全球最大的车企集团之一丰田开始大力升级旗下的 L2 级自动驾驶系统，名为 Teammate Advanced Drive System（简称 TAD），并在国际自动机工程师学会（SAE International）发表了一篇论文。
文章介绍了这套 L2 级自动驾驶系统的硬件配置、功能特点，同时还重点介绍了丰田所运用的核心科技、前期测试验证方法，从中能够看到丰田在 L2 级自动驾驶领域的布局。
丰田 TAD 传感器配置非常丰富，包括 5 个毫米波雷达、8 个摄像头、1 个激光雷达。在 L2 级自动驾驶工作过程中，还有多个 ECU 协同工作，包括感知、计算、控制以及车内多媒体设备控制。依赖强大的传感器和计算设备，丰田 TAD 具备敏锐、智慧、可交互、可靠和可升级等五大特点。
丰田 TAD 采用高精地图配合传感器实现精准定位，全方位传感器预测、更具智慧的路径规划和驾驶决策、人性化的 UI 设计、冗余系统设计提前预警驾驶员接管以及紧急制动等六大核心技术。
前期研发过程中，丰田的工程师也在虚拟世界和真实世界进行了大量测试，确保整个系统稳定运行。
这篇文章题目为 Teammate Advanced Drive System Using Automated Driving Technology，是迄今对丰田 TAD 系统全面介绍的文章之一。
面对今年年初本田在日本推出全球首款量产 L3 级自动驾驶车辆，体量更大的丰田同样有类似布局。首先，丰田 TAD 允许驾驶员在脱手驾驶，同时在紧急情况下，可以提前 4 秒提醒驾驶员接管车辆。如果驾驶员始终不接管车辆，车辆会主动减速，并停放在高速路应急车道上，开启双跳灯并拨出紧急电话，和本田 L3 级自动驾驶系统的功能也有几分类似。
那么，丰田的这套 L2 级自动驾驶系统究竟有哪些黑科技，距离 L3 级自动驾驶还有多远？
旗下两款车已经配备 高速路上能松手松脚
最先搭载丰田 TAD 系统的共有两款车型，分别是雷克萨斯的旗舰级轿车 LS500h，另一款是丰田氢能源车 Mirai，这两款车已经开始在日本销售。
▲左：雷克萨斯 LS500h，右：丰田 Mirai
顺带一提，这两款车都搭载了量产激光雷达，成为全球第一批搭载激光雷达的量产车。
丰田 TAD 系统可以在高速公路或仅有机动车参与的道路上开启使用，驾驶员需要在中控屏幕上设置目的地，车辆会根据导航路线进行 L2 级自动驾驶，能够实现自适应巡航 + 车道保持这样的基础功能，也能够实现汇入、汇出匝道，主动超车，避开交通事故，通过 ETC 等多种高级功能。
▲丰田 TAD 使用场景
在 L2 级自动驾驶工作期间，驾驶员不需要操作油门、刹车、方向盘，允许松手、松脚，但是需要驾驶员注视交通状况，必要时接管车辆驾驶。
丰田为这套系统配备了丰富的传感器，包括 8 个摄像头、5 个毫米波雷达、1 个激光雷达。
而在此前，丰田也有自己的 L2 级自动驾驶系统，名为 LSS+A（Lexus Safety System+A，雷克萨斯安全系统 + A），TAD 的传感器设备在 LSS+A 的基础上有了重大升级。
文章指出，现有大多数 L2 级自动驾驶系统采用 1 个前视摄像头、2 个侧视摄像头和 1 个后视摄像头的方案。此前推出的丰田 LSS+A 系统在此基础上增加了 5 个毫米波雷达（4 个角雷达和一个主雷达）、前视双目摄像头，能够感知更丰富的场景。
▲丰田 TAD 传感器配置
而在 TAD 中，丰田在 LSS+A 的基础上加入了 1 个前视激光雷达、1 个长焦摄像头、1 个定位摄像头和驾驶员监控摄像头，从而实现更多 L2 级自动驾驶功能。
其中，激光雷达可以探测 205 米的距离，拥有水平 110 度，垂直 2.5 度的视场角，分辨率为 51*3；定位摄像头拥有 120 米探测距离，120 万像素，长焦摄像头拥有 250 米探测距离，500 万像素。
文章中还公布了 TAD 系统的计算设备，其中包括 4 个 ECU，电控制动、转向器，以及车内多媒体拓展单元，全部会参与到驾驶过程中。
▲丰田 TAD 四大主要计算 ECU
其中，四个主 ECU 中，SoC 的 CPU 算力能够达到 107KDMIPS，GPU 算力达到 35.9TOPS。
据了解，丰田 TAD 所配备的激光雷达、长焦摄像头、SISECU、ADSECU、ADXECU 部件全部由日本头部 Tier 1 电装提供。
文章说道，利用深度神经网络技术，ECU 能够对各种可能出现的状况作出准确识别和判断，从而实现更安全的 L2 级自动驾驶。
由于 TAD 系统允许驾驶员脱手，因此紧急情况下提前预警驾驶员十分必要。研究显示，当驾驶员从走神的状态进入驾驶状态，平均时间小于 4 秒。
▲驾驶员平均反应时间
因此，当遇到紧急情况时，丰田 TAD 会提前 4 秒做出预警，提示驾驶员接管。即便系统出现机械故障，或者无法继续进行自动驾驶，都会提前 4 秒告知驾驶员。
为此，丰田设计了一整套冗余系统，包括感知、控制、执行、通信、电源的冗余，同时保证安全气囊等部件等供电，在极端情况下最大程度保证安全。
▲丰田 TAD 冗余系统
在车内，液晶仪表和 HUD 也会在驾驶过程中发挥重要作用。其中，HUD 的尺寸达到 600mm*150mm，大约 24 英寸，液晶仪表为 12.3 英寸。两块屏幕会实时显示道路状况和形状、周围车辆状况、车辆目标轨迹以及未来驾驶规划。
▲上：HUD 画面，下：液晶仪表画面
面向未来，丰体 TAD 将不断升级，丰田为 ADSECU、ADXECU、SISECU 以及 Meter ECU（包括 HUD 控制）提供 OTA 软件更新，用户不需要升级硬件，就能享受更新功能。
使用六大核心技术 拥有多重安全措施
在大量的传感器配置、高算力平台以及丰富的功能下，背后有丰田在 L2 级自动驾驶系统中的六大核心技术，包括高精地图与定位、传感器融合预测、驾驶路径规划、UI 设计、故障安全操作以及紧急制动系统。
1、GPS + 高精地图 + 传感器实现车道级定位
丰田 TAD 系统首先利用 GPS 确定车辆位置，然后利用车辆的摄像头、毫米波雷达以及激光雷达共同检测道路标志、车道标志、车道线以及周围车辆。当车辆将检测的数据映射到高精地图中，与高精地图中的数据匹配，就能实现精准的车道级定位。根据车道级定位的信息，从而校正车辆的速度、方向。
这种方法可以让车辆在利用高精地图，但不利用高精地位模块，实现车道级定位的效果。这样一来，前期制造过程中能够降低部分制造成本，后期高精地图也会不断升级。
测试人员在可能是日本最繁忙且最复杂的高速公路 —— 首都高速都心环状线 C1 进行了路测。这条高速公路有 4%～5% 的高度差，有多个半径小于 150 米的弯道。面对这些情况，丰田 TAD 都能妥善应对。
▲传感器通过周围车辆协助定位
不过，在这条高速公路上，还会遇到车道线不清晰、眩光、GPS 信号干扰、多层高架桥等复杂环境。面对这种情况，丰田 TAD 的冗余系统会发挥作用，同时也会根据周围车辆校准位置，即便周围车辆在相邻车道中也能辅助校准，能够让整个系统达到可用状态。
▲具备高精地图的日本高速路
目前，日本 3.1 万公里公里的高速路的高精地图数据都已经整合进丰田 TAD 中。
2、传感器融合识别周围车辆 不再怕加塞
研发人员开发了一套深度神经网络，用于识别周围车辆，更重要的是判断车辆意图。
当视觉传感器采集到图像信息后，就会输入对象识别（Object Recognition, OR）和道路识别（Road Recognition, RR）的每一个网络中。
对象识别中，自动驾驶电脑会标记识别到的车辆，并判断距离。实际测试中，视觉传感器的最远探测距离可以接近 300 米。同时，道路识别将识别出路肩，划定可行驶的范围。
最终，将对象识别和道路识别的结果融合处理。这样一来，能够更早发现切入车道的车辆。
而如果按照传统算法，需要车辆切入本车道 1/3 之后，才会判定切入。使用新的判定技术，能够提前判断车辆意图，如遇紧急情况也能及时提醒驾驶员。
▲提前预测车辆是否会切入车道
为了在单个网络中同时处理两个相同的信号，物体识别和道路识别单元的性能有了大幅提升，还节约了计算资源。
识别过程中，激光雷达的作用也非常重要，激光雷达安装与车辆格栅下方，能够直接探测到前车的轮胎位置，从而精准判断位置。
拥有传感器融合的数据，结合高精地图。当车辆判断要减速时，能够用更和缓的方式逐渐减速，避免碰撞，相比于传统 ACC 自适应巡航舒适度更高。
3、10 公里路径规划 保持左右安全距离
根据介绍，丰田 TAD 能够提前大约 10 公里预测前方路况和驾驶决策，同时将最近的几个决策显示在 HUD 和液晶仪表上。
如果前车速度过慢，丰田 TAD 会发出换道超车提示音，驾驶员批准后，就能实现超车，超车动作完成后，车辆会主动回到原来的车道，确保交通安全。
▲丰田 TAD 能实现超车功能
在人类驾驶过程中，如果遇到大型车辆，一般会选择超车或间隔车道行驶，主动与大型车辆保持距离以保障行车安全。但是，现有大多 L2 级自动驾驶系统并没有这么“聪明”，大车小车一视同仁。
▲丰田 TAD 会主动避让大型车
这就导致自动驾驶车辆在经过大卡车周围时，驾驶员会感到压力较大。
丰田 TAD 自有解决方案。在经过大型车辆侧面时，车辆会选择在车道内偏移一定距离，保持与大型车辆更安全的距离。
4、面部动作识别率超 95% 紧急情况自动停车拨打救援电话
在 UI 设计方面，丰田 TAD 也有诸多人性化之处。
车内除了配备 12.3 英寸液晶仪表和 24 英寸 HUD 抬头显示之外，还在驾驶员监测、紧急停车系统上有多种设计。
方向盘后方有一个 DMS 摄像头，这个摄像头会追踪驾驶员头部和眼球的动作，从而判断驾驶员是否出现走神的状况。
共有三种情况：当驾驶员正常驾驶时，车辆不会提示驾驶员。如果判断驾驶员有困意，出现错误驾驶动作时，会提醒驾驶员提高注意力。当驾驶员身体出现状况无法驾驶，车辆会行驶到路肩，自动停车，开启双跳灯，拨打救援电话。
▲当驾驶员正常驾驶时，系统不会提醒
经过 54 万公里的路测后，丰田 TAD 系统的面部识别已经非常成熟，其中面部追踪识别率达到 99%，正面向前面部动作的识别率达到 99%，非正面面部动作识别率达到 95%，闭眼识别率达到 99%，甚至驾驶员发呆也能识别出来，准确率达到 95%。
如果检测到驾驶员注意力不集中，车辆会震动安全带、闪烁 HUD 提示驾驶员安全驾驶，也会推荐最近的服务区休息。
▲EDSS 系统原理
同时，丰田还开发了 EDSS（Emergency Driving Stop System 紧急停车系统）。当驾驶员身体出现状况，无法继续驾驶，系统机会发出警告，打开双跳灯并缓慢减速。同时，车辆向应急车道并线，在与应急车道相邻的车道上逐渐将速度降低至 10km/h。当检测到应急车道没有障碍物后，进入应急车道停车，并自动紧急呼叫救援。
5、冗余系统保证行驶安全
在 ADSECU 中，共有两个 MCU 共同工作。如果其中一个失效，另一个会立即接管。
在冗余计算系统中，几乎所有传感器数据都将输入 ADSECU，也就是核心处理器，经过拥有双 SoC 与双 MCU 的冗余，加上 ADXECU 的计算结果，形成驾驶决策。
▲丰田 ADSECU 冗余系统
同时，丰田还研发了 BUC（Backup Control），可以在 MCU 上执行备份功能。当车辆传感器失效，通过此前的轨迹，继续规划接下来 4 秒的驾驶策略，为驾驶员反应提供时间。
6、自动紧急制动避免碰撞
在 TAD 中，还有自动紧急制动功能。高速公路上出现紧急状况时，留给驾驶员反应的时间甚至都不会达到 4 秒这么长。
丰田 TAD 利用高精地图、激光雷达和长焦摄像头实现紧急制动。
▲高速路上自动紧急制动
当车辆速度达到 125km/h，前方 140m 有障碍物时，如果不采取措施，4 秒就会发生事故。此时，车辆必须自动紧急制动，而不是提醒驾驶员介入。
起初，车辆能够以 3.5m/s² 的加速度减速，当距离障碍物仅有 50 米时，车辆会以最高 8m/s² 的加速度减速，最终避免碰撞。
虚拟现实多重验证 已经路测 54 万公里
丰田 TAD 经过大量测试验证，已经具有优秀的驾驶能力。面向未来，TAD 也会不断升级，让自己更像一位老司机。
在虚拟环境中，丰田进行了大量仿真测试，在计算机进行自动驾驶算法验证。通过反复的评估，找到算法的明显弱点并加以改进。
第二步是在真实世界中模拟。丰田制造了 21 辆测试车，在现实世界中测试了 54 万公里。
此外，丰田还使用车辆网络硬件在环虚拟测试（Hardware-in-the-loop Simulation），在测试场地内模拟故障发生时，车辆可能存在的安全隐患。
经过大量的测试，丰田 TAD 已经能够实现 L2 级自动驾驶，不过在更像人的方面，还需要更加努力。
例如，在通过弯道时，一位有经验的司机会提前减速，以合适的角度、速度切入弯道，直至出弯，整个过程尽可能保持行驶平稳。而如果是一位赛车手，他所选择的路线和有经验的司机相似，但会以更高的速度通过，乘坐体验并不舒适。
▲人与机器驾驶行为测试
因此，未来 TAD 系统要不断成熟，向有经验的司机方向发展。研究人员正在使用包括模型预测控制（MPC）在内的优化技术，协调动力和转向扭矩，让乘坐体验更加舒适。
丰田的研究人员认为，汽车智能化让车辆能够更多地关注周围的交通状况，驾驶员可以与车辆协同共驾，形成顺滑的驾驶辅助功能。通过这种人机共驾的方式，能实现丰田的终极安全标准。
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