fā)現(xiàn)障礙物；傳感器的位置同時(shí)也可能帶來(lái)視野融合的問(wèn)題，比如激光雷達(dá)看到了障礙物B而攝像頭沒(méi)有看到，融合的時(shí)候以哪個(gè)為準(zhǔn)；由于毫米波雷達(dá)的垂直視野很窄，由坡導(dǎo)致的遮擋問(wèn)題；另外的情況是卡車拖著鋼筋，或者樹(shù)木，由于很稀疏，靠雷達(dá)很難確認(rèn)這類障礙物。詳細(xì)的可以參考[2]：

我原本的一個(gè)想法是開(kāi)發(fā)一款工具來(lái)識(shí)別汽車周圍的盲區(qū)，在軟件中設(shè)置好傳感器的位置之后，可以查看盲區(qū)是多大，從而幫助硬件工程師選擇傳感器和確定傳感器的位置。

2. 如何做到遠(yuǎn)距離視野

看的遠(yuǎn)的好處是當(dāng)車在高速行駛的時(shí)候，可以更快的發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)。激光雷達(dá)遠(yuǎn)距離的點(diǎn)很稀疏，目前最遠(yuǎn)的范圍也就是100-150米左右，攝像頭和毫米波雷達(dá)的范圍更遠(yuǎn)，能檢測(cè)到物體的速度也更高。我們通過(guò)下面這張圖來(lái)說(shuō)明視野范圍：

3. 天氣對(duì)視野的影響

天氣對(duì)視野的影響是雙方面的，一是會(huì)影響視野可見(jiàn)，二是影響看到的視野遠(yuǎn)近，下面我們來(lái)看下天氣對(duì)不同的傳感器有哪些影響：

霧霾- 霧霾對(duì)激光雷達(dá)的影響最大，因?yàn)榧す獾牟ㄩL(zhǎng)和霧霾的顆粒大小差不多，穿透不了霧霾，同時(shí)攝像頭在霧霾的時(shí)候也會(huì)影響視野范圍，而毫米波的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，可以繞過(guò)霧霾顆粒，受到的影響較小。

下雨- 下雨對(duì)攝像頭的影響比較大，一個(gè)可見(jiàn)的原因就是鏡頭會(huì)模糊，如果雨很大，只能依賴車內(nèi)的攝像頭。

光照- 光照對(duì)攝像頭的影響也很大，當(dāng)強(qiáng)光照射（對(duì)面遠(yuǎn)光燈直射），光線很暗（夜晚）或者光照突然變化（隧道出口）的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致攝像頭失靈，一個(gè)好的辦法是可以對(duì)攝像頭做處理，來(lái)適應(yīng)不同的曝光率。由于激光雷達(dá)是主動(dòng)發(fā)射光的設(shè)備，所以光照的變化對(duì)激光雷達(dá)影響不大。

下雪- 下雪對(duì)攝像頭，激光雷達(dá)，毫米波雷達(dá)都有影響。

我們從功能上和適應(yīng)性上把各個(gè)傳感器的雷達(dá)圖畫(huà)出來(lái)，可以看到每個(gè)傳感器都有它的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，沒(méi)有完美的傳感器，我們只能通過(guò)傳感器融合來(lái)實(shí)現(xiàn)近似完美，參考[3]。

▌操控

我們到底需要什么樣的汽車底盤(pán)，還是直接跳過(guò)去生產(chǎn)下一代？

當(dāng)初我是被 Zoox 的設(shè)計(jì)驚艷到了，平時(shí)我也有這種想法，為什么每次停車的時(shí)候都需要倒車進(jìn)去，而不是直接開(kāi)進(jìn)去呢，Zoox 就是為了解決這個(gè)問(wèn)題而生的，因?yàn)?Zoox 認(rèn)為車有方向是人類的操控習(xí)慣，機(jī)器不存在這個(gè)問(wèn)題，機(jī)器可以控制前輪，甚至后輪的方向，機(jī)器也不需要區(qū)別前進(jìn)和后退。因此 Zoox 生產(chǎn)的車是沒(méi)有方向的，甚至車?yán)锏淖灰矃^(qū)分不出前后，當(dāng)然為了安慰我作為人類脆弱的心靈，他們從道義上應(yīng)該提供一個(gè)標(biāo)志，來(lái)告訴我哪里是前，哪里是后。

從人類的角度我確實(shí)難以接受沒(méi)有方向的車，但是可以同時(shí)控制前輪和后輪的操控真是簡(jiǎn)單了很多。

1. 倒車的時(shí)候方便了很多

如果是傳統(tǒng)的有方向的車，我們先要開(kāi)過(guò)去，之后再倒車分為4步。而無(wú)方向的車就簡(jiǎn)單了，直接開(kāi)進(jìn)去，然后就直接開(kāi)出來(lái)了，因?yàn)闆](méi)有方向，向前和向后對(duì)機(jī)器來(lái)說(shuō)沒(méi)有任何區(qū)別。

2. 可以原地轉(zhuǎn)彎

我們知道目前的汽車都是單車模型，也就是前輪轉(zhuǎn)向。而假設(shè)車的后輪也可以轉(zhuǎn)向，我們可以把模型抽象成2輪自平衡小車，這樣就可以在原地360°轉(zhuǎn)向。學(xué)車的時(shí)候最怕一會(huì)前進(jìn)檔，一會(huì)倒擋，很容易搞混往哪個(gè)方向打方向盤(pán)，而機(jī)器就不存在這樣的問(wèn)題。這樣操控的好處是可以原地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，以后再也不用擔(dān)心掉不過(guò)頭來(lái)的情況。

是不是感覺(jué) Zoox 專門(mén)為機(jī)器而設(shè)計(jì)的下一代操控很酷炫，等到那一天來(lái)臨時(shí)，恐怕我已經(jīng)學(xué)不會(huì)開(kāi)車了。

TODO：動(dòng)態(tài)演示。本來(lái)想做個(gè)動(dòng)態(tài)展示的，實(shí)在是沒(méi)時(shí)間了。

▌性能

1. 提升性能

我們一直希望車能夠性能強(qiáng)勁而功耗很低。半導(dǎo)體行業(yè)一直遵循著摩爾定律，即2年的性能翻一番。摩爾定律促進(jìn)了整個(gè) PC 時(shí)代的發(fā)展，但是現(xiàn)在摩爾定律失效了，目前硅基的制程最多到 7nm，再往前進(jìn)一步已經(jīng)相當(dāng)困難了，因?yàn)榫嚯x近了會(huì)漏電，擊穿硅晶體，導(dǎo)致良品率太低。制程的降低首先是可以減少功耗，其次是提升性能，目前來(lái)看很長(zhǎng)一段時(shí)間通用 CPU 會(huì)陷入停滯。

要提升性能，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的芯片還有很大的進(jìn)步空間，比如 TPU，會(huì)大大降低深度學(xué)習(xí)的功耗，并且提升性能，這塊可能是未來(lái)的主戰(zhàn)場(chǎng)。另外一個(gè)比較好的方向是 FPGA 或者一些專用的芯片，把傳感器融合算法和一些底層算法融入硬件，一是可以提高性能，二是分工明確，促進(jìn)無(wú)人車系統(tǒng)的模塊化發(fā)展。

2. 功耗的影響

我們?cè)倏聪鹿膶?duì)無(wú)人車的影響，首先第一點(diǎn)是供電，影響車輛的續(xù)航。假設(shè)按照 2KW 估算，特斯拉的電池容量是 75kWh (千瓦時(shí)）那么使用的時(shí)長(zhǎng)是37.5小時(shí)。這還僅僅是運(yùn)算的開(kāi)銷，還沒(méi)有算車本身的開(kāi)銷，我想到了科幻電影里，由于能源緊張，智能操控體為了節(jié)省能源，而不得不進(jìn)入休眠模式。

功耗太強(qiáng)帶來(lái)的另外一個(gè)問(wèn)題是散熱。目前有用到水冷散熱的，風(fēng)扇可能滿足不了太強(qiáng)的散熱需求。我記得很早以前水冷都是拿自來(lái)水冷卻的，過(guò)一段時(shí)間還需要加水，現(xiàn)在有水冷散熱片就不用了，原理就是把水放在銅管里，循環(huán)流動(dòng)散熱，也不用加水了。加水有2個(gè)壞處，一是北方的冬天零下的時(shí)候如果是自來(lái)水會(huì)凍住，我們知道凍住之后水的體積會(huì)變大，會(huì)把發(fā)動(dòng)機(jī)撐壞。二是我們知道水是會(huì)沸騰的，如果變?yōu)樗魵猓~管會(huì)爆炸。所以目前的水冷都是水中加入了防凍液和各種專門(mén)用途的防腐劑組成的混合物，防凍，沸點(diǎn)也會(huì)到達(dá)120度左右，也就很好的解決了上面的問(wèn)題。

最后的問(wèn)題是出風(fēng)口，和進(jìn)風(fēng)口，如果在后備箱，沒(méi)有出風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口，熱量也很難散發(fā)出去。

▌適應(yīng)性

良好的適應(yīng)性代表著我們能夠戰(zhàn)勝?gòu)?fù)雜多變的環(huán)境。我們先看下我們處在什么樣的環(huán)境下，然后再看我們面臨著哪些挑戰(zhàn)。如果有一天人類殖民火星了，我敢說(shuō)，一定有人會(huì)把通用告上法庭，因?yàn)樗麄儧](méi)有備注這點(diǎn)：地球生產(chǎn)的車不適用于火星。先看下無(wú)人車后備箱的整個(gè)結(jié)構(gòu)：

無(wú)人車的后備箱放著電源，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，運(yùn)算單元以及各種數(shù)據(jù)線等，它們會(huì)面臨著這些挑戰(zhàn)：

振動(dòng)- 因?yàn)殚L(zhǎng)期和電子設(shè)備接觸，這點(diǎn)我深有體會(huì)。比如機(jī)械硬盤(pán)最怕震動(dòng)了，汽車經(jīng)常處于顛簸狀態(tài)，當(dāng)初我們快遞的4塊硬盤(pán)都因?yàn)檎饎?dòng)壞了；另外電路板也很怕震動(dòng)，我們知道電路板的表面刷了一層絕緣膠，如果設(shè)計(jì)的不好，結(jié)構(gòu)件經(jīng)常摩擦電路板，會(huì)把絕緣層磨掉，電路會(huì)直接燒毀，這也是災(zāi)難性的。

溫度- 汽車在夏天的時(shí)候在室外暴曬溫度非常高，環(huán)境溫度可能就是40-50度，而這時(shí)候如果機(jī)箱還在產(chǎn)熱，那么溫度會(huì)更高。汽車要求的溫度范圍非常高，僅次于航天，要求是 -40°～120° 的溫度能夠工作，可以說(shuō)目前無(wú)人車大部分的元器件還達(dá)不到要求。

濕度- 濕度太高會(huì)導(dǎo)致電源短路或者進(jìn)水。

鹽- 在海邊的城市，空氣中還有鹽，導(dǎo)致對(duì)汽車元器件的腐蝕性。

電磁- 大功率的計(jì)算單元會(huì)導(dǎo)致電磁輻射，而高速的總線也很怕電磁輻射。

這一塊才是無(wú)人車工業(yè)化必須克服的挑戰(zhàn)，是無(wú)人車得以大量生產(chǎn)的保障，想要無(wú)人車的普及，必須要解決上面的問(wèn)題。

▌總結(jié)

假如我們現(xiàn)在擁有了酷炫的外觀；廣闊的視野；完美的操控；強(qiáng)勁的性能和極低的功耗；還能夠適應(yīng)各種復(fù)雜多變的環(huán)境。那么造物主們，我們是不是擁有了完美的硬件呢？