自動(dòng)駕駛感知系統(tǒng)常用方案，及其各自技術(shù)方法、特點(diǎn)和應(yīng)用情況

自動(dòng)駕駛汽車是汽車電子、智能控制以及互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物，其原理為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)利用感知系統(tǒng)，獲取車輛自身以及外界環(huán)境信息，經(jīng)過(guò)計(jì)算系統(tǒng)分析信息、做出決策，控制執(zhí)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車輛加速、減速或轉(zhuǎn)向，從而在無(wú)需駕駛員介入的情況下，完成自動(dòng)行駛。2013年，美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局（NHTSA）根據(jù)輔助控制系統(tǒng)的自動(dòng)化功能，將自動(dòng)駕駛技術(shù)分為0~4級(jí)，如表1所示。從表1可了解到，自動(dòng)駕駛的發(fā)展升級(jí)是從輔助駕駛到主宰駕駛，從提供單一功能、應(yīng)對(duì)簡(jiǎn)單場(chǎng)景，到可掌控所有場(chǎng)合，完全解放駕駛?cè)?。期間，感知系統(tǒng)需不斷提高獲取周邊環(huán)境信息的全面性、準(zhǔn)確性和高效性，它是自動(dòng)駕駛的基礎(chǔ)，也是貫穿升級(jí)的核心部分。本文將介紹自動(dòng)駕駛感知系統(tǒng)常用方案，及其各自技術(shù)方法、特點(diǎn)和應(yīng)用情況。

1 系統(tǒng)框架

自動(dòng)駕駛汽車首先應(yīng)有一套完整的感知系統(tǒng)，代替駕駛?cè)说母兄?，提供周圍環(huán)境信息；其次應(yīng)有一套集智能算法、高性能硬件于一體的控制系統(tǒng)，代替駕駛?cè)说拇竽X，制定駕駛指令、規(guī)劃行駛路徑；最后還需一套完善縝密的執(zhí)行系統(tǒng)，可以代替駕駛員的手腳動(dòng)作，執(zhí)行駕駛指令、控制車輛狀態(tài)。其中，感知系統(tǒng)應(yīng)包括環(huán)境感知、內(nèi)部感知、駕駛?cè)烁兄?。其中?nèi)部感知主要是通過(guò)CAN總線采集車內(nèi)各電子控制單元信息，以及裝載在車上的各類傳感器實(shí)時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，來(lái)獲取車輛狀態(tài)，包括車體（車內(nèi)外溫度、空氣流量、胎壓），動(dòng)力（油壓、轉(zhuǎn)速、機(jī)油），車輛安全（安全帶、氣囊、門窗鎖）等；駕駛?cè)烁兄峭ㄟ^(guò)人機(jī)交互界面或傳感器獲取駕駛?cè)瞬倏?、手?shì)、語(yǔ)音等控制指令，以及面部表情等檢測(cè)信息，用來(lái)接收控制命令、檢測(cè)駕駛?cè)藸顟B(tài)。本文介紹的感知系統(tǒng)針對(duì)環(huán)境感知、自動(dòng)駕駛感知系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)，其功能是實(shí)時(shí)獲取周邊物體、行駛路況、導(dǎo)航定位、天氣、停車場(chǎng)等信息。自動(dòng)駕駛系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 感知系統(tǒng)

感知系統(tǒng)目的包括：①安全性：實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確識(shí)別周邊影響交通安全的物體，應(yīng)對(duì)突發(fā)事件，為采取必要操作以避免發(fā)生交通安全事故；②通過(guò)性：基于自身行駛性能、周邊路況和共識(shí)規(guī)則，能夠?qū)崟r(shí)、可靠、準(zhǔn)確識(shí)別并規(guī)劃出可保證規(guī)范、安全、迅速到達(dá)目的地的行駛路徑；③經(jīng)濟(jì)舒適性：為車輛高效、經(jīng)濟(jì)、平順行駛提供參考依據(jù)。目前，感知系統(tǒng)主要是利用傳感器、定位導(dǎo)航 、車聯(lián)通信（VehicIe-to-X，V2X）3種技術(shù)組合實(shí)現(xiàn)上述目的。

2.1 傳感器

傳感器感知的對(duì)象包括行駛路徑、周圍障礙物和行駛環(huán)境等。感知行駛路徑是對(duì)可通行性道路的識(shí)別，在城市中包括信號(hào)燈、各種標(biāo)志牌、車道線、路障等目標(biāo)的識(shí)別；在野外包括車輛前方路面平坦情況、可通行道路分析等。感知周圍障礙物是識(shí)別影響自動(dòng)駕駛車輛行駛的靜止或者移動(dòng)的各種障礙物，包括路面上的車輛、行人、路障等。感知行駛環(huán)境是判別對(duì)自動(dòng)駕駛車輛行駛影響比較大的變化環(huán)境，例如路面、交通與天氣等。

主流的傳感器感知技術(shù)包括視覺(jué)感知、激光感知、微波感知等。視覺(jué)感知是基于攝像頭采集的圖像信息，使用視覺(jué)相關(guān)算法進(jìn)行處理，認(rèn)知周圍環(huán)境；激光感知是基于激光雷達(dá)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)濾波、聚類等技術(shù)，對(duì)環(huán)境進(jìn)行感知；微波感知是基于微波雷達(dá)采集的距離信息，使用距離相關(guān)算法進(jìn)行處理，認(rèn)知周圍環(huán)境。3種環(huán)境感知方法的比較如表2所示。根據(jù)各類傳感器技術(shù)特點(diǎn)，不同應(yīng)用場(chǎng)景和系統(tǒng)功能需求下，應(yīng)選不同的傳感器技術(shù)。例如，在高速公路環(huán)境下，由于車輛速度較快，通常選用檢測(cè)距離較大的微波感知；在城市環(huán)境中，由于環(huán)境復(fù)雜，通常選擇檢測(cè)角度較大、信息量豐富的激光、視覺(jué)感知技術(shù)。

現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的各類高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)ADAS使用各類傳感器，實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的輔助駕駛功能，為實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)駕駛奠定了基礎(chǔ)，如圖2所示。但單一傳感器獲取周圍信息時(shí)，安全性、整體性都相對(duì)較差。隨著傳感器和信息融合技術(shù)的快速發(fā)展，不同傳感器信息在時(shí)間和空間維度上的高精度數(shù)據(jù)融合成為可能，多傳感器融合技術(shù)趨于成熟。它可更精確地獲取目標(biāo)信息，完成障礙物的檢測(cè)，是未來(lái)研發(fā)和應(yīng)用的趨勢(shì)。目前，參與歐盟PROTECTOR計(jì)劃的主要汽車廠商已開始研究雷達(dá)傳感器（激光雷達(dá)、微波雷達(dá)）和光學(xué)傳感器 （普通光學(xué)攝像頭、紅外攝像頭）的融合技術(shù)，開發(fā)了行人安全檢測(cè)系統(tǒng)。

2.2 定位導(dǎo)航

傳感器感知系統(tǒng)雖然可以為自動(dòng)駕駛汽車提供周邊環(huán)境信息，但難以實(shí)現(xiàn)全局環(huán)境的高精度定位，在大范圍環(huán)境感知、規(guī)劃行車路徑、經(jīng)濟(jì)舒適駕駛等方面存在不足。定位導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用車輛定位技術(shù)、地理信息系統(tǒng)（Geographical Information System，GIS）、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、信息技術(shù)、多媒體以及遠(yuǎn)程通信技術(shù)，為車輛提供全局定位、路線設(shè)計(jì)、路徑引導(dǎo)、綜合信息等功能，將車輛與環(huán)境有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)超視距感知輔助，規(guī)劃行車路徑，提高行駛平順性、經(jīng)濟(jì)性。

定位導(dǎo)航系統(tǒng)首要功能是提供車輛位置、速度、航向等信息，而精確、可靠的車輛定位是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能的前提和基礎(chǔ)。常用的定位技術(shù)主要有衛(wèi)星定位、慣性導(dǎo)航（Inertial Navigation System，INS）、航跡推算（Dead-Reckoning，DR）、地圖匹配（Map Matching，MM）和傳感器感知等技術(shù)。其中，主要的衛(wèi)星定位系統(tǒng)有美國(guó)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS），歐洲空間局的伽利略定位系統(tǒng)（NAVSAT），俄羅斯的格洛納斯定位系統(tǒng) （GLONASS），中國(guó)的北斗2代定位系統(tǒng)。

常見的定位導(dǎo)航方法包括高精度GPS導(dǎo)航、磁導(dǎo)航、慣性傳感器導(dǎo)航，其特點(diǎn)對(duì)比見表3?；谌魏我粋€(gè)單一定位技術(shù)的系統(tǒng)都有本身無(wú)法克服的短處，隨著應(yīng)用場(chǎng)合與環(huán)境的不斷復(fù)雜變化，組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)成為研究應(yīng)用熱點(diǎn)。

1）GPS／INS組合導(dǎo)航技術(shù)是目前最常見的組合導(dǎo)航系統(tǒng)之一，它利用INS短期定位精度與數(shù)據(jù)采樣頻率較高的特點(diǎn)，為GPS系統(tǒng)提供相關(guān)輔助信息，使GPS能夠保持較低的跟蹤帶寬；GPS相對(duì)高精度的輸出信息可以估計(jì)出INS系統(tǒng)的誤差參數(shù)，并控制其隨時(shí)間的積累誤差。簡(jiǎn)而言之，GPS輸出的位置和速度信息有利于提高INS導(dǎo)航解算精度，而INS可以在GPS衛(wèi)星信號(hào)覆蓋不好的區(qū)域或位置，短時(shí)間內(nèi)提高組合導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。

2）GPS／INS／GIS組合導(dǎo)航技術(shù)是在GPS／INS系統(tǒng)獲取車輛定位信息后，進(jìn)一步通過(guò)GIS系統(tǒng)中地圖匹配算法將定位數(shù)據(jù)與電子地圖進(jìn)行匹配，對(duì)車輛位置進(jìn)行實(shí)時(shí)加權(quán)修正。該組合導(dǎo)航技術(shù)能有效克服GPS信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間受阻、定位間斷或失效時(shí)，慣性導(dǎo)航定位誤差積累偏大的問(wèn)題，提高了導(dǎo)航定位的精度、擴(kuò)展了使用范圍。同時(shí)，此技術(shù)不用增加額外的車載硬件設(shè)備，僅僅通過(guò)軟件的方法即可提高車輛的定位精度，降低了導(dǎo)航系統(tǒng)的成本。但需要滿足以下2個(gè)條件：①車輛始終行駛在路網(wǎng)中的道路上；②電子地圖數(shù)據(jù)誤差小于GPS定位誤差。

3）高精度智能地圖導(dǎo)航技術(shù)是在高精度地圖基礎(chǔ)上，通過(guò)云端數(shù)據(jù)庫(kù)既提供包括高速公路、城市道路、交通信號(hào)標(biāo)志等永久數(shù)據(jù)，又提供交通路況、臨時(shí)交通管制、重要路段人流數(shù)據(jù)分析等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。結(jié)合自動(dòng)駕駛汽車自身的傳感器信息，充分實(shí)現(xiàn)宏觀道路匹配、微觀精確定位以及動(dòng)態(tài)全局環(huán)境感知。其中，高精度地圖主要是利用攝像頭采集圖像、激光雷達(dá)3D掃描、GPS定位軌跡等技術(shù)，整合多種數(shù)據(jù)搭建道路三維模型，包含了路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、道路標(biāo)線、交通標(biāo)志、路邊街景等海量數(shù)據(jù)；云端數(shù)據(jù)庫(kù)不斷收集路上行駛車輛傳送來(lái)的最新信息，經(jīng)過(guò)分析確認(rèn)后，更新高精度地圖，并將信息發(fā)送給其他車輛。

目前，美國(guó)谷歌公司，德國(guó)奧迪、寶馬、戴姆勒聯(lián)手收購(gòu)的Here，中國(guó)阿里巴巴收購(gòu)的高德，荷蘭TomTom等地圖公司，日本豐田、日產(chǎn)汽車公司，以及德國(guó)大陸、博世等頂級(jí)汽車零部件公司，均在開發(fā)適合自動(dòng)駕駛的高精度地圖。比如谷歌車隊(duì)使用激光掃描儀和GPS以及其他傳感器來(lái)繪制周圍環(huán)境圖；寶馬將激光掃描儀安裝在前保險(xiǎn)杠下面，用來(lái)生成車輛前方的路況信息；博世使用雷達(dá)和超聲波傳感器、立體聲攝像機(jī)和一個(gè)安裝在車頂?shù)男D(zhuǎn)激光掃描儀來(lái)收集數(shù)據(jù)，生成詳細(xì)的周圍環(huán)境3D地圖；豐田將GPS數(shù)據(jù)信息和地面攝像頭獲取的圖像打包發(fā)送至數(shù)據(jù)中心，將二者整合、更新，最終形成一套高精度的地圖。

2.3 車聯(lián)通信

車聯(lián)通信（VehicIe-to-X，V2X）是一種強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)交換的無(wú)線通信技術(shù)。用以實(shí)現(xiàn)車與車（VehicIe-toVehicIe，V2V）、車與基礎(chǔ)設(shè)施（VehicIe-to-Infrastructure，V2I）、車與人（Vehicle-to-Pedestrians，V2P）、車與騎行者等之間的信息交換。V2X技術(shù)是車聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，它能夠使車與車、設(shè)施、行人進(jìn)行對(duì)話，將各自信息進(jìn)行交換，為自動(dòng)駕駛提供先驗(yàn)信息，提高環(huán)境識(shí)別效率和準(zhǔn)確率，消除視野盲點(diǎn)安全隱患，起到提高車輛運(yùn)行安全和疏導(dǎo)交通流量等作用。NHTSA曾預(yù)測(cè)，對(duì)于中輕型車輛V2V安全技術(shù)能夠避免80%的交通事故，重型車V2V安全技術(shù)能夠避免71%的交通事故，V2I能夠避免12%的道路安全事故。通過(guò)V2X車聯(lián)網(wǎng)能夠有效降低交通事故造成的損失。

支持車輛在高速移動(dòng)的環(huán)境下實(shí)時(shí)可靠通信的無(wú)線通信技術(shù)是V2X車聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，它直接決定了信息交互的實(shí)時(shí)性和有效性。NHTSA提出的V2X車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的通信需求包括：①極短的網(wǎng)絡(luò)接入時(shí)間；②低傳輸時(shí)延；③高傳輸可靠性；④高信息安全性和隱私保護(hù)；⑤在有限的范圍內(nèi)，使頻譜再利用和低干擾；⑥擁有足夠的通信帶寬。

具體指標(biāo)為：①時(shí)延要求在100ms左右；②典型傳輸距離為50~500m；③車車通信的數(shù)據(jù)包大小在100字節(jié)內(nèi)；④車路通信的數(shù)據(jù)包大小在340字節(jié)內(nèi)。各國(guó)的研究組織和企業(yè)基于目前專用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）、WiFi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、微波存取全球互通（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMax）、長(zhǎng)期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）等通用無(wú)線通信技術(shù)，提出了多種針對(duì)上述要求的技術(shù)方案。其中，DSRC技術(shù)具有傳輸速率高、延遲短、支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信等特點(diǎn)，且技術(shù)成熟度和標(biāo)準(zhǔn)化水平高，是目前主流的V2X車聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)。表4為常用無(wú)線通信技術(shù)比較。

DSRC一般泛指所有短距離的無(wú)線通信技術(shù)，包含不同的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，主要工作在5.8~5.9 GHz頻段之間，包括專用短程通信協(xié)議 、路側(cè)單元（Road Side Unit，RSU）、車載單元（On Board Unit，OBU）三部分。早在1999年，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)已規(guī)定5.9GHz頻段（5.875~5.925 GHz）專門用于車聯(lián)通信研究。根據(jù)美國(guó)制定的DSRC標(biāo)準(zhǔn)，DSRC通信協(xié)議下層的物理層和介質(zhì)訪問(wèn)控制層（Medium Access Control，MAC）采用IEEE 802.11p協(xié)議，上層采用IEEE 1609協(xié)議。其中，IEEE 802.11p是針對(duì)V2X車聯(lián)網(wǎng)對(duì)高數(shù)據(jù)速率和高速移動(dòng)性的通信要求，基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的一個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)。它改進(jìn)了信息傳輸機(jī)制、支持高速移動(dòng)互聯(lián)、增強(qiáng)了安全性和身份認(rèn)證。IEEE 1609協(xié)議是以IEEE 802.1lp通信協(xié)議為基礎(chǔ)的高層系列標(biāo)準(zhǔn)，用于提供資源管理、應(yīng)用程序和管理信息安全加密、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、通道協(xié)調(diào)。DSRC協(xié)議對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

目前，DSRC在美國(guó)、歐洲、日本等地歷經(jīng)十多年發(fā)展，已在多個(gè)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目中研究推廣，如美國(guó)IntelliDrive項(xiàng)目、歐洲CVIS（Cooperative Vehicle Infrastructure Systems）項(xiàng)目、日本Smartway計(jì)劃，并且美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)、歐洲電信化標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)、國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)組織均制定了近似的通信標(biāo)準(zhǔn)。企業(yè)方面，恩智浦、意法半導(dǎo)體等半導(dǎo)體供應(yīng)商，大陸、德爾福等零部件供應(yīng)商都開發(fā)了相應(yīng)產(chǎn)品；通用汽車宣布將在2017年款凱迪拉克CTS上率先搭載采用DSRC技術(shù)的V2X系統(tǒng)，通過(guò)與GPS相結(jié)合，該系統(tǒng)能夠精確獲取周圍300m內(nèi)其他車輛的準(zhǔn)確位置和行駛狀況。

3 總結(jié)

感知系統(tǒng)將真實(shí)世界的視覺(jué)、物理、事件等信息轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，為車輛了解周邊環(huán)境、制定駕駛操作提供了基本保障。本文從傳感器、定位導(dǎo)航、車聯(lián)通信3個(gè)技術(shù)方向介紹了感知系統(tǒng)。其中，傳感器技術(shù)能夠及時(shí)、快速掌握局部范圍內(nèi)各種人車路信息，有效應(yīng)對(duì)周邊突發(fā)事件；導(dǎo)航定位可確定車輛與路網(wǎng)其他單元的位置關(guān)系，提供全局視野，用于規(guī)劃路徑、優(yōu)化駕駛體驗(yàn)；車聯(lián)通信可使人、車、路信息互聯(lián)共享，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地大范圍、全方位感知環(huán)境信息，有效彌補(bǔ)傳感器感知范圍有限、易受環(huán)境影響，定位導(dǎo)航感知實(shí)時(shí)性差、感知內(nèi)容有限等缺陷。目前，各大汽車制造商正致力于自動(dòng)駕駛汽車實(shí)用化研發(fā)和商業(yè)化推廣。多種技術(shù)融合的感知系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高等級(jí)自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵技術(shù)，很大程度上決定著自動(dòng)駕駛發(fā)展進(jìn)程，間接影響著將來(lái)自動(dòng)駕駛汽車的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)測(cè)試方法、安全等級(jí)評(píng)價(jià)等產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)則，以及交通規(guī)劃、車輛及駕駛?cè)斯芾淼壬鐣?huì)治理規(guī)則。