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無人駕駛感知技術(shù)介紹

2020-03-17 22:52:07·  來源：易控智駕  
　
根據(jù)探測原理，激光雷達(dá)分為單線（二維）激光雷達(dá)和多線（三維）激光雷達(dá)。單線激光雷達(dá)僅通過一條掃描線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描，獲取二維掃描范圍內(nèi)的深度信息，如德國 SICK 光電設(shè)備公司研發(fā)的 LMS 系列，在無人駕駛中常用于自動跟車行駛；三維激光雷達(dá)，通過綜合多條掃描線旋轉(zhuǎn)掃描的結(jié)果，得到空間范圍內(nèi)的深度信息，能夠有效捕獲目標(biāo)的基本特征和局部細(xì)節(jié)，測量精度和可靠性很高，如美國Velodyne LiDAR 公司的 HDL 系列，常用于測距、測速和三維成像。
據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，目前共有80-100家公司從事與激光雷達(dá)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)。而各自動駕駛公司又不愿意把雞蛋放在同一個籃子里，都選擇了好幾個激光雷達(dá)廠商作為合資伙伴；甚至，在同一臺測試車輛上將不同廠家激光雷達(dá)混用也不是新鮮事。
毫米波雷達(dá)工作在毫米波波段，頻率在 30-300GHz 之間。具有體積小、質(zhì)量輕、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)且便于安裝的特點(diǎn)，能夠精確測量目標(biāo)的相對距離和相對速度。但是由于毫米波是重要的雷達(dá)頻段，在很多場合會受到干擾。
按照測距原理，可以將毫米波雷達(dá)分為兩類：1）脈沖式毫米波雷達(dá)，其基本原理與激光雷達(dá)相似，由于探測技術(shù)復(fù)雜、成本較高，很少用于無人駕駛；2）調(diào)頻連續(xù)式毫米波雷達(dá)，具有穿透力強(qiáng)、精度高、穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢，能夠在雨雪等惡劣條件下正常工作，而且結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，容易實(shí)現(xiàn)近距離探測。
 
超聲波雷達(dá)工作在機(jī)械波波段，工作頻率在 20KHz 以上。超聲波雷達(dá)多用于測距，如下圖所示，其基本原理是通過測量超聲波發(fā)射脈沖和接收脈沖的時(shí)間差，結(jié)合空氣中超聲波的傳輸速度計(jì)算相對距離。超聲波測距的優(yōu)勢主要有四點(diǎn)：對惡劣天氣不敏感，穿透性強(qiáng)、衰減小；對光照和色彩不敏感，可用于識別透明和漫反射性差的物體；對外界電磁場不敏感，適用于存在電磁干擾的環(huán)境；原理簡單、制作方便、成本較低，容易進(jìn)行市場推廣。但是超聲波雷達(dá)也存在很大的不足，測距速度無法與光電測距和毫米波雷達(dá)測距相比，而且無法測量方位，應(yīng)用領(lǐng)域受限。
 
雷達(dá)傳感器對目標(biāo)信息的感知來源于自身發(fā)送的電磁波。相比被動傳感器而言，雷達(dá)受外界環(huán)境影響小，獲取的深度信息可靠性高， 測距范圍和視角大、準(zhǔn)確度高。另外，雷達(dá)每幀接收的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)小于攝像頭記錄的圖像信息，更能滿足無人駕駛對實(shí)時(shí)性的需求。
 
無人駕駛感知過程中，毫米波雷達(dá)和超聲波雷達(dá)的主要作用即為測距和測速，目前在盲點(diǎn)探測、自適應(yīng)巡航、前/后方碰撞預(yù)警等技術(shù)中應(yīng)用較為廣泛。除了距離和速度，激光雷達(dá)還能夠較為準(zhǔn)確地獲取目標(biāo)的形狀、深度等信息。隨著激光雷達(dá)性能的提高，相應(yīng)的激光雷達(dá)感知技術(shù)也在不斷發(fā)展。目前常用的感知技術(shù)主要有：障礙物檢測與跟蹤、路面檢測、三維重建等。
 
目前大部分無人駕駛車輛僅依靠視覺感知和雷達(dá)感知，已經(jīng)能夠完成絕大多數(shù)交通環(huán)境感知任務(wù)，因此往往忽略了聽覺感知，很多無人駕駛車輛甚至是“聾子”。然而在人類駕駛員開車時(shí)，交通環(huán)境中有許多聲音也會攜帶重要信息，例如喇叭、警笛等，這些信息能夠幫助駕駛員做出即時(shí)反應(yīng)，包括改變車輛行駛速度和行駛方向等。無人駕駛車輛同樣需要對環(huán)境中的聲音有所感知并做出反應(yīng)，這些聲音一般無法通過攝像頭或雷達(dá)獲取，而是需要開發(fā)車輛的“耳朵”，讓聽覺傳感感知系統(tǒng)能夠真正發(fā)揮作用。
 
四、定位及導(dǎo)航技術(shù)
 
無人駕駛的基礎(chǔ)是自主導(dǎo)航，不僅需要獲取車輛與外界環(huán)境的相對位置關(guān)系，還需要通過車身狀態(tài)感知確定車輛的絕對位置，因此定位與導(dǎo)航也是環(huán)境感知的關(guān)鍵技術(shù)之一。
 
無人駕駛車輛的位置數(shù)據(jù)不可能脫離感知態(tài)勢的基準(zhǔn)（常說的坐標(biāo)系）而獨(dú)立存在，不同的基準(zhǔn)對應(yīng)的車輛定位表現(xiàn)結(jié)果有很大差異。目前在無人駕駛中常用的基準(zhǔn)包括：大地坐標(biāo)系（WGS-84/ CGCS2000）、攝像機(jī)坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系、雷達(dá)坐標(biāo)系、駕駛員認(rèn)知坐標(biāo)系等。選定基準(zhǔn)之后，將車身姿態(tài)、周邊環(huán)境和地圖等信息都進(jìn)行映 射并標(biāo)注，生成基于這些坐標(biāo)系的一張或多張圖上。在這些圖中，基于駕駛員認(rèn)知坐標(biāo)系的駕駛態(tài)勢圖能夠更好地體現(xiàn)選擇注意性，可以與車輛實(shí)現(xiàn)同步移動。
 
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都由空間段（導(dǎo)航衛(wèi)星）、地面段（地面觀測站） 和用戶段（信號接收機(jī)）三個獨(dú)立部分組成，如圖所示。衛(wèi)星導(dǎo)航的基本原理是測量已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，并綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)計(jì)算出用戶所在地理位置信息。
 
目前主要有GPS、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、GLonASS 和 GALILEO四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，我國常用的為 GPS 和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
 
GPS 是由美國國防部研制的全球首個定位導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)，空間段由平均分布在 6 個軌道面上的 24 顆導(dǎo)航衛(wèi)星組成，采用 WGS-84 坐標(biāo)系；北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，是繼美國的 GPS、俄羅斯的 GLonASS 之后第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，空間段包括 5 顆靜止軌道衛(wèi)星和 30 顆非靜止軌道衛(wèi)星， 采用我國獨(dú)自建立使用的 CGCS 2000 坐標(biāo)系。這兩種導(dǎo)航系統(tǒng)都可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為用戶提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)擁有更多的地球同步軌道衛(wèi)星，還兼具短報(bào)文通信能力。
 
衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)按照定位方式分為單點(diǎn)定位技術(shù)和相對定位技術(shù)：單點(diǎn)定位是根據(jù)單獨(dú)一臺信號接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)確定用戶絕對位置的方式，容易受到系統(tǒng)性偏差的影響；相對定位是利用兩臺以上接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)來計(jì)算觀測點(diǎn)相對位置的方法，定位精度較高。相對定位又分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位兩種類型，其中實(shí)時(shí)動態(tài)定位 RTK 技術(shù)是一種新的常用的衛(wèi)星定位測量方法。
 
RTK 是一種基于載波相位觀測值的定位技術(shù)，利用了參考站和移動站之間觀測誤差的空間相關(guān)性。與以前的靜態(tài)定位和動態(tài)定位不同，RTK 無需事后結(jié)算即可在野外實(shí)時(shí)得到厘米級的定位精度，成為衛(wèi)星定位應(yīng)用的重大里程碑。RTK 屬于廣域定位技術(shù)，對天氣狀況和周邊障礙物不敏感，但還是存在幾點(diǎn)問題：1）初始化時(shí)間較長，主要受到衛(wèi)星數(shù)、電離層、多路徑等綜合影響；2）工作距離短，基站覆蓋范圍一般不超過 15km；3）對衛(wèi)星數(shù)量需求較高，在 6 顆以上衛(wèi)星時(shí)作業(yè)較為可靠；4）存在信號失鎖，衛(wèi)星信號常常在隧道、高樓等嚴(yán)重遮擋的環(huán)境下失效。這些技術(shù)缺陷限制了 RTK 技術(shù)的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò) RTK（又稱 COS）應(yīng)運(yùn)而生。網(wǎng)絡(luò) RTK 是由多個基站組成的網(wǎng)絡(luò)，通過將數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳送至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，并由服務(wù)器根據(jù)移動站和網(wǎng)絡(luò)中基站的位置關(guān)系從最近的基站發(fā)送數(shù)據(jù)，或者在移動站附近虛擬出基站信息進(jìn)行差分解算，從而提高移動站與基準(zhǔn)站的誤差相關(guān)性，獲得高精度的定位結(jié)果。
 
慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（簡稱慣導(dǎo)）由陀螺儀和加速度計(jì)構(gòu)成，通過測量 運(yùn)動載體的加速度和角速率數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)對時(shí)間進(jìn)行積分運(yùn)算，從而得到速度、位置、姿態(tài)和航向。慣導(dǎo)以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，工作原理是根據(jù)陀螺儀的輸出建立導(dǎo)航坐標(biāo)系并給出航向和姿態(tài)角，再根據(jù)加速度計(jì)的輸出解算運(yùn)動載體，實(shí)現(xiàn)慣性參考系到導(dǎo)航坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。慣導(dǎo)屬于推算導(dǎo)航方式，即在已知基準(zhǔn)點(diǎn)位置的前提下根據(jù)連續(xù)觀測推算出下一點(diǎn)的位置，因而可連續(xù)測出運(yùn)動載體的當(dāng)前位置。
慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供包括水平姿態(tài)、方位、速度、位置、角速度和加速度等的全面的導(dǎo)航信息，而且數(shù)據(jù)更新率高、連續(xù)性好、噪點(diǎn)低、短期精度和穩(wěn)定性高。由于慣導(dǎo)是一種不依賴于外部信息、也不向外輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，它不受外界電磁干擾的影響，具有全天候、全時(shí)段、全地域的工作特性。
 
由于導(dǎo)航信息是根據(jù)積分計(jì)算所得，慣導(dǎo)也存在其固有缺陷：定位誤差會隨時(shí)間而增大，數(shù)據(jù)的長期精度較低，而且無法獲取時(shí)間信息。另外，慣導(dǎo)在每次使用之前需要較長時(shí)間的初始化，在無人駕駛過程中如果出現(xiàn)斷電等突發(fā)狀況，往往需要重新初始化。交通環(huán)境復(fù)雜多變，單一的導(dǎo)航系統(tǒng)往往會受限于自身的不足而無法確保精準(zhǔn)定位和導(dǎo)航，因此當(dāng)前的無人駕駛車輛大多采用GPS/BDS + INS 的組合導(dǎo)航方式。
 
姿態(tài)和狀態(tài)感知無人駕駛車輛環(huán)境感知系統(tǒng)對車體的感知包括兩部分：車身姿態(tài)感知和車身狀態(tài)感知。姿態(tài)感知和狀態(tài)感知對應(yīng)的車輛信息不同，信息來源也有所差異。
 
無人駕駛對定位導(dǎo)航系統(tǒng)的性能有一定的要求，需要通過測試得到性能指標(biāo)數(shù)值作為衡量依據(jù)。測試指標(biāo)一般包括：1）首次定位時(shí)間，用于測試接收終端搜索信號的速度；2）定位測速精度，一般包括水平和高程定位精度；3）失鎖重捕時(shí)間，能夠反應(yīng)接收終端在信號失鎖后恢復(fù)定位的快慢；4）跟蹤靈敏度，主要評估定位狀態(tài)下接收機(jī)維持定位精度所需的最小信號功率；5）捕獲靈敏度，代表了失鎖狀態(tài)下接收機(jī)捕獲弱信號的能力。
 
實(shí)際駕駛時(shí)，車輛在不同場景下對導(dǎo)航系統(tǒng)的定位性能需求不同， 例如，正常環(huán)境下需要關(guān)注的指標(biāo)為跟蹤靈敏度，但是在隧道等信號遮擋嚴(yán)重的環(huán)境中更需要關(guān)注捕獲靈敏度。因此導(dǎo)航系統(tǒng)的性能測試一般會有針對性地設(shè)置特定場景。
數(shù)字地圖是以數(shù)字形式將紙質(zhì)地圖的要素存儲在計(jì)算機(jī)上，并可以顯示在電子屏幕上的地圖。數(shù)字地圖能夠表示遠(yuǎn)大于紙質(zhì)地圖的信息量，可以進(jìn)行任意比例、任意范圍的繪圖輸出，而且地圖上的內(nèi)容易于修改、組合和拼接。數(shù)字地圖主要有六個特點(diǎn)：1）快速存取和顯示；2）可以動畫形式呈現(xiàn)；3）地圖要素可分層顯示；4）圖上的長度、角度、面積等要素可自動測量；5）可進(jìn)行傳輸；6）利用 VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)可將地圖立體化、動態(tài)化。
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