自動(dòng)駕駛汽車(chē)環(huán)境感知系統(tǒng)的研究

蔡思，高麗潔

(武漢城市職業(yè)學(xué)院，湖北武漢 430070)

0 引言

一般來(lái)說(shuō)，自動(dòng)駕駛汽車(chē)是一種智能汽車(chē)，也被稱為輪式移動(dòng)機(jī)器人。其原理為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)利用感知系統(tǒng),獲取車(chē)輛自身以及外界環(huán)境信息,經(jīng)過(guò)計(jì)算系統(tǒng)分析信息、作出決策,控制執(zhí)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛加速、減速或轉(zhuǎn)向，從而在無(wú)需駕駛員介入的情況下,完成自動(dòng)行駛[1]。根據(jù)SAE自動(dòng)駕駛分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，“0”級(jí)是表示由駕駛員完全自主控制的傳統(tǒng)汽車(chē)。今天的大多數(shù)汽車(chē)處于這一水平。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，帶自動(dòng)駕駛功能的汽車(chē)份額也在增加。級(jí)別“1”和“2”通過(guò)駕駛輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)部分自動(dòng)化，例如自動(dòng)巡航系統(tǒng)、變道輔助系統(tǒng)等。在這些水平技術(shù)下，汽車(chē)駕駛員必須時(shí)刻關(guān)注駕駛情況。從“3”級(jí)開(kāi)始，汽車(chē)將在某些交通狀況下接管控制權(quán)，但是如果遇到無(wú)法處理的交通狀況，則駕駛員必須接管控制權(quán)。在“4”級(jí)是全自動(dòng)駕駛模式提供駕駛所有操作，不需要人為干預(yù)，但如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者個(gè)人駕駛需求時(shí)，駕駛員可接管并手動(dòng)駕駛汽車(chē)。最后，級(jí)別“5”代表不再需要人工干預(yù)自動(dòng)駕駛汽車(chē)，在這一級(jí)別，汽車(chē)作為一個(gè)獨(dú)立運(yùn)送乘客或貨物的機(jī)器人。

1 自動(dòng)駕駛環(huán)境感知系統(tǒng)

對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車(chē)感知系統(tǒng)包括自身狀態(tài)感知系統(tǒng)和環(huán)境感知系統(tǒng)[2]。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛功能的重要基礎(chǔ)在于可靠性，車(chē)輛可以在自我規(guī)劃的道路上可靠地循跡駕駛。要做到這一點(diǎn)，除了明確車(chē)輛自身狀態(tài)外，還必須觀察和預(yù)測(cè)其他交通參與者的行為。這一功能的實(shí)現(xiàn)必須借助于環(huán)境感知系統(tǒng)，通過(guò)提供信息給汽車(chē)控制系統(tǒng)作出決策。環(huán)境感知系統(tǒng)的工作內(nèi)容包括：安全地檢測(cè)其他車(chē)輛的位置和軌跡，認(rèn)知行人的動(dòng)作意圖和姿態(tài)；結(jié)合環(huán)境模型，例如在數(shù)字地圖中，對(duì)所有的交通參與者進(jìn)行識(shí)別，以便在高速公路、鄉(xiāng)村道路或市區(qū)道路、停車(chē)場(chǎng)等不同場(chǎng)景下進(jìn)行駕駛。感知系統(tǒng)主要利用了傳感器技術(shù)、定位技術(shù)和車(chē)聯(lián)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)上述工作內(nèi)容。而傳感器技術(shù)又是環(huán)境感知系統(tǒng)的重要組成部件，因此是文中探討的重點(diǎn)內(nèi)容。

2 環(huán)境感知系統(tǒng)傳感器技術(shù)

為了檢測(cè)車(chē)輛周?chē)h(huán)境物體的位置、幾何形狀、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，需要用到不同類(lèi)型的傳感器，而每一種傳感器有其特定的功能特性。用于自動(dòng)駕駛環(huán)境感知的傳感器類(lèi)型有：攝像機(jī)、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)。

2.1 攝像機(jī)

對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車(chē)的攝像機(jī)就是布置在車(chē)上不同位置的視覺(jué)傳感器。攝像機(jī)是目前自動(dòng)駕駛中應(yīng)用最為廣泛的傳感器，主要用于紅綠燈檢測(cè)、交通標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別、場(chǎng)景理解和路面識(shí)別等功能[3]。攝像機(jī)根據(jù)鏡頭和布置方式不同可以分為：?jiǎn)文繑z像機(jī)、雙目攝像機(jī)、三目攝像機(jī)和環(huán)視攝像機(jī)。

單目攝像機(jī)由一個(gè)相機(jī)和一個(gè)鏡頭組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，而且基于單目攝像機(jī)開(kāi)發(fā)了很多圖像的研究和算法，因此單目攝像機(jī)的算法成熟度更高。但單目攝像機(jī)有兩個(gè)先天缺陷：(1)視野范圍完全取決于鏡頭，選取長(zhǎng)焦距鏡頭能獲取遠(yuǎn)距離信息，但會(huì)影響視野廣度，反之亦然；(2)其測(cè)距精度較低，特別是針對(duì)距離較遠(yuǎn)的圖像，由于只需幾個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行描述，導(dǎo)致一個(gè)像素點(diǎn)代表的距離越大，那么測(cè)距精度就越低。

雙目相機(jī)由兩個(gè)相機(jī)構(gòu)成，在拍攝物體時(shí)會(huì)得到同一物體在攝像機(jī)的成像平面的像素偏移量，已知兩個(gè)相機(jī)之間的距離，就可以通過(guò)數(shù)學(xué)換算出物體的距離，更有利于障礙物的分類(lèi)，提升高精度地圖定位匹配精度。雙目相機(jī)能夠得到較高的測(cè)量精度結(jié)果，但對(duì)兩個(gè)鏡頭的安裝位置和距離要求較多，并且視野極大程度依賴于鏡頭，不利于相機(jī)標(biāo)定。

三目攝像機(jī)就是3個(gè)不同焦距的單目相機(jī)的組合形式，3個(gè)攝像機(jī)的感知視野范圍不同，近距離的測(cè)距交給寬視野攝像頭，中距離測(cè)量交給主視野攝像頭，遠(yuǎn)距離測(cè)距則交給窄視野攝像頭?？梢缘玫捷^高精度的測(cè)距結(jié)果，但對(duì)數(shù)據(jù)算法要求很高，處理數(shù)據(jù)工作量較大。

環(huán)視攝像機(jī)的鏡頭是魚(yú)眼鏡頭，具有360°的采集視野，但是其圖像邊緣變形嚴(yán)重，需要通過(guò)算法處理后進(jìn)行顯示。環(huán)視攝像機(jī)的感知范圍不大，主要用于車(chē)身5～10 m的障礙物檢測(cè)、自主泊車(chē)庫(kù)位線的識(shí)別。攝像機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在分辨率和成本上。但在一些惡劣天氣情況，如雨雪、霧霾和夜間等，攝像頭的性能會(huì)快速下降。

2.2 激光雷達(dá)

為了解決攝像機(jī)的測(cè)距不準(zhǔn)確的問(wèn)題，工程師們引入了激光雷達(dá)傳感器。激光雷達(dá)傳感器是通過(guò)對(duì)外發(fā)射一束激光，激光束遇到物體后經(jīng)漫反射返回至激光接收器，雷達(dá)模塊根據(jù)發(fā)送和接收信號(hào)的時(shí)間差進(jìn)行計(jì)算，得出發(fā)射器與物體之間的距離。快速旋轉(zhuǎn)的激光傳感器每秒可提供數(shù)百萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，從而能夠創(chuàng)建周?chē)矬w和環(huán)境的3D地圖，特別是周?chē)h(huán)境的映射對(duì)于自動(dòng)駕駛功能非常重要。與攝像機(jī)相比該技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于功能不受光照條件的影響，但容易受到煙霧惡劣天氣的影響，而且激光雷達(dá)的成本很高，但有一些技術(shù)可以降低成本，例如采用其中“弱感知+超強(qiáng)智能”技術(shù)，是指主要依賴攝像頭與深度學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知方法。

2.3 毫米波雷達(dá)

為了使自動(dòng)駕駛汽車(chē)技術(shù)能夠快速發(fā)展，同時(shí)解決攝像機(jī)測(cè)速、測(cè)距不準(zhǔn)確的問(wèn)題。那么性價(jià)比更高的毫米波雷達(dá)出現(xiàn)了，毫米波的含義是頻率在10～200 GHz的電磁波，由于波長(zhǎng)是毫米級(jí)，因此稱為毫米波雷達(dá)[4]。毫米波雷達(dá)不僅成本適中，并且能夠完美地處理激光雷達(dá)不能處理的煙霧天氣。毫米波雷達(dá)相比于激光雷達(dá)有更強(qiáng)的穿透性，并且體積較小，能夠安裝在不影響車(chē)輛外觀的位置，一般安裝在保險(xiǎn)杠內(nèi)。毫米波雷達(dá)可同時(shí)檢測(cè)多個(gè)物體的距離、速度、角度。毫米波的探測(cè)距離可達(dá)200 m以上，還能適應(yīng)不同的天氣情況，因此常被安裝在正對(duì)汽車(chē)行駛方向的前保險(xiǎn)杠上。毫米波雷達(dá)的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差，會(huì)對(duì)后續(xù)的軟件算法提出更高的要求；毫米波雷達(dá)發(fā)出的電磁波對(duì)金屬極其敏感，如果檢測(cè)到突然出現(xiàn)的金屬?gòu)V告牌，則系統(tǒng)會(huì)被干擾出現(xiàn)剎車(chē)等情況，降低了汽車(chē)的舒適性；毫米波雷達(dá)在測(cè)量距離和角度時(shí)，會(huì)缺少高度信息，因此導(dǎo)致采樣點(diǎn)稀疏，無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別小的物體。

2.4 超聲波雷達(dá)

超聲波雷達(dá)是利用發(fā)射超聲波來(lái)計(jì)算障礙物的距離的傳感器。超聲波雷達(dá)的探測(cè)距離較短，不到3 m，因此常用于短距離測(cè)距。常見(jiàn)的超聲波雷達(dá)有兩種，一種是安裝在汽車(chē)前后保險(xiǎn)杠上的，主要用于檢測(cè)汽車(chē)前后障礙物的超聲波雷達(dá)(UPA)；另一種是安裝于汽車(chē)側(cè)面的雷達(dá)，主要檢測(cè)汽車(chē)側(cè)面的障礙物的超聲波雷達(dá)(APA)。超聲波雷達(dá)對(duì)溫度敏感，測(cè)量相同位置的障礙物時(shí)，不同溫度情況下，測(cè)量距離會(huì)不同。超聲波雷達(dá)除了檢測(cè)障礙物以外，還可以利用APA識(shí)別庫(kù)位，輔助車(chē)輛倒車(chē)入庫(kù)。特斯拉還將用于泊車(chē)的APA超聲波雷達(dá)用在了高速巡航系統(tǒng)中，用于自主地側(cè)向微調(diào)，降低與側(cè)向車(chē)輛的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

3 環(huán)境感知系統(tǒng)的展望

通過(guò)對(duì)環(huán)境感知系統(tǒng)的傳感器技術(shù)的分析發(fā)現(xiàn)，不同類(lèi)型的傳感器有各自不同的優(yōu)缺點(diǎn)。如果只是單一地采用某一種傳感器是不可行的，傳感器的融合技術(shù)是未來(lái)環(huán)境感知系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，將不同傳感器信息進(jìn)行融合算法，例如激光傳感器位置檢測(cè)更準(zhǔn)確，但無(wú)法測(cè)量速度，毫米波傳感器測(cè)量速度準(zhǔn)確，但無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量位置，那么將二者的信息進(jìn)行算法融合，就能得到準(zhǔn)確的速度和位置信息，并且可以有效地提升障礙物的感知頻率。

此外未來(lái)的感知系統(tǒng)將借助外界手段進(jìn)行，也就是通過(guò)V2X的車(chē)輛通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)與外界環(huán)境的交互作用,可以實(shí)現(xiàn)提前預(yù)判交通狀況,5G技術(shù)的出現(xiàn)，也提升了信息的傳遞速度，從而提高環(huán)境感知系統(tǒng)的智能性和可靠性,進(jìn)而提升自動(dòng)駕駛汽車(chē)的安全性。

4 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)駕駛環(huán)境感知系統(tǒng)依賴于不同類(lèi)型的傳感器，提供不同的汽車(chē)所處環(huán)境信息。為了提升自動(dòng)駕駛汽車(chē)的可靠性、準(zhǔn)確性和魯棒性，多傳感器融合技術(shù)是必不可少的，結(jié)合不同傳感器的特點(diǎn)，每種傳感器技術(shù)都可以在高度集成的系統(tǒng)中發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，獲取更準(zhǔn)確的環(huán)境信息。