The Dream of the Driverless Car: From Sci-Fi to Silicon Valley Test Tracks

1912年9月的一个闷热下午，《科学美国人》的插画师坐在纽约的办公室里，盯着手里刚从专利局拿来的图纸，画下了一辆奇怪的车：1910年代的敞篷汽车前轮之间，卡着一个由黄铜齿轮、铜线圈和木质支架组成的装置，两根金属杆从装置两端伸出，像触角一样搭在路面上。配文用加粗的字体写着：“自动司机：十年内将淘汰人类司机”。文章里说，这个装置会沿着路面下预埋的铜线行驶，遇到障碍物会自动停下，永远不会酒驾，永远不会在打盹的时候把车开进沟里，也永远不会因为和乘客吵架而把车停在半路。当时的读者大概和今天的我们一样，一半觉得是异想天开的科幻，一半偷偷盼着它成真——毕竟20世纪初的美国，汽车刚刚进入中产家庭，熟练司机的工资是普通工人的三倍，还经常罢工、酗酒，全美每年有超过1万人死于交通事故，其中近四成是司机操作失误导致的。专利局一年能收到上百个和自动行驶相关的专利申请，从埋在路里的磁铁到装在车顶的风帆，所有人都想抢到“淘汰人类司机”的先机，但所有人都卡在同一个问题上：当时的电子技术连个稳定的收音机都做不好，怎么可能让几百公斤的钢铁盒子自己认路、自己避障、自己遵守交通规则？

这个幻想被尘封了近70年，直到20世纪80年代微型计算机的普及，才终于有人把它从专利图纸里搬到了真实的停车场里。故事的起点在匹兹堡卡内基梅隆大学的机器人实验室里，当时刚上任实验室主任的Red Whittaker正盯着手里从煤矿借来的自动导引车（AGV）发呆——这种在煤矿里用来运煤的小车，能沿着地面埋设的磁条自动行驶，避开障碍物，为什么不能把它的技术放大，装到普通的汽车上？他找了三个研究生，凑了5万美元的实验室经费，买了一辆二手的1982年款雪佛兰厢式货车，给这辆车起了个名字：NavLab 1，全称是“导航实验室1号”。

第一批工程师凑设备的过程，像极了一群大学生凑钱装游戏电脑：车顶上用来拍路况的摄像头是从旧的安保系统里拆的，分辨率只有320×240，像素点大得像蚂蚁，拍十米外的行人只能看到一个模糊的灰点；车里的主控计算机是从旧实验室淘汰的IBM PC/AT，处理器是Intel 80286，主频只有6MHz，内存只有1MB，20MB的硬盘嗡嗡响得像个小风扇，夏天太阳晒得车里温度超过40度的时候，它十分钟就能死机一次；保险杠上用来测距的超声波传感器是从工厂的AGV上拆的，用整整三卷黑色胶带固定在车身上，线头都用胶带缠得严严实实，怕开的时候晃掉了。工程师们后来回忆，那辆车最奇怪的地方是车顶还装了个旧的收音机天线，不是用来收信号的，是用来固定胶带的，因为胶带粘在金属车顶上容易掉，缠在天线上更结实。

第一次公开测试是在1984年春天的一个下午，匹兹堡卡内基梅隆的校园停车场里挤了几十个看热闹的学生和老师，Red Whittaker站在车旁边，手里拿着个旧的对讲机，笑着对大家说：“今天我们要让车自己开，不用人碰方向盘。”启动程序之后，NavLab 1先是嗡的一声，车头猛地往前一冲，然后开始歪歪扭扭地往前走，像喝醉了酒的巨人，走了不到10米，就“哐当”一声撞上了旁边的金属垃圾桶，把垃圾桶撞飞了3米远，然后车又猛地往左打方向，蹭到了旁边一辆停着的旧福特，把福特的车门蹭掉了一块漆。现场先是一片寂静，然后爆发出哄堂大笑，蹲在车里的两个研究生灰头土脸地爬出来，手里还攥着用来写代码的笔记本，啃着冷的三明治面面相觑。Red Whittaker却笑出了声，他拍着车顶说：“至少它动了，比停在车库里强。我们改算法，下次让它开得直一点。”

那次撞垃圾桶的测试其实是整个自动驾驶发展史上最重要的一步：它第一次证明了，不用人碰方向盘，光靠计算机和传感器，车是真的能动的。之后的三年里，工程师们改了十几版算法，换了更高分辨率的摄像头，加了惯性导航单元（IMU，一种能感知车身加速度和角速度的传感器，就算GPS信号丢了，也能知道车开了多远、往哪个方向转），到1987年，NavLab 1已经能顺利开完整个校园的停车场，还能自动找车位停进去，速度虽然只有每小时5英里，比人走路还慢，但已经能稳定运行，不会乱撞了。

接下来的几年里，卡内基梅隆的团队推出了NavLab 2，用的是改装的军用悍马，装了更多的传感器和更 powerful 的计算机，已经能在封闭的测试路上沿着公路自动驾驶，但是依然有两个绕不开的问题：第一是算力不够，当时的计算机处理图像的速度太慢，只能处理静态的、简单的场景，遇到移动的行人或者别的车就傻了；第二是传感器太脆弱，下雨下雪的时候，摄像头会被雨滴糊住，超声波传感器会被雪挡住，GPS信号也会被云层干扰，误差能到几十米，车开着开着就偏到路边去了。当时的媒体嘲笑他们是“疯子”，浪费纳税人的钱，汽车厂商的高管公开说他们“不懂车，汽车是机械产品，不是计算机玩具”，甚至有杂志写文章说“自动驾驶永远不可能实现，因为人类连自己的交通规则都管不好，怎么可能让机器管？”但工程师们没有停，他们知道，技术从来都不是一蹴而就的，每一次死机、每一次撞垃圾桶、每一次在泥里推车，都是在攒经验。

时间来到2001年，伊拉克战争爆发，美军在伊拉克和阿富汗的巡逻队经常遭遇路边炸弹和伏击，每年有 hundreds 的士兵死在开军用卡车和侦察车的路上。美国国会给国防部下了死命令：2030年之前，要把三分之一的地面军用车辆换成无人驾驶的，让士兵不用再冒生命危险开车。但是当时的技术连让车在公路上稳定开都做不到，更别说在满是沙石和炸弹的战场上开了。国防部高级研究计划局（DARPA）想了一个办法：办一场公开比赛，奖金100万美元，谁能让无人车穿越莫哈韦沙漠142英里的越野赛道，完全无人控制，谁就拿走奖金，不管你是大学教授还是民间爱好者，都可以报名。

这个消息传出来的时候，全世界都炸了，100多支队伍报名，有大学的研究团队，有军工企业，还有几个大学生攒的业余队伍，所有人都觉得这是个不可能完成的任务：142英里的沙漠赛道，有沙堆、有岩石、有仙人掌、有干涸的河床，还有随时可能来的沙尘暴，当时的无人车连在封闭场地开10英里都做不到，怎么可能在野地里开142英里？DARPA的局长自己都说，他赌没有一辆车能跑完全程。

2004年3月13日，比赛正式在莫哈韦沙漠拉开帷幕，当天气温32度，风速每小时20英里，沙尘漫天，能见度不到100米，15辆进入决赛的无人车停在起跑线上，有改装的军用悍马，有改装的福特皮卡，有大学生攒的吉普，甚至还有一辆改装的摩托车。发令枪一响，第一辆叫“Sandstorm”的车——卡内基梅隆大学车队改装的悍马——猛地冲了出去，速度比人类开车还快，现场爆发出一阵欢呼，但是不到2英里，Sandstorm就陷进了沙里，车轮转得飞快，就是把沙往后刨，往前动不了，车里的传感器一直在报错，屏幕上跳出红色的“地形 unsuitable”的提示。终点线的工程师

终点线的工程师攥着对讲机，嗓子都喊哑了——Sandstorm的传感器扫到了前方5米处一块半人高的花岗岩，算法判断无法绕行，直接停住了，这是2004年DARPA Grand Challenge开赛1小时42分钟后，所有参赛车辆里跑得最远的一辆，也创下了当届比赛的最高纪录：7英里。剩下的14辆车要么陷在沙堆里刨得车轮飞转，要么撞上仙人掌把前保险杠撞得稀烂，还有一辆弗吉尼亚理工大学的学生队伍攒的吉普刚出发3分钟就因为GPS信号丢失，直接开进了赛道外的沙丘里，等工作人员找到它的时候，发动机已经因为过热冒了烟。当天的莫哈韦沙漠刮了整整一下午的沙尘暴，能见度不足50米，沙粒打在脸上像针扎一样，DARPA的官员站在终点线的遮阳棚里，看着空荡荡的赛道，苦笑着对身边的人说：“我就说不可能有人能跑完，这100万美元的奖金，估计要带回局里了。”

那辆撞在仙人掌上的吉普是当届最受观众欢迎的“网红车”，车身刷着亮黄色的“VT”字样，保险杠上用马克笔写着“我们是来玩的”，带队的大三学生Tom Stratton后来接受采访时挠着头说：“我们的预算只有2万美元，买不起好的激光雷达，就用了两套从超市买的工业摄像头，主控计算机是从旧实验室淘汰的戴尔笔记本，用三卷胶带粘在副驾驶座上，出发前我们还特意给车装了个喇叭，打算开不动的时候就按喇叭喊人来救。”他们的车刚出发2英里，激光雷达扫到前方3米处有个半人高的仙人掌，保守的避障算法直接触发急刹，车身猛地一停，Tom手里的对讲机都飞了出去，还没等他反应过来，车已经往后倒，后轮直接陷进了软沙里，等保障队开着皮卡过来把车拖出来的时候，车底已经磨得掉了一层漆。他当时蹲在沙地里，看着远处Sandstorm陷在沙里的样子，笑着对队友说：“至少我们比Sandstorm多撞了一个仙人掌，不亏。”

2004年的比赛虽然没有任何一辆车跑完全程，但它第一次向全世界证明了：无人车真的能在复杂的野外环境中自主行驶，哪怕只是7英里。那些在沙尘暴里推车的工程师，那些蹲在保障车里改代码的学生，那些抱着死机了的计算机叹气的教授，都没有把这次失败当成终点。DARPA也没有兑现“没人跑完就收回奖金”的玩笑，反而在赛后立刻宣布：2005年10月举办第二届Grand Challenge，奖金涨到150万美元，赛道缩短到132英里，同样是莫哈韦沙漠越野，但允许使用GPS导航，同时开放更多的技术限制，鼓励队伍用更先进的传感器和算法。这个消息传出来的时候，之前嘲笑自动驾驶是“科幻笑话”的汽车厂商高管坐不住了，通用、福特、丰田都悄悄组建了自动驾驶研发团队，硅谷的风险投资也开始往这个领域撒钱——他们终于意识到，这个曾经被当成疯子的领域，可能真的藏着下一个万亿级的市场。

```mermaid graph LR A[2004 DARPA Grand Challenge<br>142英里沙漠越野<br>最高成绩7英里<br>无车辆完赛] --> B[2005 DARPA Grand Challenge<br>132英里沙漠越野<br>3辆车跑完全程<br>斯坦福Stanley夺冠] B --> C[2007 DARPA Urban Challenge<br>60英里城市模拟道路<br>7辆车跑完全程<br>卡内基梅隆Boss夺冠] C --> D[2010s 民用自动驾驶商业化落地<br>Waymo、特斯拉、通用Cruise等企业入局] ```

2005年的比赛是自动驾驶发展史上最重要的转折点。这一届的参赛队伍从上一届的100多支缩减到23支，所有队伍都吸取了上一届的教训：卡内基梅隆的团队把上一届的Sandstorm升级成了H1ghlander，换上了算力提升10倍的主控计算机，加了5个旋转式激光雷达（LiDAR），能实时生成周围100米内的3D地形模型，还专门给车轮加了自动差速锁，遇到沙堆的时候会自动调整四个车轮的扭矩，避免陷车；斯坦福的团队则走了完全不同的技术路线，他们的新车Stanley是改装的2005款大众途锐，没有用昂贵的旋转式激光雷达，而是用了一组固定式的低成本激光雷达，配合更高清的摄像头和毫米波雷达，同时优化了图像识别算法，能更准确地区分路面、岩石、仙人掌和沙堆，还能判断沙地的硬度，不会把软沙当成可以正常行驶的路面。带队的是斯坦福人工智能实验室的主任塞巴斯蒂安·特龙（Sebastian Thrun），他2004年带的队伍只跑了7英里就撞在仙人掌上，当时他在接受采访时说：“我去年觉得自己是个骗子，浪费了团队几十万美元的经费，今年我要证明我们是对的。”

2005年10月8日，比赛在莫哈韦沙漠正式拉开帷幕，当天气温28度，微风，能见度超过10公里，是近年来最好的比赛天气。发令枪一响，H1ghlander像一头猛兽一样冲了出去，速度比2004年快了整整一倍，斯坦福的Stanley排在第三位，紧紧跟在后面。开到第30英里处，H1ghlander遇到了一片特别软的流沙，车轮陷了进去，刨得沙土飞溅，就是往前动不了，后面的保障车里的工程师急得直跳脚，这时候Stanley慢慢开了上来——它的激光雷达扫到了前方静止的H1ghlander，算法判断这是障碍物，自动减速到每小时5英里，然后慢慢绕了过去，继续往前开。当时站在观赛台上的观众都发出了一阵惊呼：没有任何人给车写过“绕开其他参赛车辆”的规则，这是车自己判断的。

最后Stanley跑了6小时32分钟，平均速度每小时20英里，比第二名H1ghlander快了21分钟，第一个冲过终点线，成为人类历史上第一辆跑完全程132英里越野赛道的无人车。特龙当时在终点线抱着他的妻子哭了，他说：“去年我站在这里，看着我们的车撞在仙人掌上，觉得我这辈子的研究都没用了，今年我站在这里，看着我们的车跑完全程，我觉得所有的熬夜、所有的失败都值了。”第三名是来自麻省理工学院的车队，也顺利跑完了全程，这是人类历史上第一次有无人车完成百英里级的自主越野行驶。当时的《纽约时报》头版标题是《无人车穿越沙漠，科幻变成现实》，《连线》杂志直接把2005年称为“自动驾驶元年”。

斯坦福的Stanley的技术后来被大众汽车收购，变成了大众第一代自动驾驶辅助系统“Travel Assist”的核心原型，而特龙则在2007年加入了谷歌，创办了谷歌X实验室，2016年自动驾驶公司Waymo从谷歌X独立出来，现在是全球自动驾驶技术商业化落地最领先的企业，截至2024年，Waymo的无人车已经在凤凰城、旧金山等城市累计行驶了超过2000万英里，没有发生一起主责的交通事故[^1]。

如果说2005年的沙漠越野证明了无人车能在非结构化地形里自主行驶，那么2007年的DARPA Urban Challenge（城市挑战赛）则证明了无人车能在人类主导的城市交通环境里安全行驶。这一届的赛道设在加州乔治空军基地，是DARPA花了一年时间改出来的6平方公里模拟城市，有双向四车道、有红绿灯、有停车标志、有临时路障，还有20辆由人类驾驶员驾驶的社会车辆在赛道上正常行驶，参赛车不仅要遵守所有交通规则，还要和其他人类车辆混行，不能撞人、不能撞车，要会并线、会超车、会处理拥堵，甚至会进模拟停车场自动停车。这一届的难度比前两届高了好几个量级：沙漠里没有红绿灯，没有别的车，没有行人，只需要判断地形和障碍物就行，但城市里所有的交通参与者都是动态的，人类的行为是不可预测的，要求无人车不仅能“看”到世界，还要能“理解”交通规则，能“预测”其他人的行为。

这一届有53支队伍报名，经过预选赛之后11支进入决赛，包括斯坦福的Stanley升级版Junior、卡内基梅隆的Boss、麻省理工的Talos，还有几支来自大学和民间爱好者的队伍。卡内基梅隆的Boss是改装的雪佛兰Tahoe SUV，装了8个800万像素的高清摄像头、5个旋转式激光雷达、7个毫米波雷达，主控计算机的算力是2005年Stanley的10倍，能同时追踪周围100米内的所有车辆、行人和非机动车，决策延迟只有10毫秒，比人类驾驶员的反应速度快3倍。斯坦福的Junior则是改装的帕萨特，走的是轻量化路线，算法更高效，能在复杂的城市环境里快速做出决策。

2007年11月3日，比赛正式拉开帷幕，当天的天气阴沉沉的，偶尔下点小雨，对传感器的考验比沙漠里更大。发令枪一响，11辆车依次冲了出去，一开始跑在最前面的是MIT的Talos，它开到第10英里处的时候，遇到了一辆违规变道的社会车辆，直接抢到了Talos前面的车道，Talos的感知模块在0.1秒内就识别到了这辆车的动向，决策模块立刻判断要减速避让，控制模块在0.05秒内就踩下了刹车，车在离前车不到半米的地方停住，等前车开走之后才继续往前，整个过程没有发生任何碰撞，旁边的DARPA评审员都鼓起了掌。跑到第20英里处的时候，Boss遇到了一个更棘手的场景：前方路口有个行人闯红灯，从车前跑过，Boss的感知模块同时识别到了行人、红绿灯和路口的其他车辆，决策模块在0.1秒内就判断出行人拥有最高路权，必须停车避让，控制模块立刻踩下刹车，车在离行人不到1米的地方稳稳停住，等了10秒，等行人走过了路口，才继续往前开。当时在保障车里的Boss项目负责人、卡内基梅隆教授Chris Urmson后来回忆说：“我们从来没有给车写过‘行人闯红灯要停车’的规则，这是车自己根据交通规则判断出来的，当时我们看到车停住的时候，整个保障车里的人都欢呼了。”

最后Boss跑了4小时19分钟，顺利跑完了60英里的路线，没有发生任何主责的碰撞，只因为在路口避让另一辆违规变道的车时被蹭了一下，扣了2分，但还是拿了冠军，斯坦福的Junior拿了第二，MIT的Talos拿了第三，7辆车跑完全程，只有两辆因为小刮蹭被扣了分。当时的《华尔街日报》头版标题是《无人车开进城市，未来交通已经到来》，DARPA局长Anthony Tether在闭幕式上说：“2004年我们站在沙漠里，看着所有车都陷在沙里，所有人都觉得我们是疯子，今天我们看到无人车能在城市里和其他车一起开，遵守交通规则，处理突发情况，接下来我们要做的，就是把这些技术从赛道搬到普通人的车上。”

这三次DARPA挑战赛，本质上是自动驾驶技术从0到1的“成人