無人駕駛汽車的障礙物識(shí)別與存在問題

劉玥

（青島西海岸第一高級(jí)中學(xué)，山東青島，266000）

0 引言

汽車為我們的生活帶來了便利，同樣也造成了交通擁堵、安全隱患等多重問題。隨著信息化進(jìn)程加快，大數(shù)據(jù)飛速發(fā)展，將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用在汽車中成為現(xiàn)階段研究的必要趨勢和前沿發(fā)展方向。無人駕駛汽車的出現(xiàn)可以為解決這些問題提供大的幫助。無人駕駛汽車的探測裝置—障礙物信息識(shí)別和處理系統(tǒng)可以自動(dòng)探測靠近車身的行人、車輛或周圍其他的障礙物，采取自動(dòng)應(yīng)急措施應(yīng)對(duì)碰到撞車危險(xiǎn)的情況來避免損失。正因如此，無人駕駛汽車的問世能將駕駛員的因素排除掉，降低交通事故的發(fā)生，大大提高交通安全性。

1 無人駕駛汽車的發(fā)展歷程

無人駕駛汽車的發(fā)展大致可以分為、創(chuàng)意構(gòu)想階段、初步試驗(yàn)階段和融入計(jì)算機(jī)技術(shù)階段三個(gè)部分。

■1.1 創(chuàng)意構(gòu)想階段（20世紀(jì)30年代—50年代）

無人駕駛汽車從無到有必然有一個(gè)過程。1925年，美國首次亮相了一輛用無線電波操控的貌似無人駕駛的汽車，但駕馭方式不安全也不完美。1939年一位美國的工程設(shè)計(jì)師聯(lián)手通用汽車發(fā)表了對(duì)未來城市交通的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。在他們的設(shè)計(jì)中提到了未來美國所有車輛都為無線電控制的電動(dòng)車，卻可以自動(dòng)規(guī)劃路線和速度，就相當(dāng)于自動(dòng)駕駛。1953年，美國科幻小說家Isaac Asimov在短篇小說《Sally》描寫了在2057年，有“大腦”的自動(dòng)駕駛汽車和主人發(fā)生的故事。這被大部分人認(rèn)為是人類無人駕駛概念的開始。

■1.2 初步試驗(yàn)階段（20世紀(jì)50年代—70年代）

上世紀(jì)50年代早期，美國無線電公司在實(shí)驗(yàn)室中研發(fā)一種全新概念的技術(shù)，就是利用鋪設(shè)在地面上的電線進(jìn)行車輛行駛方位指引和車速的控制，從而實(shí)現(xiàn)無人駕駛。1956年，通用公司正式展出了Firebird II概念車，這是世界上第一輛配備了自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)和汽車安全的像火箭頭一樣的概念車。1958年，這個(gè)公司進(jìn)行了無人駕駛實(shí)車的成功驗(yàn)證。

■1.3 融入計(jì)算機(jī)技術(shù)階段（20世紀(jì)70年代—21世紀(jì)）

從20世紀(jì)70年代開始，美國、英國、德國等發(fā)達(dá)國家開始研究無人駕駛汽車，增加了無人駕駛汽車的功能，提高了汽車的安全性。如1966美國斯坦福大學(xué)AIC研發(fā)出了名叫Shakey的自動(dòng)導(dǎo)航儀器；1987年德國奔馳與慕尼黑聯(lián)邦國防軍大學(xué)一起推出的可以獨(dú)自在實(shí)際街道上自動(dòng)駕駛的汽車VaMoRs等等。我國從20世紀(jì)80年代開始對(duì)無人駕駛汽車進(jìn)行研究。1992年，國防科技大學(xué)成功研發(fā)出了中國的最先真正意義上的無人駕駛汽車[1]。2005年，中國第一輛城市無人駕駛汽車在上海交大成功研發(fā)。2011年7月，紅旗HQ3在長沙至武漢完成了首次286公里的高速無人駕駛測試。201 7年8月29日，百度和江淮汽車首次公布了關(guān)于自動(dòng)駕駛量產(chǎn)的合作計(jì)劃，自百度發(fā)布Apollo開放平臺(tái)以來，這也成為首批自動(dòng)駕駛車輛落地的里程碑[2]。

2 無人駕駛汽車障礙物識(shí)別技術(shù)分析

無人駕駛汽車是智能汽車的一種。這種智能汽車也稱為輪式移動(dòng)機(jī)器人，主要憑借的是車內(nèi)的以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為主的智能駕駛儀器來達(dá)到無人駕駛的目標(biāo)。無人駕駛汽車中擁有精確的定位與導(dǎo)航系統(tǒng)、用于觀察前方的前置視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和環(huán)視系統(tǒng)等。障礙物識(shí)別及處理是無人駕駛汽車系統(tǒng)中非常重要的核心技術(shù)[3]。障礙物識(shí)別系統(tǒng)包括了捕獲圖像信息、信息預(yù)處理、道路檢測、障礙物識(shí)別、傳感器輸出值計(jì)算、以及自動(dòng)調(diào)整控制等模塊，如圖1所示。

■2.1 捕獲圖像信息

主要通過視覺傳感器為汽車提供有關(guān)其周圍意外事件的即時(shí)信息。視覺傳感器是攝像頭圖像處理傳感技術(shù)。可以用于預(yù)防碰撞和偏離。當(dāng)將發(fā)生碰撞或汽車偏離時(shí)這種傳感器便會(huì)發(fā)出預(yù)警。以色列的Mobileye是比較知名的視覺傳感器之一。

■2.2 圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理是指將輸入圖像通過去噪、二值化等方法降低圖像維度，分割成不同的模塊進(jìn)行識(shí)別，初步查看障礙物特征,增強(qiáng)障礙物的特征提取、匹配和識(shí)別的可靠性。二值化可以把灰度圖像轉(zhuǎn)換成灰度等級(jí)只有兩級(jí)的二值圖像，從而簡化計(jì)算機(jī)對(duì)不同障礙物特征的提取難度。去噪是指減少提取圖像時(shí)外部噪聲或設(shè)備的噪聲影響。

圖1

■2.3 道路檢測

無人駕駛汽車為了確定自己的行駛車道是否正確，會(huì)利用Hough變換和最小二乘算法對(duì)檢測車道邊界線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，防止走偏和影響障礙物識(shí)別。 Hough變換是圖像處理中從圖像中識(shí)別幾何形狀的基本方法之一。Hough變換的基本原理在于利用點(diǎn)與線的對(duì)偶性，將原始圖像空間的給定的曲線通過曲線表達(dá)形式變?yōu)閰?shù)空間的一個(gè)點(diǎn)。這樣就把原始圖像中給定曲線的檢測問題轉(zhuǎn)化為尋找參數(shù)空間中的峰值問題，也即把檢測整體特性轉(zhuǎn)化為檢測局部特性。而最小二乘法是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)，它通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。最小二乘法可用于曲線擬合。

■2.4 障礙物的識(shí)別

無人駕駛汽車對(duì)于圖像的障礙物檢測一般有三種方法：基于先驗(yàn)知識(shí)、立體視覺、運(yùn)動(dòng)學(xué)的檢測方法。第一種方法的原理是利用已有的先驗(yàn)知識(shí)例如障礙物的顏色、紋理、邊緣等，處理圖像，之后進(jìn)行匹配，快速識(shí)別障礙物。利用馬路邊緣特征提取信息或用顏色信息，追蹤道路。第二種方法又包括雙目和三目立體視覺障礙物檢測方法。用攝像機(jī)分別從兩個(gè)、三個(gè)視點(diǎn)觀察同一事物，再將通過不同視角圖像計(jì)算，從而識(shí)別位置和問題?；谶\(yùn)動(dòng)學(xué)的檢測方法最大的特點(diǎn)在于可以更精準(zhǔn)地測量動(dòng)態(tài)障礙物。

■2.5 計(jì)算車輛與障礙物間的距離

可以利用超聲波、激光、毫米波傳感器等計(jì)算車輛和障礙物之間的距離。這些傳感器根據(jù)主波、回波信號(hào)之間的間隔，發(fā)出位置到被測物之間的往返時(shí)間就能算出待測物的距離。比如，通過超聲波發(fā)射器不斷發(fā)出一系列連續(xù)的脈沖，給測量邏輯電路提供一個(gè)短脈沖。超聲波接收器在接收到遇障礙物反射回來的反射波后，也向測量邏輯電路提供一個(gè)短脈沖，再利用上述兩個(gè)短脈沖測得時(shí)間間隔t，從而求出汽車與障礙物之間的距離s=vt/2，其中v為超聲波速度。

3 無人駕駛汽車的問題及發(fā)展前景分析

無人駕駛汽車是現(xiàn)階段正在研究的前沿科技產(chǎn)品，尚不完善，仍有許多需要提高的方面。2016年，一位特斯拉Model S的車主啟動(dòng)了自動(dòng)駕駛輔助系統(tǒng)，在一場車禍中死身亡。2018年3月，一名來自美國亞利桑那州的婦女被一輛優(yōu)步自動(dòng)駕駛汽車撞傷后身亡。這兩起事故根本原因都是由于無人駕駛汽車障礙物信息識(shí)別和處理系統(tǒng)不成熟以至于汽車沒有準(zhǔn)確識(shí)別出前方的障礙物。無人駕駛的研究有很重要的意義[4]，將成為緩解交通擁堵，促進(jìn)智能出行的重要手段，還能將其中的技術(shù)成果遷移運(yùn)用至機(jī)器人、無人機(jī)等。

無人駕駛汽車作為新時(shí)代高科技的產(chǎn)物擁有很廣的前景。我國的無人駕駛汽車的起步較晚但是技術(shù)更新發(fā)展較快。據(jù)研究表明，到2020年，無人駕駛汽車將通過自身的雷達(dá)系統(tǒng)檢測來避免其他車輛過近，司機(jī)無需擔(dān)心汽車追尾。到2030年，半自動(dòng)駕駛技術(shù)將大規(guī)模應(yīng)用，汽車將自動(dòng)設(shè)定路線和車速，在更復(fù)雜的道路條件下輔助行駛。由此可見無人駕駛汽車的發(fā)展前景廣大。無人駕駛汽車將朝著如下幾個(gè)方向持續(xù)發(fā)展[5]：（1）進(jìn)一步增加探測的距離和提高探測的精準(zhǔn)度，從而達(dá)到無人駕駛汽車的高速行駛；（2）將與自動(dòng)駕駛儀組成一個(gè)反饋系統(tǒng)，幫助駕駛者做出正確判斷，如進(jìn)行主動(dòng)避讓，減少人為失誤；（3）可以便捷地在傳統(tǒng)汽車上安裝智能系統(tǒng)，不用將汽車全換新就能使用，于是能降低成本和售價(jià)。

4 結(jié)語

在無人駕駛汽車漸漸普及后，它將會(huì)給我們的生活帶來更多的便利和安全。本文對(duì)無人駕駛汽車的發(fā)展、障礙物識(shí)別和處理系統(tǒng)、出現(xiàn)的問題和分析、我國的發(fā)展前景做了初步的介紹和展望。相信通過人們的努力、不斷創(chuàng)新，在未來無人駕駛汽車將會(huì)得到不斷完善和普及。在中國人民的不斷奮斗拼搏下，我國的無人駕駛汽車技術(shù)也將不斷趕超世界尖端水平，助力我國的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。