空气动力学传感器可以加速自动驾驶汽车

如果您居住在美国大约十几个拥有自动驾驶汽车的城市之一，您可能会通过引人注目的陀螺认出它们。这些高科技陀螺上装满了传感器（通常是激光雷达、雷达和摄像头的组合），它们是自动驾驶汽车的眼睛和耳朵，可以绘制周围世界的地图。但这些传感器堆栈通常体积庞大，这可能会妨碍汽车在周围空气中穿行的能力。这种阻碍会迫使汽车使用更多能量来加速，并最终限制汽车的整体行驶里程。在目前的自动驾驶汽车中，空气动力学考虑可能会让位于最佳传感器功能。

然而，来自中国武汉理工大学的研究人员认为，他们可能已经找到了一种两全其美的解决方案。利用优化的人工智能算法，该团队能够改变自动驾驶汽车传感器的结构形状，从而提高车辆的整体空气动力学性能。在模拟中，将优化后的传感器设计与采用标准设置的自动驾驶汽车进行比较时，优化后的版本的总气动阻力降低了 3.44%。这种看似微小的差异在长距离驾驶时会随着时间的推移而累积。研究人员进行了一次真实世界的风洞测试，以验证他们的模拟结果，并于今日在《流体物理学》杂志上发表了这一结果。

阻力：速度的敌人

汽车制造商花了近一个世纪的时间改进设计以对抗空气阻力——本质上，空气阻力是汽车前进时需要克服的反作用力。随着时间的推移，汽车的曲线越来越大，并且增加了弹出式大灯、后扰流板和主动格栅百叶窗等新功能，以帮助汽车更有效地排出周围的空气。工程师可以通过在受控风洞中进行测试来确定汽车的空气动力学能力。那些“阻力系数”较低的汽车被认为更符合空气动力学。

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笨重的自动驾驶汽车传感器会使事情变得复杂。美国领先的自动驾驶出租车公司 Waymo 表示，其一辆自动驾驶出租车周围安装了 29 个摄像头。激光雷达传感器更大、更方正，可以向车辆周围的所有方向发出数百万个激光脉冲，以创建 3D 地图。在分析中，武汉理工大学的研究人员观察了配备激光雷达传感器的自动驾驶汽车周围的空气流动情况，发现突出的质量显著“延迟了气流分离”。车辆尾部也发生了更多的气流分离，保险杠两侧的多个传感器形成一对空气涡流。换句话说，所有传感器基本上都在协同工作以捕获气流，最终降低车辆的空气动力学性能。目前尚不清楚研究中使用的是哪种型号的自动驾驶汽车，但 3D 图显示了一款外观现代的跨界车，类似于特斯拉 Model Y 或 Waymo 使用的捷豹 I-PACE。

研究人员将这些发现通过优化算法进行分析，以寻找能够巧妙改变传感器形状以减少阻力的方法。他们最终选择降低前侧传感器的高度，他们说这导致正压区减小并减少阻力。车顶传感器的前缘也被降低，这产生了“放气效应”，从而减少了进入气流的直接影响。新的优化模型和基线模型的阻力系数在气流到达车顶之前保持相当相似。研究人员表示，这一发现“强烈表明”车顶传感器形状的细微变化可能在减少 AV 阻力方面发挥最大作用。

空气动力学传感器有助于减少自动驾驶汽车的能源需求

研究作者王一平说：“外部安装的传感器会显著增加气动阻力，特别是增加干扰阻力在总气动阻力中所占的比例。”

当前的自动驾驶汽车公司意识到了传感器带来的空气动力学挑战。Waymo 表示，其传感器战略性地放置在车辆周围，目的是最大限度地扩大视野 (FOV)。优先考虑视野对于安全很重要，但它可能与车辆的整体性能和速度相矛盾。自动驾驶汽车制造商试图通过对传感器安装基础设施进行细微改动来纠正这个问题。在 Waymo 的案例中，该公司表示，它重新设计了放置在半挂卡车挡风玻璃顶部的横杆传感器，以减少阻力。

Waymo 在一篇博客文章中写道：“虽然这看起来像是一个小小的调整，但它可以在车辆的整个使用寿命期间显著节省燃油效率。”

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至少目前，这些工程变革对现实世界的影响可能有限。Waymo 和亚马逊支持的 Zoox 的自动驾驶出租车正变得越来越普遍，但它们仍然大多局限于速度较慢的非高速公路区域。空气动力学设计的传感器更直接的好处可能来自长途自动驾驶卡车。在长途卡车运输过程中，即使阻力略有减少，也能缩短交货时间并减少总体能耗。这反过来又可以降低 AV 公司及其最终服务的客户的成本。随着时间的推移，更少的能源消耗也可能有助于挤出更多资源密集型电动汽车电池的使用。Aurora 是这一新兴类别的领导者之一，计划今年晚些时候在德克萨斯州的道路上测试其没有人类安全驾驶员的 AV 卡车。

“展望未来，我们的研究结果可以为设计空气动力学效率更高的自动驾驶汽车提供参考，使它们能够行驶更长的距离，”王补充道。