如何實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)景動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)厘米級(jí)高精度定位

傳統(tǒng)車載導(dǎo)航系統(tǒng)都是基于導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行單點(diǎn)定位，幫助駕駛員到達(dá)目的地，定位精度是5-20米。隨著自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的使用率提高，例如，車道偏離預(yù)警(LDW)、自適應(yīng)巡航控制(ACC)、自動(dòng)泊車、自動(dòng)駕駛，安全性和可靠性需要更高的定位精度。

自動(dòng)駕駛行業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)之一是缺乏可靠高精度定位方案。對(duì)于無(wú)人駕駛汽車從Demo測(cè)試，進(jìn)入到公開(kāi)道路測(cè)試甚至到商業(yè)化落地運(yùn)營(yíng)，安全性是首要任務(wù)。

高精度定位技術(shù)也將是自動(dòng)駕駛作為安全可靠的交通工具得到公眾認(rèn)可之前的最后一塊拼圖。

不過(guò)，高精度定位技術(shù)并不是什么新鮮事。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展幾十年，但設(shè)備成本高，阻礙了這項(xiàng)技術(shù)在自動(dòng)駕駛這個(gè)利基市場(chǎng)的擴(kuò)張。

高精度定位技術(shù)，除了實(shí)時(shí)告知車輛位置，還可以用來(lái)校準(zhǔn)車輛的傳感器。只有有了這樣的系統(tǒng)，才有可能符合ISO26262所要求的自動(dòng)駕駛車輛的安全要求。

眾所周知，傳統(tǒng)汽車的功能安全主要是在車輛內(nèi)部，而定位感知?jiǎng)t主要來(lái)自車輛外部，這就帶來(lái)了傳統(tǒng)功能安全的外延在加大。從完整性功能安全角度，包括高精度定位在內(nèi)的技術(shù)，都需要對(duì)其數(shù)據(jù)輸出提供較高的置信度。

“未來(lái)的自動(dòng)駕駛有一個(gè)不可或缺的一部分，就是高精度定位?！痹谛禽?a href="http://www.ttokpm.com/v/" target="_blank">科技高精度定位首席研究員杜洪偉看來(lái)，環(huán)境感知層如何實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)景動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)厘米級(jí)高精度定位是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。

一、滿足自動(dòng)駕駛的高精度定位

目前，自動(dòng)駕駛定位方案可以分為絕對(duì)定位和相對(duì)定位。絕對(duì)定位輸出定位信息是基于統(tǒng)一的定位坐標(biāo)體系下的位置，相對(duì)定位輸出的是區(qū)域內(nèi)的相對(duì)位置信息。

絕對(duì)定位的方案，當(dāng)前都是基于衛(wèi)星的定位手段，相對(duì)定位比較常用的是依靠激光雷達(dá)，毫米波雷達(dá)，攝像頭這些傳感器，都是相對(duì)定位的技術(shù)。

按照L4/L5級(jí)自動(dòng)駕駛的定義要求，自動(dòng)駕駛車輛需要知道它在哪里，定位精度需要在10厘米以內(nèi)級(jí)別。

眾所周知，目前自動(dòng)駕駛的幾種常用傳感器都有自己的特點(diǎn)，毫米波雷達(dá)在很多的場(chǎng)合是很容易受到干擾。攝像頭對(duì)于光線比較敏感，對(duì)于光線比較昏暗或者光線比較亮的場(chǎng)景下，可靠性達(dá)不到自動(dòng)駕駛的要求。激光雷達(dá)成本是非常高昂，在雨雪還有積水惡劣條件下，可靠性降低。而基于衛(wèi)星的定位，受周圍環(huán)境的影響比較嚴(yán)重，特別是在障礙物遮擋的領(lǐng)域，定位精度不可靠。

任何單一的傳感器技術(shù)都滿足不了自動(dòng)駕駛的需求，因?yàn)槊糠N傳感器都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。要想實(shí)現(xiàn)未來(lái)的車與路，車與人，車與車之間的信息交換，達(dá)到自動(dòng)駕駛更高級(jí)別安全性的要求，當(dāng)前的技術(shù)方案都有一定的缺陷性。

二、高精度定位的痛點(diǎn)

在杜洪偉看來(lái)，自動(dòng)駕駛高精度定位主要有三大方面的痛點(diǎn)，第一，定位精度有待提升，當(dāng)前很多的方案的定位精度不能達(dá)到厘米級(jí)。

第二，復(fù)雜場(chǎng)景可靠性有待提升，高架橋，室內(nèi)、隧道等等這些場(chǎng)景很多方案還不具備這樣一個(gè)能力。

第三，實(shí)時(shí)性有延遲。實(shí)時(shí)性不好，會(huì)降低定位的精度。舉個(gè)例子，一輛時(shí)速72公里的汽車，每一毫秒行駛的距離是2厘米，如果它的延遲能達(dá)到10毫秒，僅僅是延遲帶來(lái)的定位誤差就會(huì)達(dá)到0.2米。由此也可以看出實(shí)時(shí)性對(duì)未來(lái)自動(dòng)駕駛還是要求比較高的。

近年來(lái)，行業(yè)內(nèi)也出現(xiàn)了各種不同的定位技術(shù)方案，但很多定位技術(shù)的方案滿足不了L4或者L5高精度定位的要求，所以必須要有下一代的高精度定位技術(shù)，替代傳統(tǒng)定位技術(shù)。

下一代的高精度定位技術(shù)應(yīng)該具備三個(gè)特點(diǎn)：

第一是全場(chǎng)景，需要滿足各種復(fù)雜的場(chǎng)景，包括室內(nèi)外。

第二是高精度，精度達(dá)到可靠的厘米級(jí)。

第三是定位結(jié)果必須穩(wěn)定可靠，不能一會(huì)精度比較可靠，一會(huì)精度又不可靠，這會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的安全性問(wèn)題。

三、多源融合是出路，低成本是關(guān)鍵

自動(dòng)駕駛汽車肯定需要絕對(duì)定位。

從《高工智能汽車》的調(diào)研來(lái)看，融合在定位技術(shù)方案上也是一大趨勢(shì)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)需要一個(gè)“盒子”，一方面提供車輛實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位以及所有需要的性能。同時(shí)，它還能與其他類型的傳感器進(jìn)行融合。

對(duì)于高精度定位市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，傳感器融合有很多好處，包括降低成本，提高性能以獲得更好的位置或位置的可用性，增加可靠性和魯棒性。

未來(lái)的高精度定位系統(tǒng)通過(guò)結(jié)合不同類型傳感器，比如IMU、輪速傳感器、GNSS傳感器、攝像頭和激光雷達(dá)的各種優(yōu)缺點(diǎn)，將這些傳感器輸出融合成一個(gè)具有多種用途的大數(shù)據(jù)集，充分展示了傳感器數(shù)據(jù)融合的威力。

星輿科技提出的下一代定位技術(shù)，就是指基于“RTK+IMU+視覺(jué)+高精度地圖”的多源融合技術(shù)路線。

2019年1月16日晚，星輿科技獲得《2018高工智能汽車年度金球獎(jiǎng)評(píng)選》年度國(guó)產(chǎn)高精度定位方案商獎(jiǎng)項(xiàng)。

關(guān)于成本的問(wèn)題是這個(gè)領(lǐng)域的主要因素。設(shè)計(jì)人員必須能夠同時(shí)集成安全性、性能和復(fù)雜性，而不需要在每個(gè)方面進(jìn)行任何權(quán)衡，這將影響硬件和軟件設(shè)計(jì)。

從OEM廠商的量產(chǎn)角度來(lái)說(shuō)，就是要求低成本的高精度定位技術(shù)方案，把成本控制在千元級(jí)別。

杜洪偉表示，星輿科技的定位就是研發(fā)低成本的高精度定位技術(shù)方案，把不同的傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)的深度融合，從空間和時(shí)間的緯度進(jìn)行深度融合，可以滿足更多復(fù)雜場(chǎng)景的高精度定位的需求。同時(shí)，可以提高算法可靠性，當(dāng)然最關(guān)鍵是價(jià)格比較低。

為什么要提多源融合？在杜洪偉看來(lái)，主要有三大方面的優(yōu)勢(shì)：

一是每種傳感器都有自己的缺點(diǎn)，多源融合在一起，每個(gè)傳感器的優(yōu)勢(shì)可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，可以滿足更多復(fù)雜場(chǎng)景的高精度定位的需求。

二是多傳感器的數(shù)據(jù)，因?yàn)閿?shù)據(jù)冗余度比較多，所以可以通過(guò)計(jì)算輸出的定位結(jié)果的置信度。當(dāng)前所有的定位方案里面，定位結(jié)果都缺少置信度的數(shù)據(jù)，而置信度是可以很好輔助自動(dòng)駕駛做決策的。如果只是給自動(dòng)駕駛大腦提供數(shù)據(jù)，讓決策層決策，是不能很好的服務(wù)自動(dòng)駕駛，定位結(jié)果的置信度也是一個(gè)關(guān)鍵性的指標(biāo)。

三是采用多源數(shù)據(jù)融合的解決方案，避免單節(jié)點(diǎn)的故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)失效，可以更進(jìn)一步的提高自動(dòng)駕駛的安全性。

基于多源融合，星輿科技提出了更多的完善方案，一是基于衛(wèi)星的RTK技術(shù)。當(dāng)前很多基于衛(wèi)星的方案，單點(diǎn)定位精度是5-20米的精度，如果要基于RTK技術(shù)可以提高到厘米級(jí)。

基于RTK的技術(shù)，重點(diǎn)解決空曠和半遮擋環(huán)境下的高精度定位，遮擋下的高精度定位需要用其他的技術(shù)方案補(bǔ)充，比如說(shuō)機(jī)器視覺(jué)，SLAM技術(shù)來(lái)解決遮擋定位技術(shù)。

還有就是基于高精度地圖，結(jié)合了機(jī)器視覺(jué)識(shí)別，和地圖匹配的技術(shù)，來(lái)完成相對(duì)定位的目的，同時(shí)結(jié)合地圖數(shù)據(jù)也可以解決遮擋或者全場(chǎng)景下的高精度定位。

目前，基于衛(wèi)星的導(dǎo)航系統(tǒng)總是存在一些固有的弱點(diǎn)。GNSS信號(hào)較弱，不能穿透多層停車場(chǎng)、隧道等建筑物，密集樓宇區(qū)存在反射率和衛(wèi)星能見(jiàn)度問(wèn)題。其他潛在的問(wèn)題包括易受有意和無(wú)意信號(hào)干擾的影響。

這些潛在的問(wèn)題可以通過(guò)與其他定位傳感器和高度精確的數(shù)字地圖的混合來(lái)克服，從而實(shí)現(xiàn)高精度定位技術(shù)最終能夠在室內(nèi)外環(huán)境中移動(dòng)時(shí)提供無(wú)縫定位功能。

四、北斗高精度定位網(wǎng)絡(luò)+融合定位

此前，國(guó)家發(fā)改委的公布信息顯示，國(guó)家已啟動(dòng)國(guó)家智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略起草工作，其中，北斗高精度定位將作為重點(diǎn)領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，進(jìn)行重點(diǎn)支持和突破，以滿足高級(jí)別智能汽車的應(yīng)用要求。

星輿科技正是依托北斗高精度網(wǎng)絡(luò)，在全國(guó)范圍內(nèi)部署自主研發(fā)的智能觀測(cè)站，構(gòu)建覆蓋全國(guó)的高精度定位網(wǎng)絡(luò)，使得基于衛(wèi)星的定位方案可達(dá)到厘米級(jí)。

普通的GPS或北斗定位，只需看到4顆衛(wèi)星，高精度定位，需要看到至少8顆衛(wèi)星。在亞太地區(qū)，北斗比GPS更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵趤喬貐^(qū)，北斗衛(wèi)星遠(yuǎn)多于其他的導(dǎo)航系統(tǒng)，網(wǎng)眼最密處在中國(guó)上空，衛(wèi)星數(shù)提升、衛(wèi)星更加密集、通過(guò)衛(wèi)星定位更加穩(wěn)定可靠，加上北斗三號(hào)將于2020年實(shí)現(xiàn)全球組網(wǎng)，屆時(shí)優(yōu)勢(shì)會(huì)更明顯，到2020年，在中國(guó)上空，同時(shí)存在北斗二號(hào)、北斗三號(hào)、GPS、伽利略、格洛納斯，可同時(shí)用于高精度定位。

此外，北斗使用三頻信號(hào)，GPS是雙頻信號(hào)，三頻比雙頻有更高的可靠性和抗干擾能力，北斗兼容GPS和其他導(dǎo)航系統(tǒng)，還可以輔助提高定位精度。因此，綜合來(lái)看，中國(guó)有北斗，中國(guó)基于衛(wèi)星定位的高精度技術(shù)應(yīng)用環(huán)境會(huì)更好。

當(dāng)前星輿的北斗高精度定位網(wǎng)的覆蓋范圍包括廣東、湖南、湖北、長(zhǎng)三角，京津冀等國(guó)內(nèi)主要核心省市，在未來(lái)一年內(nèi)將覆蓋全國(guó)重點(diǎn)城市區(qū)域。

依托北斗高精度定位網(wǎng)絡(luò)和先進(jìn)的融合定位算法，星輿科技可以為智能網(wǎng)聯(lián)汽車提供基于RTK絕對(duì)定位坐標(biāo)參數(shù)。

星輿的北斗高精度定位網(wǎng)有三個(gè)特點(diǎn)，一是秒級(jí)響應(yīng)。二是支持億級(jí)高并發(fā)，三是分布式的部署還有冗余設(shè)計(jì)，更高程度提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，達(dá)到電信級(jí)別的可靠性。北斗高精度定位網(wǎng)可服務(wù)于高精度定位和眾包高精度地圖采集，把定位精度提升到厘米級(jí)。

基于高精度地圖的定位方案，主要是通過(guò)識(shí)別興趣點(diǎn)，然后基于興趣點(diǎn)和高精度地圖進(jìn)行匹配，匹配到相關(guān)的興趣點(diǎn)，通過(guò)地圖得到興趣點(diǎn)的先驗(yàn)精確位置數(shù)據(jù)，最后基于視覺(jué)相對(duì)定位的原理來(lái)計(jì)算相機(jī)的姿態(tài)和相對(duì)興趣點(diǎn)的距離，以此來(lái)計(jì)算相機(jī)的位置。

目前，這種基于高精度地圖定位的方案需要高精度地圖中添加更多的POI數(shù)據(jù)，隨著POI數(shù)據(jù)的增加，這種定位技術(shù)會(huì)更加成熟。

星輿科技于2018年11月份在深圳舉辦的第二十屆高交會(huì)上，發(fā)布了首款千元級(jí)別AI融合定位終端，可以滿足全場(chǎng)景全天侯的高精度定位要求。

此外，高精度定位網(wǎng)絡(luò)也是眾包高精度地圖方案的剛需。要打造全國(guó)高精度地圖“一張網(wǎng)”，離不開(kāi)覆蓋全國(guó)的高精度定位網(wǎng)。

目前，星輿科技的高精地圖方案采用“機(jī)器視覺(jué)+RTK+IMU”的云端地圖實(shí)時(shí)采集更新技術(shù)。除了豐富的道路元素?cái)?shù)據(jù)信息，不僅有高精度的坐標(biāo)，還有準(zhǔn)確的道路形狀，具有每個(gè)車道的坡度、曲率、航向、高程、側(cè)傾的數(shù)據(jù)。

杜洪偉介紹，星輿科技的高精度地圖數(shù)據(jù)采集已經(jīng)覆蓋珠三角，采集端主要是依靠出租車、物流車上搭載的終端（終端體積小，直接安裝在前擋風(fēng)玻璃），采集地圖的數(shù)據(jù)。

同時(shí)，星輿科技的所有的地圖都是在云端實(shí)時(shí)更新，地圖的精度通過(guò)打點(diǎn)采集和多源測(cè)量進(jìn)行驗(yàn)證，定位精度可以做到20厘米級(jí)，并且做到室內(nèi)室外一體化。

杜洪偉介紹，眾包高精度地圖采集終端結(jié)合多源融合定位技術(shù)，定位和測(cè)量精度均可達(dá)到厘米級(jí)，采用云端自動(dòng)化的處理，自動(dòng)化的程度當(dāng)前已經(jīng)達(dá)到90%以上，同時(shí)星輿科技的相關(guān)算法和云端處理還在繼續(xù)做優(yōu)化。