趙 佳，劉清波

(中通客車(chē)控股股份有限公司，山東聊城 252000)

高精定位導(dǎo)航技術(shù)是自動(dòng)駕駛汽車(chē)安全行駛不可或缺的核心技術(shù)之一，在車(chē)輛橫向/縱向精確定位、障礙物檢測(cè)與碰撞避讓、智能車(chē)速控制、路徑規(guī)劃及行為決策等方面發(fā)揮著重要作用［1］。本文分析高精定位的技術(shù)路線與工作原理，研究其在自動(dòng)駕駛汽車(chē)應(yīng)用過(guò)程中的優(yōu)劣勢(shì)特點(diǎn)，更好地服務(wù)并促進(jìn)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的發(fā)展。

1 自動(dòng)駕駛汽車(chē)對(duì)定位系統(tǒng)的需求分析

人類開(kāi)車(chē)不需要知道車(chē)輛的經(jīng)緯度，而自動(dòng)駕駛汽車(chē)一定要知道其絕對(duì)定位信息，本質(zhì)原因在于兩者環(huán)境感知能力的差異。人類可以憑雙眼和一些記憶、知識(shí)就能比較準(zhǔn)確地得出周?chē)目尚旭倕^(qū)域、道路邊界、車(chē)道線、障礙物、交通規(guī)則等關(guān)鍵信息，并據(jù)此控制汽車(chē)安全行駛。但是目前用于汽車(chē)的環(huán)境感知傳感器和算法還無(wú)法達(dá)到人類同樣的感知性能，自動(dòng)駕駛汽車(chē)對(duì)于周邊環(huán)境的理解需要高精定位、高精地圖、聯(lián)合感知等技術(shù)的支持［2］。

自動(dòng)駕駛汽車(chē)能夠持續(xù)安全可靠運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵前提是車(chē)輛的定位系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)穩(wěn)定地輸出足夠高精度的位置和與位置相關(guān)的信息，這些信息包括車(chē)輛的經(jīng)度、緯度、航向角、速度、加速度、俯仰角、更新頻率等。一旦這些信息無(wú)法及時(shí)精確地獲取，車(chē)輛就無(wú)法確定自身位置，必須立即退出自動(dòng)駕駛模式由駕駛員接管車(chē)輛。

自動(dòng)駕駛汽車(chē)對(duì)定位系統(tǒng)性能的要求與車(chē)輛的行駛速度密切相關(guān)。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)規(guī)定，乘用車(chē)行駛最高車(chē)速不得超過(guò)120 km/h［3］，客車(chē)最高設(shè)計(jì)車(chē)速不應(yīng)大于100 km/h［4］?；谀壳暗淖詣?dòng)駕駛汽車(chē)整體技術(shù)水平和車(chē)輛限速要求，自動(dòng)駕駛乘用車(chē)的最高車(chē)速不宜超過(guò)90 km/h，自動(dòng)駕駛客車(chē)的最高車(chē)速不宜超過(guò)70 km/h。一般情況下，人工駕駛控制車(chē)輛距離道路一側(cè)路牙石的安全距離約為25 cm，自動(dòng)駕駛汽車(chē)必須在行駛25 cm的時(shí)間內(nèi)更新一次定位信息且定位精度應(yīng)≤25 cm，否則就有可能導(dǎo)致車(chē)輛超出道路邊界發(fā)生事故。按照最高車(chē)速90 km/h計(jì)算，根據(jù)公式t=s/v，車(chē)輛行駛25 cm用的時(shí)間是0.01 s，根據(jù)公式f=1/t，則定位信息更新頻率為100 Hz。因此，定位信息更新頻率需≥100 Hz，定位精度須≤25 cm才能保證車(chē)輛行駛安全。

目前，常規(guī)的定位導(dǎo)航系統(tǒng)［5］(包括無(wú)線電定位導(dǎo)航、慣性定位導(dǎo)航、衛(wèi)星定位導(dǎo)航、移動(dòng)基站定位導(dǎo)航等)都不能同時(shí)滿足上述指標(biāo)。比如:慣性定位導(dǎo)航系統(tǒng)存在定位誤差隨時(shí)間積累、長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不能保證足夠的導(dǎo)航精度的問(wèn)題;衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)存在多路徑、衛(wèi)星信號(hào)遮擋和更新頻率低(一般為10 Hz)等問(wèn)題。因此，要實(shí)現(xiàn)汽車(chē)自動(dòng)駕駛功能，必須采用高精定位導(dǎo)航技術(shù)［6］。目前的高精定位技術(shù)路線主要有3種:基于衛(wèi)星定位系統(tǒng)和捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的組合定位技術(shù)［7］，基于激光雷達(dá)點(diǎn)云和高精地圖的匹配定位技術(shù)［8］，以及基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)里程算法的定位技術(shù)［9］。

2 高精定位技術(shù)原理和特點(diǎn)

2.1 衛(wèi)星定位和捷聯(lián)慣導(dǎo)組合定位技術(shù)

實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星定位(GPS)和慣導(dǎo)的組合方案有很多，不同的組合方案可以滿足不同的要求和應(yīng)用目的?；诳柭鼮V波器的最優(yōu)估計(jì)理論的數(shù)據(jù)處理方法為組合導(dǎo)航系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)并被廣泛應(yīng)用。在導(dǎo)航系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用卡爾曼濾波濾除噪聲干擾估計(jì)系統(tǒng)的誤差狀態(tài)，并用誤差狀態(tài)的估計(jì)值去校正系統(tǒng)，從而達(dá)到優(yōu)化組合導(dǎo)航系統(tǒng)綜合性能的目的，提高導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。

卡爾曼濾波器運(yùn)行時(shí)主要分預(yù)測(cè)和更新兩個(gè)階段。預(yù)測(cè)階段，在得到新GPS數(shù)據(jù)前，通過(guò)積分慣性傳感器的數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)車(chē)輛的當(dāng)前位置;更新階段，當(dāng)接收到新的比較精準(zhǔn)的GPS數(shù)據(jù)時(shí)，使用新的GPS數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)前的位置進(jìn)行預(yù)測(cè)更新。通過(guò)不斷地執(zhí)行這兩個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)定位［5，7］。

2.2 激光雷達(dá)點(diǎn)云和高精地圖匹配定位技術(shù)

高精地圖的絕對(duì)坐標(biāo)精度更高，而且所含有的道路交通信息元素更豐富、細(xì)致。借助高精地圖能夠擴(kuò)展車(chē)輛的靜態(tài)環(huán)境感知能力，為車(chē)輛提供其他傳感器無(wú)法提供的全局視野，包括車(chē)載環(huán)境感知傳感器檢測(cè)范圍外的道路、交通和設(shè)施信息。

激光雷達(dá)在車(chē)輛行駛過(guò)程中不斷收集點(diǎn)云來(lái)動(dòng)態(tài)了解周?chē)h(huán)境，通過(guò)這些環(huán)境信息與高精地圖進(jìn)行比對(duì)匹配確定車(chē)輛位置。最常用的點(diǎn)云匹配算法就是迭代最近點(diǎn)算法(ICP)。該算法的目標(biāo)是在給出兩組點(diǎn)云的情況下，假設(shè)場(chǎng)景不變，算出這兩組點(diǎn)云之間的位置。第一組點(diǎn)云的每個(gè)點(diǎn)在第二組點(diǎn)云里找到一個(gè)最近的匹配，之后通過(guò)所有的匹配來(lái)計(jì)算均方誤差，進(jìn)而調(diào)整估計(jì)的位置，多次迭代后，最終計(jì)算出兩組點(diǎn)云的相對(duì)位置［10］。在預(yù)先有地圖的情況下，用實(shí)時(shí)的點(diǎn)云加上一個(gè)大概位置猜測(cè)就可以精準(zhǔn)算出車(chē)輛的當(dāng)前位置，從而實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)估計(jì)。其定位原理如圖1所示。

圖1 基于激光點(diǎn)云的全局最優(yōu)估計(jì)定位原理

該定位過(guò)程是一個(gè)遞推的過(guò)程，融合了激光雷達(dá)和GPS及慣導(dǎo)的信息，并跟蹤環(huán)境特征，最后由匹配的環(huán)境特征反過(guò)來(lái)對(duì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的位置進(jìn)行修正，得到其位置的最優(yōu)估計(jì)。依靠每一個(gè)位置所觀察到的不同的環(huán)境特征和已有高精地圖匹配，不斷修正自身位置的誤差量，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛汽車(chē)長(zhǎng)距離的自主導(dǎo)航［11］。

2.3 視覺(jué)里程算法的定位技術(shù)

基于視覺(jué)的定位算法主要有兩大類［12］:基于地標(biāo)拓?fù)涞乃惴ê突趲缀蔚囊曈X(jué)里程算法。基于地標(biāo)拓?fù)涞乃惴ò阉械牡貥?biāo)抽象成一個(gè)拓?fù)鋱D，當(dāng)自動(dòng)駕駛汽車(chē)監(jiān)測(cè)到某個(gè)地標(biāo)時(shí)，便可以根據(jù)地標(biāo)位置大致推斷出自身所在的位置;基于幾何的視覺(jué)里程算法較為復(fù)雜，但是不需要預(yù)先建立精準(zhǔn)的拓?fù)鋱D，在定位的同時(shí)還能夠擴(kuò)展地圖，其中典型的基于雙目攝像頭的視覺(jué)里程算法原理如圖2所示，具體的計(jì)算流程如下:

1)雙目攝像頭抓取左右兩圖(既雙目圖像)，雙目圖像經(jīng)過(guò)三角剖分產(chǎn)生當(dāng)前幀的視差圖。

2)提取當(dāng)前幀與之前幀的特征點(diǎn)，如果之前幀的特征點(diǎn)已經(jīng)提取好了，可以被直接使用。

3)對(duì)比當(dāng)前幀與之前幀的特征點(diǎn)，找出幀與幀之間的特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系;根據(jù)此對(duì)應(yīng)關(guān)系，推算出兩幀之間車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)。

4)根據(jù)推算出的兩幀之間車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)，以及之前的車(chē)輛位置，計(jì)算出最新的車(chē)輛位置。

圖2 視覺(jué)里程算法原理圖

通過(guò)以上的視覺(jué)里程算法，自動(dòng)駕駛汽車(chē)實(shí)時(shí)推算自己的位置并進(jìn)行自主導(dǎo)航［2］。但是攝像頭成像質(zhì)量對(duì)光線相當(dāng)敏感。在不同的光線環(huán)境下，同樣的場(chǎng)景可能不被識(shí)別，導(dǎo)致算法失效［9］。因此不建議在自動(dòng)駕駛場(chǎng)景中獨(dú)立依賴視覺(jué)里程算法進(jìn)行車(chē)輛定位。

2.4 技術(shù)路線特點(diǎn)分析

從安全角度講，多種高精定位導(dǎo)航技術(shù)同時(shí)應(yīng)用，充分考慮各種失效模式的功能和性能冗余，是定位導(dǎo)航系統(tǒng)支撐自動(dòng)駕駛汽車(chē)規(guī)?；瘧?yīng)用的目標(biāo)。但是隨著高精度定位導(dǎo)航性能的提升，定位導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)各種資源的要求更加苛刻，比如:對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的存儲(chǔ)速度、存儲(chǔ)容量、計(jì)算速度的要求，對(duì)軟件復(fù)雜融合算法的容錯(cuò)性、可靠性、魯棒性的要求等。這些資源需求直接影響成本控制，不利于自動(dòng)駕駛汽車(chē)的推廣應(yīng)用。因此，根據(jù)不同的自動(dòng)駕駛場(chǎng)景和不同定位導(dǎo)航技術(shù)自身的優(yōu)劣勢(shì)特點(diǎn)，找到功能性能要求與成本的平衡點(diǎn)，然后選擇最恰當(dāng)?shù)亩皇亲顝?fù)雜最昂貴的高精定位導(dǎo)航系統(tǒng)方案。3種高精定位導(dǎo)航技術(shù)的特點(diǎn)總結(jié)如下:

1)衛(wèi)星定位和捷聯(lián)慣導(dǎo)組合定位技術(shù)成熟度高，應(yīng)用廣泛。但是高度依賴基站，存在區(qū)域限制。

2)激光雷達(dá)點(diǎn)云和高精地圖匹配定位技術(shù)在定位的同時(shí)具備障礙物檢測(cè)功能。但是成本高，環(huán)境適應(yīng)性差，高精地圖更新頻率低。

3)視覺(jué)里程算法定位技術(shù)的成本最低，但是可靠性差，視覺(jué)算法容易受光線干擾。

3 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)高精定位技術(shù)的進(jìn)步需要依賴多學(xué)科多領(lǐng)域知識(shí)的廣泛融合和研究，比如衛(wèi)星、運(yùn)動(dòng)物理、地磁物理、地理信息、光學(xué)、視覺(jué)等。隨著組合導(dǎo)航技術(shù)研究的不斷深入，導(dǎo)航定位信息融合算法也是一項(xiàng)亟需突破的關(guān)鍵技術(shù)，多源定位數(shù)據(jù)輸入下如何及時(shí)地解算出最精確的坐標(biāo)信息是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。隨著國(guó)家戰(zhàn)略的大力支持和科技進(jìn)步，不限場(chǎng)景的最優(yōu)全局定位技術(shù)定會(huì)獲得突破，真正的全路況無(wú)人駕駛汽車(chē)將為智能交通和智慧城市建設(shè)帶來(lái)更多便利。

修改稿日期:2018－07－02