高階自動(dòng)駕駛落地“變局” 4D毫米波成像雷達(dá)有何作用

　　馬斯克或?qū)⒅厥?a href="http://ttokpm.com/v/tag/4084/" target="_blank">毫米波雷達(dá)

　　近日，海外媒體曝出特斯拉已向歐洲監(jiān)管機(jī)構(gòu)提交車輛變更申請(qǐng)，并猜測(cè)特斯拉最新的自動(dòng)駕駛硬件HW4.0或?qū)⒑芸炝慨a(chǎn)上車。據(jù)爆料，HW4.0最大的變化是馬斯克放棄的毫米波雷達(dá)又加了回來，根據(jù)國外知名博主Greentheonly的拆解分析，新加的雷達(dá)很有可能是高分辨率毫米波雷達(dá)。早在去年6月，特斯拉就向美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）申請(qǐng)?jiān)谄潆妱?dòng)汽車中使用全新的高分辨率雷達(dá)。 馬斯克作為創(chuàng)新技術(shù)的先鋒者和技術(shù)普惠主義的踐行者，一直倡導(dǎo)特斯拉盡可能少地使用傳感器，一是為了降低成本，二是可以減少數(shù)據(jù)融合與處理給自動(dòng)駕駛系統(tǒng)造成的挑戰(zhàn)?；谠诩円曈X感知技術(shù)上的領(lǐng)先性，馬斯克不僅公開鄙視激光雷達(dá)，還先后移除了特斯拉的毫米波雷達(dá)和超聲波雷達(dá)，自此成為“雷達(dá)殺手”，堅(jiān)持用“8攝像頭”純視覺方案實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛。不過即便對(duì)純視覺路線十分自信，馬斯克也曾“曖昧”地表示“高分辨率的毫米波雷達(dá)勝過純視覺?！?/p>

　　此次馬斯克重拾毫米波雷達(dá)，表面上看是用多傳感融合感知路線打了純視覺感知路線的臉，不過結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)細(xì)究其背后的動(dòng)機(jī)，或許能夠因此看到自動(dòng)駕駛產(chǎn)業(yè)更加光明的未來。

　　自動(dòng)駕駛汽車發(fā)展到今天，智能化程度越來越高，而自動(dòng)駕駛的終極目標(biāo)就是推動(dòng)汽車能夠像人類一樣感知、認(rèn)知并行動(dòng)，最終不再需要人類駕駛員介入以實(shí)現(xiàn)無人駕駛。這一點(diǎn)與人工智能發(fā)展的趨勢(shì)一致，人工智能的終極目標(biāo)就是達(dá)到具備認(rèn)知推理能力的類腦智能。認(rèn)知，即基于感知到的信息進(jìn)行加工，進(jìn)而主動(dòng)思考和理解，感知只是認(rèn)知的基礎(chǔ)。人工智能時(shí)代的自動(dòng)駕駛只有具備了認(rèn)知能力，自動(dòng)駕駛汽車才能更聰明地執(zhí)行相應(yīng)的決策。 擅長利用第一性原理探索事物本質(zhì)的馬斯克，正是無人駕駛目標(biāo)的堅(jiān)定執(zhí)行者。從更接近無人駕駛的角度再次考量特斯拉的自動(dòng)駕駛感知路線，無論是對(duì)純視覺路線的堅(jiān)持，還是如今對(duì)于超高分辨率雷達(dá)的認(rèn)可，馬斯克似乎都在做同一個(gè)選擇，那就是不斷提升自動(dòng)駕駛感知系統(tǒng)的認(rèn)知能力。 認(rèn)知對(duì)于具有語義分割和理解能力的可見光攝像頭而言具有天然優(yōu)勢(shì)，不過對(duì)于毫米波雷達(dá)而言，或許需要艱難的跨越。但顯然馬斯克已經(jīng)找到了正解——超高分辨率毫米波雷達(dá)。

　　4D毫米波成像雷達(dá)是何方神圣

　　為實(shí)現(xiàn)盲點(diǎn)檢測(cè)和定距巡航等功能而存在的傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)，已在汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用多年，其所擁有的全天候全天時(shí)感知特性以及精準(zhǔn)測(cè)速特性，使得毫米波雷達(dá)成為汽車感知系統(tǒng)中重要的傳感器之一。 但由于傳統(tǒng)車載毫米波雷達(dá)測(cè)高能力不足，對(duì)于路邊低矮目標(biāo)、空中目標(biāo)以及路面靜態(tài)目標(biāo)的區(qū)分和識(shí)別存在較大局限性，整體輸出信息量與可見光攝像頭、激光雷達(dá)的信息輸出不在同一量級(jí)，所以在自動(dòng)駕駛感知系統(tǒng)中的參與度和置信度并不高，無法深度參與自動(dòng)駕駛感知過程。馬斯克就曾表示，攝像頭的信息量已經(jīng)比雷達(dá)高上幾個(gè)數(shù)量級(jí)，加入雷達(dá)的數(shù)據(jù)實(shí)際上降低了信噪比。 面對(duì)自動(dòng)駕駛對(duì)感知可靠性和安全性越來越高的要求，一種高信息質(zhì)量、高性價(jià)比的超高分辨率毫米波雷達(dá)為自動(dòng)駕駛感知系統(tǒng)創(chuàng)造出了新的想象空間，也就是近來備受產(chǎn)業(yè)關(guān)注和投資者青睞的“4D成像雷達(dá)”。

　　4D成像雷達(dá)全稱為“4D毫米波成像雷達(dá)”，“4D”是相對(duì)于傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)（也即3D雷達(dá)）僅有距離（Range）、速度（Velocity）、方位角（Azimuth）三個(gè)維度的信息而言，增加了俯仰角度（Elevation）的信息感知能力，可對(duì)縱向目標(biāo)進(jìn)行高分辨率地識(shí)別；“成像”則類似于激光雷達(dá)的點(diǎn)云成像效果，與傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)相比，4D成像雷達(dá)的射頻收發(fā)通道數(shù)量多出十倍以上，隨著俯仰角分辨率大大提高，能夠?qū)δ繕?biāo)和環(huán)境呈現(xiàn)出豐富的點(diǎn)云圖像以及距離、速度和角度信息。 由于當(dāng)前業(yè)界對(duì)于4D成像雷達(dá)缺乏統(tǒng)一的定義，坊間經(jīng)常將“4D毫米波成像雷達(dá)”與“4D毫米波雷達(dá)”相混淆，但二者其實(shí)是兩種完全不同性質(zhì)的毫米波雷達(dá)。

　　4D毫米波雷達(dá)只是在傳統(tǒng)3D雷達(dá)的基礎(chǔ)上增加了俯仰角度的測(cè)量，俯仰向分辨能力較低，此時(shí)俯仰角度的信息測(cè)量誤差較大，因此通過角度信息計(jì)算出的高度信息精度依然不高。同時(shí)4D毫米波雷達(dá)相較于傳統(tǒng)3D雷達(dá)的輸出測(cè)量點(diǎn)僅僅只有少量增加，因此4D毫米波雷達(dá)本質(zhì)上仍屬于點(diǎn)跡雷達(dá)的范疇。而只有4D毫米波成像雷達(dá)真正完成了從點(diǎn)跡雷達(dá)向成像雷達(dá)的進(jìn)化。 4D成像雷達(dá)相較于傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)有著質(zhì)的飛越，使得毫米波雷達(dá)不僅能感知目標(biāo)的有無，還能勾勒出目標(biāo)的輪廓，這在傳統(tǒng)毫米波點(diǎn)跡雷達(dá)時(shí)代是難以想象的?；诖耍鎸?duì)智能化程度越來越高的自動(dòng)駕駛，毫米波雷達(dá)力不從心的尷尬局面也將迎來扭轉(zhuǎn)。

　　“4D成像雷達(dá)的出現(xiàn)，將顯著提高毫米波雷達(dá)在自動(dòng)駕駛感知中的參與度，”上海幾何伙伴智能駕駛有限公司產(chǎn)品總監(jiān)周明宇對(duì)4D成像雷達(dá)抱有極大期待，“因?yàn)?D成像雷達(dá)可以對(duì)目標(biāo)的四大維度進(jìn)行檢測(cè)，能夠輸出高密度高質(zhì)量的點(diǎn)云信息以實(shí)現(xiàn)成像。基于豐富的環(huán)境與目標(biāo)信息輸出，再引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)與處理，可以對(duì)更多復(fù)雜場(chǎng)景下的動(dòng)靜態(tài)目標(biāo)進(jìn)行更為精準(zhǔn)的檢測(cè)，同時(shí)也為毫米波雷達(dá)從感知走向認(rèn)知打下了基礎(chǔ)?！?除此之外，“4D成像雷達(dá)的出現(xiàn)使得毫米波雷達(dá)在應(yīng)對(duì)智能駕駛或自動(dòng)駕駛中的一些邊緣場(chǎng)景（corner case）時(shí)也有了用武之地。”據(jù)周明宇透露，“我們的4D成像雷達(dá)正是為應(yīng)對(duì)一些邊緣場(chǎng)景的需求而研發(fā)的，比如對(duì)高度維障礙物的識(shí)別，最典型的就是隧道，以及惡劣天氣環(huán)境、復(fù)雜交通場(chǎng)景等等。自動(dòng)駕駛需要自車周圍完整豐富的環(huán)境信息和目標(biāo)信息，基于這些信息完成智駕功能，比如AVP、APA、FREESPACE等?！?/p>

　　高階自動(dòng)駕駛落地“變局”

　　正如人工智能發(fā)展到類腦智能需要不斷提高認(rèn)知推理能力，高階自動(dòng)駕駛的發(fā)展同樣需要具備認(rèn)知能力，這對(duì)作為認(rèn)知基礎(chǔ)的感知系統(tǒng)提出了更高的要求。現(xiàn)階段最為主流的自動(dòng)駕駛感知傳感器主要有可見光攝像頭、激光雷達(dá)以及毫米波雷達(dá)三大類，其中可見光攝像頭和激光雷達(dá)同屬光學(xué)傳感器，毫米波雷達(dá)屬于射頻傳感器，馬斯克如今選擇重拾毫米波雷達(dá)，客觀上促成了異構(gòu)信息的冗余。

　　隨著多傳感器的使用，異構(gòu)信息的大量冗余，對(duì)于融合感知算法也帶來新的技術(shù)要求。 將多傳感器信息融合在一起，市場(chǎng)上主流有兩種方式，前融合和后融合。4D成像雷達(dá)更加有利于實(shí)現(xiàn)多傳感器的前融合，降低差異度，但同時(shí)需要匹配足夠優(yōu)化的融合算法。 高階自動(dòng)駕駛行業(yè)發(fā)展也正在走上一條加速反饋的路程，通過傳感器增加感知信息，從而推動(dòng)認(rèn)知算法的發(fā)展；由于認(rèn)知算法的計(jì)算需求，增加對(duì)于芯片處理器的算力要求?；趥鞲衅?，認(rèn)知算法，芯片的三駕馬車，進(jìn)而推動(dòng)高階自動(dòng)駕駛的快速發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)融合認(rèn)知，各種復(fù)雜場(chǎng)景、惡劣天候下的全無人駕駛或許才能真正像人類一樣思考和行動(dòng)。 而第一個(gè)破局點(diǎn)，4D成像雷達(dá)的出現(xiàn)，以其海量信號(hào)級(jí)信息的釋放，提高了輸出信息的完整性，為異構(gòu)信息融合認(rèn)知的實(shí)現(xiàn)增加了可能性，同時(shí)也為高階自動(dòng)駕駛開辟了一條高性價(jià)比、能快速商業(yè)化落地的技術(shù)路徑。4D成像雷達(dá)既保留了傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)的性能特點(diǎn)——具備速度感知能力和全天候全天時(shí)特性且成本低，也能憑借足夠豐富的信息量去和可見光攝像頭、激光雷達(dá)等傳感器形成融合。

　　或許正是因?yàn)橐庾R(shí)到這一點(diǎn)，如今4D成像雷達(dá)越來越被寄予助力高階自動(dòng)駕駛落地的厚望。國際上，不僅博世、大陸、采埃孚、電裝等在加大力度布局，全球ADAS視覺感知方案巨頭Mobileye也加快了對(duì)成像雷達(dá)研發(fā)的進(jìn)程，其雷達(dá)副總裁兼總經(jīng)理Yaniv Avital就曾表示：“通過提供豐富可靠的數(shù)據(jù)輸出，升級(jí)雷達(dá)4D感知功能，并減少對(duì)多個(gè)激光雷達(dá)傳感器的需求，是大勢(shì)所趨?！?/p>

　　在國內(nèi)，4D成像雷達(dá)也引起了主機(jī)廠、產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)商以及科技公司的廣泛關(guān)注。從2021年開始，可以明顯感覺到行業(yè)中關(guān)于4D成像雷達(dá)的消息漸多，當(dāng)年官宣下場(chǎng)造車的小米和百度一起投資了一家自動(dòng)駕駛整體解決方案供應(yīng)商——幾何伙伴，該公司就是基于自主研發(fā)的4D成像雷達(dá)結(jié)合可見光視覺和紅外成像等，打造“融合感知＋智能決策”的自動(dòng)駕駛軟硬件集成系統(tǒng)。 公開資料顯示，幾何伙伴以“低成本、全天候、高可靠、易量產(chǎn)”的自動(dòng)駕駛技術(shù)路線為主，創(chuàng)新性地將4D成像雷達(dá)海量信號(hào)級(jí)信息進(jìn)行釋放，有效提高了輸出信息的完整性，避免了傳統(tǒng)經(jīng)典算法對(duì)弱目標(biāo)、靜態(tài)目標(biāo)等信息造成的過度過濾。其自主研發(fā)的4D成像雷達(dá)，已經(jīng)具有目標(biāo)跟蹤定位、可行駛區(qū)域檢測(cè)以及自動(dòng)泊車等能力，助力自動(dòng)駕駛實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的環(huán)境認(rèn)知和更加可靠的決策。

　　除此之外，幾何伙伴還基于4D成像雷達(dá)生成的點(diǎn)云圖像與可見光攝像頭生成的視覺圖像進(jìn)行異構(gòu)信息融合，研發(fā)出雷視像素級(jí)融合感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了信息加強(qiáng)和信息互補(bǔ)，提升系統(tǒng)感知能力的同時(shí)增加了安全冗余。同時(shí)，幾何伙伴采用4D成像雷達(dá)結(jié)合魚眼環(huán)視相機(jī)實(shí)現(xiàn)雷視雙維SLAM技術(shù)，大幅提升建圖定位精度和魯棒性，并且引入停車位等語義地圖信息，進(jìn)一步提升后續(xù)泊車時(shí)車位檢測(cè)的準(zhǔn)確性，為智能泊車應(yīng)用提供低成本、易量產(chǎn)、高可靠的軟硬一體化定位感知方案，展示了4D成像雷達(dá)在行泊一體方案中的廣闊應(yīng)用前景。 汽車智能化變革已成風(fēng)口的當(dāng)下，通過全球科技企業(yè)在自動(dòng)駕駛行業(yè)中的動(dòng)作似乎可以捕捉到些許風(fēng)向：4D成像雷達(dá)和異構(gòu)信息融合認(rèn)知技術(shù)也許就是未來高階自動(dòng)駕駛落地的關(guān)鍵，掌握對(duì)于這些技術(shù)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，也就提前拿到了自動(dòng)駕駛商業(yè)化落地的入場(chǎng)券。或許正是以上原因，讓幾何伙伴在2022年又成功獲得了德國博世和國際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)（SAE International）的戰(zhàn)略投資。據(jù)了解，幾何伙伴將于近期完成A1輪融資。

　　結(jié)語

　　相對(duì)市場(chǎng)發(fā)展已經(jīng)十分成熟的傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)，4D成像雷達(dá)還是比較新鮮的事物，國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)大多處于同一起跑線上，不過即便如此，不同的技術(shù)路線、戰(zhàn)略視野以及研發(fā)布局，也影響著每家企業(yè)距離成功商業(yè)化落地沖刺線的位置，對(duì)于國內(nèi)本土的科創(chuàng)企業(yè)而言，其中蘊(yùn)藏了絕佳的機(jī)遇。 回到當(dāng)下自動(dòng)駕駛技術(shù)向高階躍遷之際，4D成像雷達(dá)作為自動(dòng)駕駛認(rèn)知的新入局者，已展示出自身不俗的性能優(yōu)勢(shì)。自動(dòng)駕駛的未來，異構(gòu)信息融合認(rèn)知或?qū)⒊蔀楦唠A自動(dòng)駕駛的感知形態(tài)，4D成像雷達(dá)作為其中打通感知層，補(bǔ)齊性能短板的重要傳感器，正在為自動(dòng)駕駛發(fā)展醞釀一場(chǎng)變局，高階自動(dòng)駕駛時(shí)代的來臨或許比我們想象的更快。

　　編輯：黃飛