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無(wú)人駕駛感知技術(shù)介紹

2020-03-17 22:52:07·  來(lái)源：易控智駕  
　
引導(dǎo)語(yǔ)感知系統(tǒng)對(duì)于客觀物理世界的信息獲取是無(wú)人駕駛實(shí)現(xiàn)的必要條件。如果把一臺(tái)無(wú)人駕駛車(chē)輛比作一個(gè)人的話(huà)，那么激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、攝像頭、IMU及GPS等等
引導(dǎo)語(yǔ)
感知系統(tǒng)對(duì)于客觀物理世界的信息獲取是無(wú)人駕駛實(shí)現(xiàn)的必要條件。

如果把一臺(tái)無(wú)人駕駛車(chē)輛比作一個(gè)人的話(huà)，那么激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、攝像頭、IMU及GPS等等部件就相當(dāng)于人的眼睛、鼻子、耳朵、觸覺(jué)及第六感等器官或系統(tǒng)。
 
環(huán)境感知作為無(wú)人駕駛的第一環(huán)節(jié)，處于車(chē)輛與外界環(huán)境信息交互的關(guān)鍵位置，其關(guān)鍵在于使無(wú)人駕駛車(chē)輛更好地模擬人類(lèi)駕駛員的感知能力，從而理解自身和周邊的駕駛態(tài)勢(shì)。
 
激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、定位導(dǎo)航系統(tǒng)、視覺(jué)系統(tǒng)等為無(wú)人駕駛車(chē)輛提供了海量的周邊環(huán)境及自身狀態(tài)數(shù)據(jù)，這些以圖像、點(diǎn)云等形式呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)包含了大量與駕駛活動(dòng)無(wú)關(guān)的信息。環(huán)境感知需要遵照近目標(biāo)優(yōu)先、大尺度優(yōu)先、動(dòng)目標(biāo)優(yōu)先、差異性?xún)?yōu)先等原則，采用相關(guān)感知技術(shù)對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行選擇性處理。
 
人類(lèi)駕駛員受限于視野范圍，存在諸多駕駛盲區(qū)。無(wú)人駕駛車(chē)輛上安裝的每類(lèi)傳感器也都有自身的感知盲區(qū)。實(shí)際上，這些區(qū)域僅相對(duì)于特定時(shí)刻而言，隨著車(chē)輛的行進(jìn)在下一時(shí)刻即會(huì)產(chǎn)生新的盲區(qū)。無(wú)人駕駛過(guò)程中，通過(guò)組合使用多類(lèi)傳感器和運(yùn)用時(shí)序關(guān)聯(lián)的感知技術(shù)，可以縮小感知盲區(qū)的范圍，一般不會(huì)影響正常駕駛。
 
一、環(huán)境感知功能系統(tǒng)構(gòu)成
 
無(wú)人駕駛車(chē)輛獲取和處理環(huán)境信息，主要用于狀態(tài)感知和 V2X 網(wǎng)聯(lián)通信。狀態(tài)感知主要通過(guò)車(chē)載傳感器對(duì)周邊及本車(chē)環(huán)境信息進(jìn)行采集和處理，包括交通狀態(tài)感知和車(chē)身狀態(tài)感知。V2X 網(wǎng)聯(lián)通信是利用融合現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛車(chē)輛與外界設(shè)施和系統(tǒng)硬件配置方案之間的信息共享、互聯(lián)互通和控制協(xié)同。
 
交通狀態(tài)感知功能的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于環(huán)境感知傳感器及相應(yīng)的感知技術(shù)。按照獲取交通環(huán)境信息的途徑，可將這些傳感器分為兩類(lèi)：1）被動(dòng)環(huán)境傳感器，該類(lèi)傳感器自身不會(huì)發(fā)射信號(hào)，而是通過(guò)接收外部反射或輻射的信號(hào)獲取環(huán)境信息，主要包括攝像頭等視覺(jué)傳感器和麥克風(fēng)陣列等聽(tīng)覺(jué)傳感器；2）主動(dòng)環(huán)境傳感器，該類(lèi)傳感器主動(dòng)向外部環(huán)境發(fā)射信號(hào)進(jìn)行環(huán)境感知，主要指激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和超聲波雷達(dá)。
 
車(chē)身狀態(tài)感知功能的實(shí)現(xiàn)主要基于 GPS（Global Position System， 全球定位系統(tǒng)）、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（ BeiDou Navigation Satellite System，BDS）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS）等設(shè)備，旨在獲取車(chē)輛的行駛速度、姿態(tài)方位等信息，為無(wú)人駕駛車(chē)輛的定位和導(dǎo)航提供有效數(shù)據(jù)。
 
V2X（即 Vehicle to Everything，車(chē)輛同所有交通參與者）網(wǎng)聯(lián)通信強(qiáng)調(diào)了車(chē)輛、道路、使用者三者之間的聯(lián)系，主要利用 RFID（Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別）、拍照設(shè)備、云服務(wù)器等獲得實(shí)時(shí)路況、道路信息、行人信息等一系列交通信息，從而提高駕駛安全性和駕駛效率。
 
二、系統(tǒng)硬件配置
 
可用于無(wú)人駕駛環(huán)境感知的硬件設(shè)備有很多，主要包括攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、GPS、BDS、INS 等，目前無(wú)人駕駛車(chē)上采用的配置方案往往是多種型號(hào)或多種類(lèi)型設(shè)備的組合。
 
一般來(lái)講，感知設(shè)備種類(lèi)越多、價(jià)格越貴，精度相對(duì)越高、識(shí)別范圍相對(duì)越大。但是每種感知設(shè)備都有其局限性。
 
無(wú)論是單目攝像頭、雙目攝像頭，還是多目攝像頭、深度攝像頭，無(wú)論像素再清晰、采樣速率再高，也無(wú)法解決所有圖像采集和處理的難題。由于道路環(huán)境、天氣環(huán)境的多樣性、復(fù)雜性以及無(wú)人駕駛車(chē)輛本身的運(yùn)動(dòng)特性，攝像頭容易受到光照、視角、尺度、陰影、污損、背景干擾和目標(biāo)遮擋等諸多不確定因素的影響。而在駕駛過(guò)程中，車(chē)道線(xiàn)、交通燈等交通要素存在一定程度的磨損、反光是常態(tài)，因此不存在完全理想的攝像頭。
 
雷達(dá)對(duì)光照、色彩等干擾因素具有很強(qiáng)的魯棒性，激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和超聲波雷達(dá)也都有各自的優(yōu)勢(shì)。但是安裝多少數(shù)量/種類(lèi)的雷達(dá)、選取多高的采樣速率，都不可能徹底解決凹坑反射、煙塵干擾和雨、雪、霧等惡劣天氣條件下的探測(cè)難題，也難以實(shí)現(xiàn)真正的全天候、全天時(shí)、全三維，因此雷達(dá)不可能完美。
 
定位導(dǎo)航系統(tǒng)為無(wú)人駕駛提供了高精度、高可靠定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，RTK（Real-Time Kinematic，載波相位差分技術(shù)）+ INS 組合更是為實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位和位置精度保持奠定了重要基礎(chǔ)。但是無(wú)論位置服務(wù)公共平臺(tái)多好、陀螺精度多高，還是存在采樣頻率不夠、地理環(huán)境過(guò)于復(fù)雜、初始化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、衛(wèi)星信號(hào)失效等問(wèn)題，因此定位導(dǎo)航系統(tǒng)總是存在缺陷。
 
可見(jiàn)，沒(méi)有完美的感知設(shè)備，設(shè)備不理想是常態(tài)，也不存在完美無(wú)缺的設(shè)備組合方案。然而對(duì)于不同的駕駛?cè)蝿?wù)而言，需要不同的感知設(shè)備種類(lèi)和類(lèi)型，并非要配置最全、最多、最貴的感知設(shè)備才能完成駕駛?cè)蝿?wù)，而是要以任務(wù)需求為導(dǎo)向，有針對(duì)性地選取合適的感知 設(shè)備，組合實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配置。
 
三、傳感感知技術(shù)
 
感知功能的實(shí)現(xiàn)既需要合適的感知設(shè)備，也離不開(kāi)相應(yīng)的感知技術(shù)。環(huán)境感知功能分工的不同，決定了所需感知設(shè)備和感知技術(shù)的差異。其中，交通環(huán)境感知是車(chē)輛對(duì)外界環(huán)境信息的捕獲和處理，主要基于車(chē)載傳感器和傳感感知技術(shù)。按照傳感器獲取的信號(hào)類(lèi)型，可分為攝像頭視覺(jué)、雷達(dá)傳感和聽(tīng)覺(jué)傳感。
 
人類(lèi)在駕駛過(guò)程中所接收的信息大多來(lái)自視覺(jué)，例如交通標(biāo)志、 道路標(biāo)志、交通信號(hào)等，這些視覺(jué)信息成為人類(lèi)駕駛員控制車(chē)輛的主要決策依據(jù)。在無(wú)人駕駛中，攝像頭取代人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)作為交通環(huán)境感知的傳感器之一。相較于其他傳感器，視覺(jué)傳感器安裝使用的方法簡(jiǎn)單、獲取的圖像信息量大、投入成本低、作用范圍廣，并且近些年更是得益于數(shù)字圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展和計(jì)算機(jī)硬件性能的提高。但是在復(fù)雜交通環(huán)境下，視覺(jué)傳感器依然存在目標(biāo)檢測(cè)困難、圖像計(jì)算量大、算法難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，視覺(jué)感知技術(shù)在應(yīng)對(duì)道路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、人車(chē)混雜的交通環(huán)境時(shí)也還存在很多不足。
 
無(wú)人駕駛中配置的視覺(jué)傳感器主要是工業(yè)攝像頭，與民用攝像頭相比具有更大優(yōu)勢(shì)，例如較高的圖像穩(wěn)定性、傳輸能力和抗干擾能力。按照輸出的數(shù)據(jù)信號(hào)，工業(yè)攝像頭可分為模擬式和數(shù)字式兩種。模擬攝像頭的輸出為模擬電信號(hào)，需要借助視頻采集卡等組件完成數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換，該類(lèi)攝像頭連線(xiàn)簡(jiǎn)單、成本較低，但是轉(zhuǎn)換速率慢；數(shù)字?jǐn)z像頭所采集的圖像直接通過(guò)內(nèi)部感光組件及控制組件轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，該類(lèi)攝像頭采集速率快、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方便，但是價(jià)格相對(duì)昂貴。
 
視覺(jué)感知技術(shù)主要包括三種：1）單目視覺(jué)技術(shù)，即通過(guò)單個(gè)攝像頭完成環(huán)境感知任務(wù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、算法成熟并且計(jì)算量較小的優(yōu)點(diǎn)，但是感知范圍有限、無(wú)法獲取場(chǎng)景目標(biāo)的深度信息；2）立體視覺(jué)技術(shù)，基本原理是采用 2 個(gè)（或多個(gè)）攝像頭從不同視點(diǎn)觀察同一目標(biāo)，并通過(guò)計(jì)算圖像像素間位置偏差恢復(fù)三維場(chǎng)景，難點(diǎn)在于尋找多個(gè)攝像頭圖像中匹配的對(duì)應(yīng)點(diǎn)；3）全景視覺(jué)技術(shù)，成像視野較寬，但圖像畸變較大、分辨率較低。
 
近年來(lái)，深度學(xué)習(xí)（Deep Learning）在計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理領(lǐng)域的應(yīng)用取得了巨大成功，基于深度學(xué)習(xí)的圖像處理成為無(wú)人駕駛視覺(jué)感知的重要支撐。深度學(xué)習(xí)的輸入可以為原始的圖像像素，通過(guò)構(gòu)建含有多隱層的機(jī)器學(xué)習(xí)模型模擬人腦的多層結(jié)構(gòu)。經(jīng)逐層抽取得到的信息特征，相比傳統(tǒng)圖像處理算法構(gòu)造的特征更具表征力和推廣性，大大地提高了目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別的準(zhǔn)確性。在無(wú)人駕駛視覺(jué)感知中，深度學(xué)習(xí)多用于對(duì)車(chē)輛、行人、交通標(biāo)志等交通要素的檢測(cè)和識(shí)別。由于深度學(xué)習(xí)需要大數(shù)量、多樣性的數(shù)據(jù)集，而且對(duì)計(jì)算平臺(tái)的性能要求高，目前大多僅應(yīng)用于離線(xiàn)數(shù)據(jù)的處理。視覺(jué)傳感器的配置參數(shù)和視覺(jué)感知技術(shù)的算法優(yōu)劣共同決定了視覺(jué)感知系統(tǒng)的性能。
 
在國(guó)內(nèi)外無(wú)人駕駛車(chē)輛開(kāi)發(fā)過(guò)程中，傳感感知技術(shù)研究的重點(diǎn)除了視覺(jué)就是雷達(dá)。雷達(dá)通過(guò)對(duì)目標(biāo)發(fā)射電磁波并接收目標(biāo)回波來(lái)獲得目標(biāo)的距離、方位、距離變化率等信息。得益于其主動(dòng)探測(cè)的環(huán)境探測(cè)模式，雷達(dá)感知比視覺(jué)感知受外界環(huán)境的影響較低，近年來(lái)在無(wú)人駕駛中發(fā)揮的作用也較大。
 
雷達(dá)傳感器一般由發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線(xiàn)、接收機(jī)、接收天線(xiàn)、顯示器、處理部分以及電源設(shè)備、數(shù)據(jù)錄取設(shè)備、抗干擾設(shè)備等輔助設(shè)備構(gòu)成。按照電磁波的波段，雷達(dá)分為三類(lèi)：激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)，如下圖所示。
 
激光雷達(dá)工作在紅外和可見(jiàn)光波段，是一種以激光為工作光束、 使用光電探測(cè)技術(shù)手段的主動(dòng)遙感設(shè)備。具有分辨率高、隱蔽性好、 抗有源干擾能力強(qiáng)、定向性好、測(cè)量距離遠(yuǎn)、測(cè)量時(shí)間短的特點(diǎn)；不足之處在于技術(shù)門(mén)檻和成本較高（2020年隨著競(jìng)爭(zhēng)的加劇激光雷達(dá)的價(jià)格已經(jīng)大幅度降低），而且在云霧雨雪等惡劣環(huán)境中衰減嚴(yán)重。
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