一文聊聊自動駕駛感知系統(tǒng)

自動駕駛汽車，即可以根據(jù)乘客計(jì)劃自主完成出行任務(wù)的汽車，在整個出行過程中，完全不需要駕駛員的參與和控制。自動駕駛汽車想要完成出行安排，離不開感知、決策、控制這三大要素，其中感知作為讓汽車“認(rèn)得路”的重要環(huán)節(jié)，可以讓自動駕駛汽車和駕駛員一樣，讀懂周圍的交通要素。感知系統(tǒng)是利用車載傳感器以及車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來獲取道路、車輛位置、障礙物、車輛自身位置等信息，并將獲取的這些信息傳輸給車載控制中心，給自動駕駛汽車提供決策依據(jù)，簡而言之，感知就是以多種傳感器的數(shù)據(jù)和高精度地圖的信息作為信息輸入，經(jīng)過一系列計(jì)算及處理，對自動駕駛汽車周圍環(huán)境進(jìn)行精確感知的系統(tǒng)。感知系統(tǒng)可以為下游模塊提供豐富的信息，如障礙物的位置、形狀、類別及速度信息，也包含對于施工區(qū)域、交通信號燈及交通警示燈等特殊場景的語義理解。感知系統(tǒng)的感知對象主要可以分為兩類，一類是靜態(tài)對象，即道路、交通標(biāo)識、靜態(tài)障礙物等；另一類是動態(tài)對象，即車輛、行人、移動障礙物等，對于動態(tài)對象，除了要了解對象的具體類別，還需對位置、速度、方向等信息進(jìn)行追蹤，并需要根據(jù)追蹤結(jié)果來預(yù)測對象的接下來的預(yù)計(jì)位置。感知系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)自動駕駛能否成功的第一步，起著非常重要的作用，感知系統(tǒng)可以決定自動駕駛汽車看得清多少路，是否可以適應(yīng)復(fù)雜多變的交通環(huán)境等，隨著智能汽車智能化程度越高，對于感知系統(tǒng)的要求也就越高。

感知系統(tǒng)主要可以分為三大類，即環(huán)境感知、車身感知與網(wǎng)聯(lián)感知，但無一例外，這三大感知都離不開硬件設(shè)備的使用。

環(huán)境感知

環(huán)境感知即對自動駕駛汽車周邊環(huán)境進(jìn)行感知，可讓自動駕駛汽車可以“看得清”交通，環(huán)境感知主要使用了車載攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)及超聲波雷達(dá)等硬件設(shè)備。

車身感知

車身感知又可以分為車身狀態(tài)感知和車身位置感知，車身狀態(tài)感知主要是讓自動駕駛汽車了解到自身車速、方向、加速度等信息，主要是通過慣性導(dǎo)航、機(jī)械陀螺儀、加速傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器、速度傳感器等硬件設(shè)備來進(jìn)行感知；車身位置感知主要是了解車輛的位置信息，如所在位置、車道線等信息，為實(shí)現(xiàn)車身位置感知，需要高精度地圖、慣性導(dǎo)航、激光雷達(dá)及全球定位系統(tǒng)等技術(shù)的加持。

網(wǎng)聯(lián)感知

網(wǎng)聯(lián)感知就是自動駕駛汽車與車聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)自動駕駛汽車與交通基礎(chǔ)設(shè)施、其他車輛、道路行人等任何可能影響或可能受到影響的實(shí)體之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。網(wǎng)聯(lián)感知的主要作用是提升自動駕駛汽車行駛安全、提高交通交通效率，防止擁堵。網(wǎng)聯(lián)感知的技術(shù)發(fā)展離不開網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的升級，包括基站的搭建、智慧交通平臺的開發(fā)、5G技術(shù)的發(fā)展等。為了保證自動駕駛汽車行車安全，對于感知系統(tǒng)系統(tǒng)中的傳感器要求非常高，且對于傳感器之間信息互通要求也非常高，由于感知系統(tǒng)涉及到多個傳感器，如何讓感知系統(tǒng)中傳感器探測到的信息能夠同步（時間同步）非常重要。為了保證自動駕駛汽車的安全，感知系統(tǒng)需要做到近乎百分百的準(zhǔn)確率，且需要對多個感知硬件搜集到的信息進(jìn)行分析判斷，必要時還需要在自動駕駛汽車上加裝更多的感知硬件來提供感知冗余和感知融合，讓獲得的道路信息更加準(zhǔn)確。感知系統(tǒng)的發(fā)展離不開感知硬件的加持，其中超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、車載攝像頭為主要的感知硬件，并在自動駕駛汽車發(fā)展過程中起著較為重要的作用。

超聲波雷達(dá)

超聲波雷達(dá)主要是利用超聲波的特性研發(fā)而成的傳感器，是在超聲波頻率范圍內(nèi)將交變的電信號轉(zhuǎn)換成聲信號，或?qū)⑼饨缏晥鲋械穆曅盘栟D(zhuǎn)換為電信號的一種能量轉(zhuǎn)化器件。超聲波雷達(dá)主要由安裝在同一個平面上的發(fā)射頭、接收頭和芯片組成。超聲波雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)邏輯還是通過聲音傳播，有效探測距離一般是在5 m～10 m，最小的探測距離可以為幾十毫米，由于對色彩、光照度不敏感，因此可以用于識別透明、半透明及漫反射差的物體，也可以用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中，超聲波雷達(dá)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低，信息處理簡單可靠，易于小型化和集成化，且可以實(shí)時進(jìn)行控制。超聲波雷達(dá)可用于停車輔助及泊車輔助，作為停車輔助時，安裝在汽車的后保險杠部分，用來探測汽車距離后部障礙物的距離；泊車輔助中，超聲波雷達(dá)主要安裝在汽車側(cè)面，用于測量停車位長度等信息。

毫米波雷達(dá)

毫米波雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)主要是使用電磁波來探測信息，通過使用在毫米波頻段（1 mm～10 mm，頻率30 GHz～300 GHz）的電磁波來探測目標(biāo)，可以得到目標(biāo)障礙物的距離、速度和角度等信息。按照頻段分類，毫米波雷達(dá)可以分為24 GHz、60 GHz、77 GHz和79 GHz，其中主流頻段為24 GHz和77 GHz。根據(jù)工作原理，可以將毫米波雷達(dá)分為脈沖式毫米波雷達(dá)和調(diào)頻連續(xù)式毫米波雷達(dá)，脈沖式毫米波雷達(dá)指的是通過發(fā)射脈沖信號與接收信號之間的時間差來計(jì)算目標(biāo)距離，調(diào)頻連續(xù)式毫米波雷達(dá)是利用多普勒效應(yīng)測量得出不同距離的目標(biāo)速度。按照探測距離，可將毫米波雷達(dá)分為短程、中程和遠(yuǎn)程三類，其中短程的探測距離一般小于60 m，中程的探測距離一般為100 m左右，遠(yuǎn)程的探測距離一般大于200 m。

激光雷達(dá)

激光雷達(dá)主要是通過激光束的發(fā)射來探測障礙物位置、速度等信息，可以用于精確獲得三位位置信息，可用來確定目標(biāo)障礙物的大小、位置、外部形貌甚至材質(zhì)。

根據(jù)掃描方式分類，激光雷達(dá)可分為機(jī)械式激光雷達(dá)和固態(tài)激光雷達(dá)，機(jī)械式激光雷達(dá)帶頭控制激光發(fā)射角度的旋轉(zhuǎn)部件，體積較大且價格昂貴，一般安裝在自動駕駛汽車頂部，在現(xiàn)有的自動駕駛汽車上，主要使用的就是機(jī)械式激光雷達(dá)。固態(tài)激光雷達(dá)則是依靠電子部件來控制激光發(fā)射角度，無需機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，尺寸較小，可以安裝在車內(nèi)。根據(jù)線束分類，激光雷達(dá)可以分為單線束激光雷達(dá)和多線束激光雷達(dá)，單線束激光雷達(dá)主要用來獲取2D數(shù)據(jù)，每掃描一次只產(chǎn)生一條掃描線，無法區(qū)別目標(biāo)物體的3D信息，但是單線束激光雷達(dá)測量速度快、數(shù)據(jù)處理量少，多被用于安全防護(hù)、地形測繪等領(lǐng)域。多線束激光雷達(dá)掃描一次可以產(chǎn)生多條掃描線，可獲得目標(biāo)物體的3D數(shù)據(jù)，現(xiàn)階段常用的多線束激光雷達(dá)有4線束、8線束、16線束、32線束、64線束、128線束等，隨著線束等增多，價格也更為昂貴，現(xiàn)階段的自動駕駛汽車多使用多線束激光雷達(dá)。激光雷達(dá)由于探測范圍廣、分辨率高、信息量豐富及可全天候工作等優(yōu)點(diǎn)，被越來越多自動駕駛企業(yè)作為自動駕駛汽車主要感知硬件，但是由于和毫米波雷達(dá)相比，體積過大、成本過高、不能識別交通標(biāo)識和交通信號燈，在自動駕駛汽車上，依舊需要多個感知硬件來探測交通信息，從而獲得更為全面的數(shù)據(jù)，讓自動駕駛汽車出行更加安全。

車載攝像頭

車載攝像頭主要是使用光學(xué)元件和成像系統(tǒng)來獲取外部環(huán)境信息，車載攝像頭主要獲取交通信息的2D數(shù)據(jù)，且其精度取決于分辨率，隨著探測距離越遠(yuǎn)，其精度就越差。車載攝像頭獲取的信息極為豐富，尤其是彩色圖像，可以同時實(shí)現(xiàn)道路檢測、車輛檢測、行人檢測、交通標(biāo)識檢測、交通信號燈檢測等，車載攝像頭獲取的信息一般為實(shí)時場景圖像，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，且多個自動駕駛汽車同時工作，不會出現(xiàn)互相干擾的情況。車載攝像頭主要用來獲取交通標(biāo)識、交通信號燈、路況、車道線、障礙物等信息，根據(jù)類別不同，車載攝像頭可以分為單目攝像頭、雙目攝像頭、三目攝像頭及環(huán)視攝像頭等。隨著自動駕駛技術(shù)的不斷升級，對于感知系統(tǒng)的要求也越來越高，復(fù)雜的路況及惡劣的天氣下的感知能力也將決定自動駕駛汽車落地的可能，現(xiàn)階段，感知系統(tǒng)的成本依舊過高，導(dǎo)致自動駕駛汽車單車成本居高不下，無法在消費(fèi)者之間普及。對于感知系統(tǒng)，大家怎么看？歡迎關(guān)注智駕最前沿，并留言交流。

審核編輯 黃昊宇