得益于信息技術(shù)和人工智能的快速發(fā)展，自動駕駛汽車正在蓬勃發(fā)展。如果關(guān)注路上行駛的自動駕駛出租車，就會發(fā)現(xiàn)其車身上配備了多種傳感器，包括激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、高清相機(jī)等，這些傳感器通常被安裝在車頂、車身兩側(cè)和前后保險杠等位置，用以充當(dāng)自動駕駛汽車的“眼睛”和“耳朵”，以實(shí)現(xiàn)全方位的環(huán)境感知。

但這些傳感器往往體積龐大且笨重，會阻礙汽車有效地穿越周圍空氣，這種阻礙會迫使汽車消耗更多的能量來加速，并最終影響汽車的整體續(xù)航里程。不過，鑒于自動駕駛汽車的發(fā)展現(xiàn)狀，比起空氣動力學(xué)方面的考量，研發(fā)人員更關(guān)注車身傳感器的功能實(shí)現(xiàn)。

▍空氣阻力：速度的敵人

半個世紀(jì)以來，汽車制造商都在花大力氣調(diào)整車身設(shè)計，以對抗空氣阻力，也就是車輛前進(jìn)時需要克服的反作用力。隨著時間的推移，汽車產(chǎn)品的曲線變得更加流暢，并且增加了諸如彈出式前大燈、后擾流板和主動進(jìn)氣格柵等新功能，以提高車輛周圍空氣的流動效率。汽車工程師甚至通過在受控的風(fēng)洞中進(jìn)行測試來確定汽車的空氣動力學(xué)性能。那些“阻力系數(shù)”較低的汽車被認(rèn)為具有更好的空氣動力學(xué)性能。

但是，增加了諸多傳感器的自動駕駛汽車讓對抗空氣阻力變得更加復(fù)雜。美國無人駕駛出租車公司W(wǎng)aymo表示，其每輛無人駕駛出租車上都安裝了29個攝像頭，環(huán)繞車身布置。激光雷達(dá)傳感器則更大、更方正，它會向車輛周圍各個方向發(fā)射數(shù)百萬個激光脈沖，以創(chuàng)建3D地圖。研究發(fā)現(xiàn)，凸起的車頂激光雷達(dá)傳感器顯著地“延遲了氣流分離”，而在車輛尾部、保險杠兩側(cè)安裝的多個傳感器會形成一對空氣渦旋，也導(dǎo)致了更多的氣流分離。也就是說，所有的傳感器基本上都在共同作用，阻礙氣流，最終導(dǎo)致車輛的空氣動力學(xué)性能降低。

▍最新解決方案

日前，武漢理工大學(xué)在期刊《Physics of Fluids》上發(fā)表了一項(xiàng)研究成果，認(rèn)為可以利用一種優(yōu)化人工智能算法，通過改變自動駕駛車輛傳感器的結(jié)構(gòu)形狀，提高車輛的整體空氣動力學(xué)性能。最終他們選擇降低前側(cè)傳感器的高度，以減少正壓區(qū)并降低阻力，同時降低車頂傳感器的前緣，從而產(chǎn)生一種“減壓效應(yīng)”，減輕正面空氣的直接影響，使氣流達(dá)到車頂前，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化組和基本組的阻力系數(shù)基本相同。研究人員表示，與標(biāo)準(zhǔn)配置的自動駕駛車輛相比，優(yōu)化后版本的總空氣阻力下降3.44%。長途駕駛中這個微小的差異隨時間推移累積起來，將會產(chǎn)生顯著效果。這一研究結(jié)果表明，對車頂傳感器形狀的微調(diào)可以在減少自動駕駛車輛面對的空氣阻力。

該研究作者汪怡平教授表示，外置傳感器會顯著增加空氣動力阻力，尤其是通過增加干擾阻力在總氣動阻力中的比例。考慮到這些因素——傳感器之間的相互作用以及幾何尺寸對干涉阻力的影響，在設(shè)計階段對傳感器進(jìn)行全面優(yōu)化至關(guān)重要。

▍空氣動力學(xué)傳感器有助于降低自動駕駛汽車的能耗

當(dāng)前自動駕駛汽車公司已經(jīng)意識到傳感器所帶來的空氣動力學(xué)挑戰(zhàn)。Waymo表示，公司會戰(zhàn)略性地將傳感器布置在車輛周圍，以最大限度地擴(kuò)大其視野范圍（FOV）。優(yōu)先考慮視野范圍對于安全至關(guān)重要，但這可能與車輛的整體性能和速度相沖突。自動駕駛汽車制造商已經(jīng)嘗試通過對傳感器安裝進(jìn)行微調(diào)來糾正這一問題，相關(guān)公司表示已重新設(shè)計放置在半掛卡車擋風(fēng)玻璃頂部的橫梁傳感器，以減少阻力。

“雖然這看似是一個微小的調(diào)整，但在車輛的使用壽命內(nèi)，它可以帶來顯著的節(jié)能效率提升。”Waymo在一篇博客文章中寫道。

目前，Waymo、Zoox，以及國內(nèi)的蘿卜快跑、小馬智行等自動駕駛出租車多數(shù)局限于速度較慢、非高速公路區(qū)域，空氣動力學(xué)傳感器的應(yīng)用效果相對有限。但在長途自動駕駛卡車的應(yīng)用上更有效果。在長途卡車運(yùn)輸中，即便是微小的阻力減少也能帶來更快的交付時間和更少的總體能耗，這反過來又能為自動駕駛汽車公司和它們最終服務(wù)的客戶降低成本。隨著時間的推移，能耗的減少還有助于進(jìn)一步提高資源密集型電動車電池的利用率。

汪怡平教授認(rèn)為：展望未來，該項(xiàng)目研究成果可以為設(shè)計更具空氣動力學(xué)效率的自動駕駛汽車提供參考，提高自動駕駛汽車的行駛里程。隨著自動駕駛汽車的普及，這一點(diǎn)不僅在客運(yùn)方面，而且在交付和物流應(yīng)用方面都很重要。