實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵是什么？

汽車(chē)行業(yè)正在經(jīng)歷前所未有的新技術(shù)涌入。汽車(chē)制造商承諾，未來(lái)幾年內(nèi)將在公共道路上部署完全自動(dòng)駕駛車(chē)輛，并預(yù)測(cè)自動(dòng)駕駛進(jìn)入大眾市場(chǎng)也不太遙遠(yuǎn)了。但是，盡管汽車(chē)制造商和技術(shù)公司都渴望加速自動(dòng)駕駛方面的創(chuàng)新，要實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)駕駛將需要一種傳感技術(shù)，不但要使車(chē)輛能夠“看到”周?chē)氖澜?，而且要能比人?lèi)駕駛員做出更好的反應(yīng)才行。

目前的傳感技術(shù)——比如激光雷達(dá)(LiDAR)、雷達(dá)和攝像頭——都存在感知問(wèn)題（圖1），需要人類(lèi)駕駛員隨時(shí)準(zhǔn)備接管控制車(chē)輛。因此，傳感器的重要性更為凸顯。要實(shí)現(xiàn)3-5級(jí)的自動(dòng)駕駛，車(chē)輛需要更大數(shù)量和更強(qiáng)功能的傳感器。本文探討了當(dāng)前解決方案的傳感功能——例如雷達(dá)和LiDAR（光探測(cè)和測(cè)距）——以及為什么包含F(xiàn)IR（遠(yuǎn)紅外）的融合解決方案將是最終實(shí)現(xiàn)3、4、5級(jí)自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵。

現(xiàn)有傳感技術(shù)的局限性

雷達(dá)傳感器可以檢測(cè)遠(yuǎn)處的物體，但卻無(wú)法識(shí)別該物體。另一方面，攝像頭可以很有效地確定物體是什么，但僅能在較近的范圍內(nèi)起作用。根據(jù)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如果雷達(dá)傳感器和攝像頭結(jié)合使用，就可以為自動(dòng)駕駛車(chē)輛提供更完整的檢測(cè)和覆蓋范圍：雷達(dá)傳感器可以檢測(cè)道路上稍遠(yuǎn)的物體，而攝像頭則可以在車(chē)輛靠近物體時(shí)提供更詳細(xì)的物體圖像。

LiDAR傳感器也已成為自動(dòng)駕駛車(chē)輛檢測(cè)和覆蓋能力的重要組成部分。與雷達(dá)一樣，LiDAR通過(guò)發(fā)出信號(hào)并通過(guò)信號(hào)反射來(lái)測(cè)量車(chē)輛到物體的距離，但它使用的是光波或激光，而不是雷達(dá)的無(wú)線電信號(hào)。雖然LiDAR傳感器能夠提供比雷達(dá)和攝像頭更寬的視野，但其成本仍是進(jìn)入大眾市場(chǎng)的阻礙。有些公司為了解決這一問(wèn)題而推出低成本的LiDAR傳感器，但這些低分辨率的LiDAR傳感器無(wú)法有效監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)處的障礙物，這會(huì)影響自動(dòng)駕駛車(chē)輛的反應(yīng)速度。不幸的是，消極等待LiDAR傳感器價(jià)格的下降，可能會(huì)減緩自動(dòng)駕駛車(chē)輛進(jìn)入大眾市場(chǎng)的節(jié)奏。

圖1：目前的傳感技術(shù)都存在感知問(wèn)題。CMOS攝像頭、雷達(dá)和LiDAR無(wú)法在動(dòng)態(tài)照明或惡劣天氣條件下發(fā)揮作用。（來(lái)源：AdaSky）

當(dāng)前的傳感技術(shù)除了缺乏完全可見(jiàn)性之外，它們還面臨與環(huán)境因素有關(guān)的額外障礙。要實(shí)現(xiàn)5級(jí)自動(dòng)駕駛，無(wú)論天氣如何，都必須能夠?qū)崿F(xiàn)完全的功能。然而，今天的所有傳感器在惡劣天氣條件下都會(huì)在一定程度上受到影響。例如，雖然雷達(dá)仍能在大霧、陰霾或夜間探測(cè)到遠(yuǎn)處的物體，但大多數(shù)攝像頭都受到視野范圍的限制，這阻礙了它們?cè)趷毫犹鞖饣蚝诎抵械摹耙曈X(jué)”能力。大多數(shù)傳感器也會(huì)因照明的突然變化而混淆。以車(chē)輛進(jìn)出隧道為例，人類(lèi)駕駛員需要幾秒鐘才能適應(yīng)突然的黑暗或明亮的光線，但是攝像頭和激光雷達(dá)也好不到哪里去——它們也會(huì)因燈光變化而暫時(shí)“失明”。

準(zhǔn)確的圖像檢測(cè)是當(dāng)今視覺(jué)和感知方案的另一個(gè)挑戰(zhàn)。雖然攝像頭可以成功地檢測(cè)到人或動(dòng)物，但是其圖像處理軟件并不總是能夠準(zhǔn)確地區(qū)分是真人或動(dòng)物，還是廣告牌、建筑物或公共汽車(chē)上人或動(dòng)物的圖片。

新興的要求

汽車(chē)制造商和自動(dòng)駕駛車(chē)輛(AV)開(kāi)發(fā)商迫切希望到2020年就在公共道路上部署完全自動(dòng)駕駛的車(chē)輛。但是，在推出2級(jí)以上自動(dòng)駕駛車(chē)輛并部署完整的車(chē)隊(duì)之前，傳感器必須能夠消除現(xiàn)有的視覺(jué)和感知弱點(diǎn)，并保證在任何環(huán)境和條件下都能夠全天候地完全檢測(cè)和覆蓋車(chē)輛周?chē)h(huán)境。今天，AV仍然需要人來(lái)控制的主要原因之一是，其傳感器在惡劣天氣條件下會(huì)失效。

如果沒(méi)有足夠強(qiáng)的傳感能力和準(zhǔn)確性，以便在所有天氣條件下都能夠提供安全可靠的運(yùn)行，完全自動(dòng)駕駛車(chē)輛是不能進(jìn)入大眾市場(chǎng)的。

FIR技術(shù)

采用FIR技術(shù)的傳感器可以克服許多當(dāng)前傳感器面臨的可靠性和感知問(wèn)題。FIR已在國(guó)防、安全、消防和建筑領(lǐng)域使用了數(shù)十年，已經(jīng)成為一種成熟且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的技術(shù)。這種成熟的技術(shù)也已被應(yīng)用到汽車(chē)上了。FIR攝像頭使用遠(yuǎn)紅外光波來(lái)檢測(cè)物體自然發(fā)出的熱量（熱輻射）的差異，并將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像?，F(xiàn)在汽車(chē)上使用的常見(jiàn)光學(xué)傳感器只能捕捉人眼可感知的圖像，而FIR攝像頭可以掃描可見(jiàn)光以上的紅外光譜，因此可以檢測(cè)到一般攝像頭/雷達(dá)/LiDAR無(wú)法察覺(jué)的物體（圖2）。

圖2：FIR傳感器產(chǎn)生新的信息，可提高分割能力，并提供對(duì)車(chē)輛周?chē)h(huán)境的準(zhǔn)確分析。（來(lái)源：AdaSky）

帶有FIR的VGA熱傳感器對(duì)于高對(duì)比度成像具有0.05攝氏度的靈敏度，可以檢測(cè)到200米距離遠(yuǎn)的行人。FIR傳感器將能夠以30或60fps的速度跟蹤行人，并檢測(cè)前方道路。

除了捕獲物體或材料的溫度之外，F(xiàn)IR攝像頭還可以捕獲物體的發(fā)射率——它是如何有效地散發(fā)熱量的。由于每個(gè)物體具有不同的發(fā)射率，因此FIR攝像頭可以感測(cè)其路徑中的任何物體。有了這些信息，攝像頭就可以創(chuàng)建一個(gè)可以獨(dú)立并安全運(yùn)行的道路視覺(jué)圖畫(huà)。

在大多數(shù)情況下，熱FIR還可以檢測(cè)車(chē)道標(biāo)記和行人的位置（他面向的方向）。然后它可以確定行人正在離開(kāi)人行道并即將開(kāi)始穿過(guò)對(duì)面車(chē)道的道路。因此，F(xiàn)IR傳感器將能夠預(yù)測(cè)車(chē)輛是否有撞擊行人的風(fēng)險(xiǎn)。

作為響應(yīng)，裝備有FIR傳感器的自動(dòng)駕駛車(chē)輛會(huì)減速，以確保在行人有很突然的動(dòng)作時(shí)仍有足夠的時(shí)間剎車(chē)。這就可以保證行人和車(chē)輛都會(huì)安全抵達(dá)目的地。

FIR優(yōu)勢(shì)

FIR技術(shù)對(duì)于自動(dòng)駕駛的部署和大眾市場(chǎng)的接納至關(guān)重要，因?yàn)樗俏ㄒ荒軌蛱峁〢V安全所需的完整和可靠覆蓋的傳感器。全球主要汽車(chē)廠商之一——寶馬公司，正在使用熱成像攝像作為其傳感器套件的一部分，應(yīng)用于所有自動(dòng)駕駛車(chē)型。

雖然汽車(chē)上的其他光學(xué)傳感器僅能捕獲人眼可見(jiàn)的圖像，但FIR攝像頭可以提供更全面的感知層。通過(guò)掃描可見(jiàn)光以上的紅外光譜，F(xiàn)IR攝像頭可以檢測(cè)到一般攝像頭/雷達(dá)/LiDAR可能遺漏的物體。此外，與必須發(fā)送和接收信號(hào)的雷達(dá)和LiDAR傳感器不同，F(xiàn)IR攝像頭僅收集信號(hào)，這使其成為一種“無(wú)源”技術(shù)。由于沒(méi)有移動(dòng)部件，F(xiàn)IR攝像頭可以簡(jiǎn)單地通過(guò)感測(cè)物體散熱的信號(hào)來(lái)提供AV周?chē)h(huán)境的完全覆蓋。

目前，有三家領(lǐng)先的FIR傳感器公司：Autoliv、FLIR系統(tǒng)和AdaSky。AdaSky是一家以色列初創(chuàng)公司，最近開(kāi)發(fā)出了一款高分辨率熱成像攝像頭Viper，可被動(dòng)收集FIR信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為高分辨率VGA視頻，而且可以應(yīng)用深度學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法來(lái)感知和分析周?chē)h(huán)境（圖3）。

圖3：在低光靈敏度下幾種最先進(jìn)的攝像頭對(duì)比，采用FIR方案的Viper可以檢測(cè)到其他傳感技術(shù)無(wú)法檢測(cè)到的物體。（來(lái)源：AdaSky）

憑借這項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)，F(xiàn)IR攝像頭可以克服復(fù)雜的天氣和照明條件帶來(lái)的障礙，而這是目前其他傳感技術(shù)無(wú)法克服的。與FIR攝像頭相比，今天的傳感器功能是有限的，似乎也不能夠提供完全的自動(dòng)駕駛。即使結(jié)合起來(lái)工作，現(xiàn)今的傳感器也無(wú)法在任何情況下都能提供車(chē)輛周?chē)h(huán)境的全面或準(zhǔn)確覆蓋。只有FIR傳感器可以生成來(lái)自不同電磁波段的更深層信息，以顯著提高物體和車(chē)輛周?chē)h(huán)境的分類(lèi)、識(shí)別和檢測(cè)性能，無(wú)論近距離還是遠(yuǎn)距離。

通過(guò)創(chuàng)建車(chē)輛周?chē)h(huán)境的視覺(jué)表征，F(xiàn)IR填補(bǔ)了其他傳感器留下的空白，可以在任何天氣條件和任何環(huán)境中（無(wú)論是城市、鄉(xiāng)村還是在高速公路上駕駛，或三者的組合）實(shí)現(xiàn)全面檢測(cè)和覆蓋。例如，在高速公路上，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離感應(yīng)至關(guān)重要，因?yàn)槿绻麢z測(cè)到物體，車(chē)輛就有足夠的時(shí)間做出停車(chē)的決定——即使在高速行駛時(shí)也應(yīng)做到。而在市區(qū)，具有更寬的視野是最重要的，因?yàn)檫@樣才能檢測(cè)到人行道和橫穿馬路的行人和騎自行車(chē)者。

雖然FIR對(duì)3級(jí)自動(dòng)駕駛方案是必須的，但對(duì)4級(jí)和更高級(jí)別的自動(dòng)駕駛方案也是重要使能因素。為了實(shí)現(xiàn)5級(jí)自動(dòng)駕駛并最終將全自動(dòng)駕駛引入大眾市場(chǎng)，AV開(kāi)發(fā)商預(yù)計(jì)每輛車(chē)應(yīng)配備多個(gè)FIR攝像頭，以便實(shí)現(xiàn)廣泛覆蓋并全面監(jiān)測(cè)其周?chē)h(huán)境。汽車(chē)制造商也青睞使用多個(gè)FIR傳感器，因?yàn)樗芴峁┳罡呒?jí)別的安全性。事實(shí)上，美國(guó)交通部聯(lián)邦自動(dòng)駕駛車(chē)輛法規(guī)要求，某些關(guān)鍵AV系統(tǒng)必須具有冗余性，而大多數(shù)汽車(chē)OEM廠商和1級(jí)供應(yīng)商都在準(zhǔn)備將多個(gè)傳感器和其他元器件用作故障安全措施。

每種傳感器都有自己的弱點(diǎn)，沒(méi)有任何傳感器能夠做到在100%的時(shí)間里達(dá)到100%的準(zhǔn)確，F(xiàn)IR也不例外。這就是通過(guò)結(jié)合LiDAR、雷達(dá)和FIR技術(shù)的傳感器融合方案實(shí)現(xiàn)冗余至關(guān)重要的原因。如圖4中所看到的，當(dāng)將所有這些技術(shù)分層堆進(jìn)傳感器融合解決方案中時(shí)，將可以覆蓋所有區(qū)域和每個(gè)場(chǎng)景的范圍。這樣FIR就可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛。

圖4：自動(dòng)駕駛車(chē)輛的傳感器模式——CMOS攝像頭、雷達(dá)，激光雷達(dá)和FIR的覆蓋范圍。（來(lái)源：AdaSky）

汽車(chē)制造商想在下個(gè)十年之初就開(kāi)始在公共道路上部署自動(dòng)駕駛車(chē)輛，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，單靠現(xiàn)今功能有限的傳感解決方案是不大可能的。這些傳感器一直存在的感知問(wèn)題意味著如果沒(méi)有人類(lèi)駕駛員的監(jiān)控控制，車(chē)輛就無(wú)法安全可靠地運(yùn)行，而要實(shí)現(xiàn)真正的5級(jí)全自動(dòng)駕駛也是不現(xiàn)實(shí)的。FIR攝像頭是唯一能夠在任何環(huán)境或天氣條件下對(duì)車(chē)輛周?chē)h(huán)境進(jìn)行完整分類(lèi)、識(shí)別和檢測(cè)的技術(shù)，因此是唯一能夠?qū)⑷詣?dòng)駕駛車(chē)輛推向大眾市場(chǎng)的傳感技術(shù)。