導(dǎo)讀：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需求，地面無人車輛已成為陸軍軍事裝備自動化、無人化、智能化的發(fā)展方向之一。發(fā)展無人地面車輛，能夠為作戰(zhàn)部隊實現(xiàn)廣泛的增益，包括增強態(tài)勢感知能力、減輕士兵負重與偵查負荷、增加后勤配送效率、增強部隊機動能力等。最終的目的是保護和提升軍力。國外軍事研究機構(gòu)對UGV的技術(shù)發(fā)展做了大量研究，本文介紹了近年來美國國防高級研究計劃局（DARPA）地面無人車輛超級挑戰(zhàn)賽的發(fā)展情況。
一、三次無人車輛超級挑戰(zhàn)賽
超級挑戰(zhàn)賽（Grand Challenge）是美國國防高級研究計劃局（DARPA）組織的一項無人車輛技術(shù)業(yè)內(nèi)頂級比賽。超級挑戰(zhàn)賽旨在促進（能夠在有限時間內(nèi)完成大量非常規(guī)路線的）全自動越野無人車所需技術(shù)的開發(fā)。
該系列挑戰(zhàn)賽迄今已經(jīng)舉行了多次，包括2004年的超級挑戰(zhàn)賽、2005的超級挑戰(zhàn)賽、2007年的城市挑戰(zhàn)賽（DARPA Urban Challenge）、2012年機器人挑戰(zhàn)賽（DARPA Robotics Challenge），以及最近的挑戰(zhàn)賽——2013年的“快速適應(yīng)型下一代地面車輛傳動技術(shù)”（英文簡寫為FANG）大賽。
第一場挑戰(zhàn)賽于2004年3月13日在美國莫哈韋沙漠地區(qū)舉行，參賽車輛沿著150英里（240公里）的路線沿著15號公路從加利福尼亞巴斯托行駛到加利福尼亞內(nèi)華達邊境。當年沒有任何一臺機器人車輛完成這條路線。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的紅隊和它們的賽車Sandstorm（改裝的悍馬車）走了最遠的距離，完成了11.78公里（7.32英里）的路線。2004年沒有宣布獲勝者，也沒有給予現(xiàn)金獎勵。
2004年的參賽車輛：從左上方順時針方向：來自Axion Racing的吉普大切諾基；來自Carnegie Mellon紅隊的一輛精簡悍馬車“SandStorm”；來自TerraMax團隊的奧什科什軍用卡車；來自帕洛斯佛得角高中的Acura SUV，“Doom Buggy”。
次年（2005年）的DARPA挑戰(zhàn)賽，參賽者面臨的挑戰(zhàn)是建造一個能夠在不到10小時內(nèi)通過沙漠地形航行175英里的機器人車輛，并且不允許人工干預(yù)。23臺決賽車輛中有22輛超越了2004年的成績11.78公里，5臺車輛最終完成了212公里(132英里)的賽程。它們分別是：
車輛 | 隊伍 | 參賽隊伍 | 用時（h:m） | 排名 |
Stanley | Stanford Racing Team | 斯坦福大學(xué)，加利福尼亞州帕洛奧托 | 6:54 | 第一 |
Sandstorm | Red Team | 卡內(nèi)基梅隆大學(xué)，賓夕法尼亞州匹茲堡 | 7:05 | 第二 |
H1ghlander | Red Team | 7:14 | 第三 | |
Kat-5 | Team Gray | 格雷保險公司，路易斯安那州梅泰里市 | 7:30 | 第四 |
TerraMax | Team TerraMax | 奧什科什卡車公司，威斯康星州奧什科什 | 12:51 | 超時 |
2005年比賽的車輛需要通過三條狹窄的隧道、100多個左/右急轉(zhuǎn)彎，并在最終通過“啤酒瓶走廊”后結(jié)束賽程?！捌【破孔呃取保˙eer Bottle Pass）是露西格雷山脈上一個蜿蜒的山口，一邊是純粹的陡崖，另一邊是巖面。雖然2004年的賽道需要更多的海拔要求和起步路段的一些超級急轉(zhuǎn)彎，但是2005年的這次在曲線賽道的數(shù)量上遠遠超出此前。
傳感器傳遞來的圖像：2005 DARPA超級挑戰(zhàn)賽最有難度的賽段——“啤酒瓶走廊”
參賽車輛行駛在“啤酒瓶走廊”賽段（Beer Bottle Pass）
奪冠車輛Stanley由斯坦福團隊與大眾電氣研究實驗室共同打造，原車由大眾提供。Stanley的車頂部安裝了5顆Sick AG LIDAR公司提供的雷達單元，用于構(gòu)建周圍環(huán)境的三維模型，與GPS共同工作，還有一個攝像頭用來探測周圍汽車行駛狀況，來確定是否有足夠的超車距離。此外，在輪胎上還裝有碼表，用于更加精確地測定里程。車內(nèi)使用了Linux系統(tǒng)，搭載6顆低功耗1.6Ghz的奔騰M處理器來處理數(shù)據(jù)。
2005年奪冠車輛：斯坦福團隊Stanley
2007年的DARPA Grand Challenge也被稱為“城市挑戰(zhàn)賽”（Urban Challenge），當時的賽道全長60英里，參賽車隊需在6小時內(nèi)完成比賽。11個參賽團隊主要代表主要大學(xué)和大型企業(yè)利益，如CMU與通用汽車合作，斯坦福與大眾汽車合作，弗吉尼亞理工與TORC Technologies合作。此外，奧什科什卡車，霍尼韋爾，雷神，加州理工，Autonomous Solutions，康奈爾大學(xué)，以及麻省理工學(xué)院也積極參賽。
最終卡內(nèi)基梅隆大學(xué)憑借他們的車輛Boss（2007款雪佛蘭太浩）獲得了200萬美元的獎金。贏得100萬美元獎金的第二名是斯坦福賽車隊，他們的車輛為Junior（一輛2006款大眾帕薩特）。排在第三位的是VictorTango車隊，憑借2005款福特Escape混合動力車Odin贏得了50萬美元的獎金。麻省理工學(xué)院獲得第4名，康奈爾大學(xué)和賓夕法尼亞大學(xué)也完成了該賽程。
車輛 | 車型 | 隊伍 | 參賽隊伍 | 用時 （h:m:s） | 排名 |
Boss | 2007款雪佛蘭太浩 | Tartan Racing | 卡內(nèi)基梅隆大學(xué)，賓夕法尼亞州匹茲堡 | 4:10:20 | 第一，平均速度22.53 km/h |
Junior | 2006款大眾帕薩特 | Stanford Racing | 斯坦福大學(xué)，加利福尼亞州帕洛奧托 | 4:29:28 | 第二，平均速度22.05 km/h |
Odin | 2005年福特混合動力 | VictorTango | 弗吉尼亞理工大學(xué)，弗吉尼亞州，布萊克斯堡 | 4:36:38 | 第三，平均速度20.92 km/h |
Talos | 路虎三代 | MIT | 麻省理工大學(xué)，馬薩諸塞州劍橋 | 約6h | 第四 |
雖然2004年和2005年的賽事對車輛來說更具挑戰(zhàn)性，但機器人是孤立地運行的，并且只在試圖超車時會在賽道上遇到其他車輛。2007“城市挑戰(zhàn)”要求設(shè)計者設(shè)計出能夠遵守所有交通規(guī)則的車輛，同時能夠在賽道上檢測和避開其他機器人。這對于車輛軟件來說是一個特殊的挑戰(zhàn)，因為車輛必須基于其他車輛的動作實時做出“智能”決策。
2007年奪冠車輛卡內(nèi)基梅隆大學(xué)BOSS在該校展出，背景是H1ghlander
斯坦福大學(xué)和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)隊（CMU）之間的競爭是這三次超級挑戰(zhàn)賽中最具看點的。CMU的Red Team是所受呼聲最高的團隊。2004年，團隊成功改裝兩輛悍馬——H1ghlander和Sandstorm，搭載自動駕駛技術(shù)，在沙漠中順利馳騁數(shù)周，一舉取得當年的DARPA超級挑戰(zhàn)賽最好成績。然而，在2005年，Red Team并沒有讓所望所歸，引擎問題從比賽開始兩個小時后一直困擾著H1ghlander，車輛一直無法達到設(shè)計的目標速度。而這個引擎謎題直到2017年才被意外解開：是安裝在引擎控制模塊和燃油注射器之間的過濾器出現(xiàn)了問題。
斯坦福大學(xué)隊和CMU也有千絲萬縷的聯(lián)系，斯坦福大學(xué)隊隊長Sebastian Thrun以前是Carnegie Mellon的教員和CMU團隊負責(zé)人Red Whittaker的同事。斯坦福大學(xué)對于2005年奪冠也十分驚訝：我們能贏純屬偶然，如果卡內(nèi)基梅隆的引擎不出意外，那我們應(yīng)該就輸了。畢竟H1ghlander被引擎問題耽誤了40多分鐘，而最終Stanley僅僅以11分鐘的優(yōu)勢贏得了挑戰(zhàn)賽。
再回頭看，雖然2005年的意外讓卡內(nèi)基梅隆大學(xué)與DARPA超級挑戰(zhàn)賽冠軍失之交臂，但他們基本都表示一切皆好，對結(jié)果已經(jīng)很滿意?？▋?nèi)基的Red Team也沒有就此止步，而是砥礪前行，去開辟了更廣闊、更新鮮的世界。
2007年，CMU的BOSS贏得了DARPA城市挑戰(zhàn)賽（DARPA Urban Challenge），斯坦福Stanley在DARPA超級挑戰(zhàn)賽表現(xiàn)優(yōu)秀，一齊鞏固了卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和斯坦福大學(xué)在自動駕駛領(lǐng)域的地位?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)的核心技術(shù)人才也幫助Uber、Google等大公司將無人車送上了公路，并讓匹茲堡匯集了眾多自動駕駛初創(chuàng)公司和團隊，成為了自動駕駛研究、開發(fā)和測試的要地。
二、新一輪DARPA超級挑戰(zhàn)賽
當下，許多硅谷的科技企業(yè)和全球的汽車制造商都開始投資自動駕駛技術(shù)：Uber把無人車送上了美國舊金山、匹茲堡和亞利桑那州的道路；特斯拉除了已經(jīng)實裝的輔助駕駛功能之外，也在積極地測試無人駕駛汽車；豐田、大眾、通用等傳統(tǒng)汽車制造商也在相關(guān)領(lǐng)域重金投資、收購。而DARPA也展開了新一輪的挑戰(zhàn)賽，把關(guān)注點更明確地放在軍用化、實用化技術(shù)上。
2012年開始的DARPA機器人挑戰(zhàn)賽時間橫跨三年，是一項專注于類人機器人的持續(xù)競賽。該項目的主要目標是開發(fā)地面機器人能力，以在危險工程的環(huán)境中執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)。與之前的挑戰(zhàn)不同，機械本體的建造將不屬于機器人挑戰(zhàn)的范圍，參賽者無需從頭開始構(gòu)建機器人。DARPA將向一些參與者提供“一個帶有手臂、腿、軀干和頭部的機器人硬件平臺。波士頓動力公司（Boston Dynamics）作為該挑戰(zhàn)中使用的機器人的唯一來源，該公司需根據(jù)PETMAN項目開發(fā)并制造8個相同的機器人以供軟件團隊使用。除了促進半自主機器人的發(fā)展，該挑戰(zhàn)賽還尋求在項目結(jié)束后讓機器人軟件和系統(tǒng)開發(fā)變得更容易。總體來看機器人表現(xiàn)優(yōu)于預(yù)期。但是有各種各樣的失敗表明機器人技術(shù)仍然存在困難。
2013年FANG計劃的目標是測試專門開發(fā)的META設(shè)計工具，模型庫和Vehicle FORGE平臺，這些平臺的創(chuàng)建是為了顯著壓縮復(fù)雜防御系統(tǒng)的設(shè)計到生產(chǎn)時間。
目前設(shè)計挑戰(zhàn)早已經(jīng)結(jié)束，獲獎的FANG設(shè)計由DARPA iFAB計劃團隊建造。iFAB或Instant Foundry Adaptive by Bits由賓夕法尼亞州立大學(xué)的應(yīng)用研究實驗室領(lǐng)導(dǎo)，將驗證可制造性反饋、代工配置和指令生成工具等。最終，竣工的設(shè)計將在FANG演示責(zé)任方Ricardo Inc.的領(lǐng)導(dǎo)下進行測試和評估。
FANG作為DARPA先進制造計劃的一部分，為自適應(yīng)車輛制造（AVM）項目提交了設(shè)計許多可行的創(chuàng)新設(shè)計工具。AVM是一個專注于將復(fù)雜的軍事系統(tǒng)開發(fā)時間表減少五倍或更多的計劃組合，涉及制造過程的所有方面，包括整個從需求表示、設(shè)計到全面復(fù)雜防御系統(tǒng)的最終物理構(gòu)建。
三、超級挑戰(zhàn)賽帶來的啟示
DARPA的幾次超級挑戰(zhàn)賽匯集了來自各個領(lǐng)域的創(chuàng)新思想家，來自計算機編程和工程公司、車輛制造商、大學(xué)和車庫技工甚至加利福尼亞州的高中的幾十個團隊為比賽設(shè)計了車輛。他們可以幫助DARPA在開地面無人車輛方面取得重大進展。這樣的活動能夠激發(fā)各行各業(yè)的優(yōu)秀創(chuàng)造力，以加速軍用自動駕駛汽車技術(shù)的發(fā)展。另一方面，超級挑戰(zhàn)賽又能拾取那些通常不和國防部做生意的好主意。
同時，超級挑戰(zhàn)賽用資金支持對軍事技術(shù)有益的科學(xué)技術(shù)。美國國會授權(quán)DARPA出資支持那些能夠給軍事應(yīng)用帶來革命性改變的技術(shù)。2004年的第一次大挑戰(zhàn)提供的獎勵金額為100萬美元，2005年活動的獎金增至200萬，而2007年城市挑戰(zhàn)賽的第一、第二和第三名分別獲得200萬美元、100萬美元和50萬美元。在后續(xù)的機器人挑戰(zhàn)賽和FANG挑戰(zhàn)賽上，還提供機器人等硬件設(shè)備供開發(fā)使用。資金和設(shè)備平臺的支持對于該項技術(shù)的支持程度為技術(shù)發(fā)展提供了很大的幫助。
雖然參賽者在競賽中玩得很開心，但比賽的最終目標是在戰(zhàn)場上拯救美國人的生命，這是比賽的本質(zhì)，也是技術(shù)合格的底線。DARPA的挑戰(zhàn)賽主旨也從未脫離軍事應(yīng)用。
當今，無人系統(tǒng)在作戰(zhàn)行動中發(fā)揮著越來越重要的作用?！安妒痴摺焙汀叭蝥棥钡葻o人駕駛飛行器在多次局部戰(zhàn)爭中進行了偵察和監(jiān)視任務(wù)，“捕食者”號還進行了精確的空襲。美國國防部也正在加緊努力開發(fā)無人駕駛地面系統(tǒng)，該系統(tǒng)將與載人系統(tǒng)協(xié)同工作，以增強美軍的能力并挽救士兵生命。
例如，在類似“伊拉克自由行動”這樣的作戰(zhàn)中，作戰(zhàn)部隊迅速向目的地滲透行進，隨后就要考慮補給物資，保護供應(yīng)線至關(guān)重要。美軍官員們表示，未來地面無人駕駛系統(tǒng)可以在不使用人員作為駕駛員的情況下進行再補給任務(wù)，而且不需要部隊進行保護。
在無人駕駛車輛技術(shù)不斷發(fā)展的同時，可以看到，大多數(shù)現(xiàn)有車型依靠人來遠程操作車輛。不需要操作人員的車輛往往移動速度非常慢，并且難以以最小的障礙穿越地形。對于未來要發(fā)展的無人駕駛地面車輛來說，他們必須能夠快速，輕松地穿越崎嶇的地形，而無需人工協(xié)助。這是DARPA最終目標。超級挑戰(zhàn)賽是將技術(shù)帶到成熟的關(guān)鍵一步。
從2004年無人完成比賽，到2005年幾乎所有決賽團隊都超越了04年的最好成績，再到2007年更加苛刻的規(guī)則下依然有團隊完成比賽，只用了3年的時間，從數(shù)據(jù)中，我們就可以看出無人駕駛技術(shù)的發(fā)展之快。這還只是多年前的成績。
而無人駕駛車輛在路上的加速、減速以及轉(zhuǎn)彎動作，或許只是人類的下意識動作，但對于機器來說，這代表了現(xiàn)時科技的最高水平。這也說明地面無人車輛的技術(shù)雖然發(fā)展較快，但仍然達不到令人滿意的程度，還有待進一步爆發(fā)，其基礎(chǔ)技術(shù)的研究正在如火如荼地展開，包括導(dǎo)航定位、多模探測感知、多傳感器信息融合、自適應(yīng)輪轂、自動駕駛接管等。?
主要參考資料：
[1]. DARPA Grand Challenge to Showcase Unmanned Vehicle Technology
[2]. Stanley: The Robot that Won the DARPA Grand Challenge
[3]. Carnegie Mellon Solves 12-Year-Old DARPA Grand Challenge Mystery
[4]. CMU為何意外輸?shù)?005年DARPA挑戰(zhàn)賽，謎題終于解開_雷鋒網(wǎng)
[5]. DARPA FANG Mobility/Drivetrain Challenge
[6]. DARPA Announces Winner of the First FANG Challenge
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