【Python | 人工智能】一文讲清AI赋能自动驾驶的底层原理

引言

人工智能引领现代，智能AI赋能未来。它在当今社会和科技领域中具有重要性。
本文将着重探讨人工智能对自动驾驶技术的深度赋能和应用场景等。

1️⃣什么是自动驾驶与AI算法

有时我们乘坐网约车的时候，能打到无人驾驶汽车，全程均为AI语音播报：

自动驾驶是指通过使用 各种传感器 、计算机视觉 、深度学习 等技术，使得车辆自主进行导航、感知环境、做出决策并安全地行驶

它的目标是提高道路交通的效率、改善驾乘体验，并为出行提供便捷的解决方案。

那什么是AI算法呢？两者之间的关系又是什么？

AI算法就像是人工智能的 “大脑”，它是一系列的计算方法，用来处理输入的数据并产生输出结果。可以把它想象成解决问题的数学和逻辑方法。

在自动驾驶技术中，AI算法起到了至关重要的作用。

例如，计算机视觉算法 用于解析车辆摄像头捕捉到的图像，识别和跟踪道路、车辆、行人等物体。

目标检测算法 可以帮助自动驾驶汽车准确地识别和定位周围的障碍物，并采取相应的避让动作。

因此，AI算法是自动驾驶技术中的核心组成部分 ，通过对感知、理解和决策过程的优化，实现了自动驾驶汽车的安全高效驾驶。

可以说，没有AI算法，就没有自动驾驶。

2️⃣关键AI技术在自动驾驶中的应用

人工智能引领现代，智能AI赋能未来。

接下来，我们将详细介绍人工智能技术中 自然语言处理、计算机视觉、深度学习 、机器学习 等关键技术在自动驾驶系统中的应用。

1.机器学习

机器学习在车辆感知领域的应用主要包括物体检测与识别 。通过提供标注好的图像数据，机器学习算法可以学习到各种物体的特征，并准确地将它们区分开来。

在自动驾驶汽车上，机器学习技术帮助车辆识别行人、路障、斑马线等，实现自动化减速等行为。

同时，机器学习可用于训练模型来进行决策和规划 ，例如在复杂交通场景下选择最佳的行驶路线和速度。 通过对历史驾驶数据的学习，模型能够预测可能的道路状况和其他车辆的行为，并做出最优决策。

2.神经网络

自动驾驶技术中，使用到了循环神经网络 和 深度神经网络技术。它们主要用于处理序列数据，如车辆传感器的时间序列数据。
通过对过去和当前的传感器数据进行建模和预测，可以实现路径规划和决策。

同时，它们也可用于物体识别 ，如图为深度神经网络对路牌识别的应用：

3.自然语言处理

自然语言处理是人工智能领域的一个重要子领域，旨在 使计算机能够理解和处理人类的自然语言。

通俗来说，自然语言处理就是让计算机懂得人类语言，并与人类进行交互。

它可以让我们与自动驾驶汽车进行交互。我们说话之后，语音输入将被转化为文本，从而让车辆执行相应的操作。

如图为一种基于自然语言处理的问答流程：

同时，基于自然语言处理构建的智能助手可以根据情境提供相应的建议。例如提供 交通状况、路线导航、天气情况等信息。

像我们日常使用的 Siri、小布、小爱同学，都是应用自然语言处理技术的新一代AI模型。

自然语言处理还可以用于处理接收到的消息，例如邮件或媒体消息。它可以帮助车辆分类重要的消息，并将关键信息传达给我们。

4.深度学习

深度学习在图像处理方面发挥着关键作用。通过深度卷积神经网络（CNN），可以提取图像中的特征，例如 边缘、纹理 和 颜色等，帮助自动驾驶系统感知周围环境。

我们具体来讲一讲卷积神经网络的原理：

卷积神经网络主要分为三个层一个数：卷积层、池化层、激活函数、全连接层。

卷积层使用一组可学习的过滤器在输入数据上滑动，计算它们与输入数据的卷积结果，因此来提取输入数据中的局部特征。

卷积层之后为池化层。池化层通过减小特征图的尺寸，同时保留重要的特征信息。

在卷积层和池化层之间，我们应用激活函数来引入非线性。它可以将卷积层输出的线性特征映射到非线性空间中，从而增强了网络的表达能力。

在全连接层中，特征图被展平成向量，并与权重矩阵相乘，得到最终的输出结果。全连接层可以将低级的局部特征组合成更高级的抽象特征，用于分类或回归等任务。

看不懂？没事，我举个例子你就懂了：

在自动驾驶汽车中，摄像头通常用于感知环境并捕捉道路图像。

通过卷积操作，CNN可以检测道路的边缘、车辆、行人等。

接下来，在池化层中，CNN通过减小尺寸来保留重要的特征信息。比如，在道路的某个位置可能存在多个车辆，池化操作可以将这些信息合并，减少冗余。

然后，在激活函数的作用下，CNN将线性特征映射到非线性空间。这有助于程序更好地理解图像中的复杂模式和特征。例如，行人的微小细节和变化均被捕获。

最后，全连接层将提取的特征进行组合和分类。例如，它可用于判断图像中是否存在行人、车辆，并输出相应的决策结果。

如图为CNN在自动转向上的应用：

综上，卷积神经网络能够有效地提取输入数据的特征，并应用于图像分类、目标检测 等计算机视觉任务。

5.AI算法

接下来，我们细致讲一下自动驾驶中的轨迹规划算法。它基于感知到的环境信息，通过路径搜索来生成适当的行驶路径。

最常见的是Dijkstra算法，举个例子介绍一下它：

假设我们有一幅道路网络图，其中每个节点代表一个道路交叉口，每条边代表两个节点之间的道路段。每条边都有相应的权重，表示从一个节点到另一个节点的行驶代价，如距离、交通拥堵情况等。

现在，无人汽车从起点A出发，需要到达终点B。我们希望找到一条从起点到终点的最短路径，即经过的边的权重之和最小。

Dijkstra算法的基本步骤如下：

将A加入到一个待处理节点集合中，并设置A的初始距离为0，其他节点的初始距离为无穷大。

从待处理节点集合中选择距离最小的节点作为当前节点，然后，对当前节点的所有相邻节点进行松弛操作。

计算通过当前节点到达该相邻节点的距离。如果通过当前节点到达相邻节点的距离小于该相邻节点当前的距离，则更新相邻节点的距离。

重复步骤2和步骤3，直到找到终点B。
因此，最短的路径为A->E->B，权重为7.9

对于大规模的道路网络图，需要使用优化的数据结构和算法来加速Dijkstra算法的执行过程。

3️⃣总结

AI的发展和成熟为自动驾驶技术带来了巨大的推动力。

它的加持发展将进一步释放自动驾驶技术的活力，为我们创造更美好的出行体验。