姜嘉睿

摘 要：無(wú)人駕駛的關(guān)鍵在于利用傳感器進(jìn)行車輛周邊環(huán)境的判斷，不僅是靜態(tài)障礙物，而且還有移動(dòng)的車輛和人，動(dòng)態(tài)障礙物大多利用激光傳感器進(jìn)行檢測(cè)。技術(shù)路線主要包括以特斯拉為代表的視覺主導(dǎo)的多傳感器融合方案，以及以谷歌Waymo為典型代表的低成本激光雷達(dá)為主導(dǎo)的兩種方案。本文進(jìn)行了分類討論，并根據(jù)現(xiàn)狀探討了發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：無(wú)人駕駛；傳感器；測(cè)試傳感

1 無(wú)人駕駛

無(wú)人駕駛，顧名思義就是自動(dòng)化的駕駛，不需要手動(dòng)操控，是當(dāng)今汽車技術(shù)研究的前沿和熱點(diǎn)。但要最終實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化，是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，所以為了便于研究，將根據(jù)自動(dòng)化程度，將無(wú)人駕駛進(jìn)行分級(jí)。目前主流的分級(jí)方式共有兩種[1]。

第一種由美國(guó)機(jī)動(dòng)工程師協(xié)會(huì)（SAE）提出，按照完全由人為駕駛到完全由汽車自動(dòng)駕駛，也就是從無(wú)自動(dòng)化到完全自動(dòng)化展開，將無(wú)人駕駛技術(shù)分為0-4五種程度，分別是無(wú)自動(dòng)化、駕駛輔助服務(wù)、部分自動(dòng)化、有條件自動(dòng)化、高度自動(dòng)化。

第二種由美國(guó)高速公路安全管理局（NHTSA）提出，也是分為0-4五種程度，分別是駕駛員控制、可以沿前后或左右一個(gè)方向自動(dòng)控制、沿前后和左右兩個(gè)方向都可以自動(dòng)控制、能實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、完全自動(dòng)化。

無(wú)人駕駛的關(guān)鍵在于利用傳感器進(jìn)行車輛周邊環(huán)境的判斷，不僅是靜態(tài)障礙物，而且還有移動(dòng)的車輛和人，動(dòng)態(tài)障礙物大多利用激光傳感器進(jìn)行檢測(cè)。例如斯坦福大學(xué)的“Junior”，卡耐基·梅隆大學(xué)的“BOSS”智能車、牛津大學(xué)的無(wú)人車輛“WildCat”。我國(guó)起步較晚，但發(fā)展很快，國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)自主研發(fā)的智能車“開路雄獅”，也是運(yùn)用這種原理。

2 核心傳感器系統(tǒng)

據(jù)清華大學(xué)鄧志東教授介紹，自動(dòng)駕駛環(huán)境感知的技術(shù)路線主要有兩種[2]：一種是以特斯拉為代表的視覺主導(dǎo)的多傳感器融合方案，另一種是以谷歌為代表的激光雷達(dá)主導(dǎo)的方案。

激光雷達(dá)具有高精度、高分辨率、高抗干擾能力、體積小質(zhì)量輕等優(yōu)勢(shì)，但成本太高，而且對(duì)靜止物體的探測(cè)有著不可忽略的缺陷。而毫米波雷達(dá)偵察范圍更廣，成本相對(duì)更經(jīng)濟(jì)，也更抵抗天氣的變化影響，因此毫米波雷達(dá)更收到廣大廠家的青睞。

2.1 以視覺為主導(dǎo)

以特斯拉為代表：攝像頭+毫米波雷達(dá)+超聲波雷達(dá)+低成本激光雷達(dá)

攝像頭視覺屬于被動(dòng)視覺，受環(huán)境光照的影響較大，目標(biāo)檢測(cè)與SLAM較不可靠，但成本低。目前，特斯拉已經(jīng)在其量產(chǎn)車上列裝了Autopilot 2.0固件，而且成本較低，只有7000美金左右，8個(gè)攝像頭組成單目環(huán)視，有1個(gè)毫米波雷達(dá)和12個(gè)超聲波雷達(dá)，希望從L2跳躍到L4。Autopilot2.0核心內(nèi)容由主動(dòng)巡航控制（TACC）、輔助轉(zhuǎn)向（Autosteer）、自動(dòng)變道構(gòu)成，可同時(shí)與車道輔助、防撞輔助、車速輔助等功能搭配使用。其中，主動(dòng)巡航控制可以自動(dòng)對(duì)車輛進(jìn)行縱向控制，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是開啟后系統(tǒng)接管了剎車，但駕駛員仍然需要手動(dòng)控制方向盤。輔助轉(zhuǎn)向提供的自動(dòng)橫向控制，取代了手動(dòng)控制方向盤的操作。

經(jīng)過(guò)努力，特斯拉近期已經(jīng)完成了將路測(cè)大數(shù)據(jù)從Mobileye單目視覺技術(shù)過(guò)渡到基于Nvidia Drive PX2計(jì)算硬件平臺(tái)的特斯拉Vision軟件系統(tǒng)上，并且在2018年3月底發(fā)布了新8.1軟件版本，它用深度學(xué)習(xí)的方法在短期內(nèi)基本達(dá)到了Mobileye的技術(shù)水平，這是以前很難想象的。經(jīng)過(guò)不同體驗(yàn)者測(cè)試，Autopilot2.0目前可以安全開啟的地方仍然是高速公路，但是在一些車道線清晰的城市路段，我們也能看到主動(dòng)巡航控制和輔助轉(zhuǎn)向可被激活的提示。于是在保證安全的前提下，設(shè)置了一部分附加測(cè)試，但這部分場(chǎng)景嚴(yán)格來(lái)說(shuō)并不在Autopilot2.0的適用范圍。Autopilot2.0的功能目前無(wú)法直接移植到城市環(huán)境使用。雖然可以順利開啟（2、3分鐘），但城市中有走向復(fù)雜的車流，需要通過(guò)沒(méi)有車道線的紅綠燈路口，車與車間距更近，特斯拉表現(xiàn)變道不夠順滑和決策不夠干脆。

特斯拉Autopilot2.0系統(tǒng)嚴(yán)重依賴GPS數(shù)據(jù)及其定制的高精度地圖，系統(tǒng)如果單靠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)工作會(huì)比較粗糙。特斯拉以后進(jìn)步會(huì)從兩方面入手：一個(gè)是地圖和定位；一個(gè)是最大程度地升級(jí)軟件算法。如8.1版的更新，特斯拉增加了另一個(gè)前端面向相機(jī)來(lái)提高Autosteer的性能，提升主要體現(xiàn)在高速公路環(huán)境。特斯拉主張使用多攝像頭的方案來(lái)替代多毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)方案，這意味著特斯拉在享受低成本硬件的同時(shí)，要在軟件算法上承受更多的壓力。隨著傳感器數(shù)量的增加，對(duì)軟件算法的開發(fā)提出了更多挑戰(zhàn)[3]。

2.2 以激光雷達(dá)為主導(dǎo)

以谷歌Waymo為代表：低成本激光雷達(dá)+毫米波雷達(dá)+超聲波傳感器+攝像頭。有報(bào)道中稱谷歌Waymo搶先實(shí)現(xiàn)無(wú)人車商用“這是全球第一個(gè)自動(dòng)駕駛技術(shù)向公眾開放、并進(jìn)行商業(yè)化的案例”。

LiDAR傳感器快速發(fā)射激光脈沖（通常最高可達(dá)每秒150000次脈沖），激光信號(hào)到達(dá)障礙物后反射回LiDAR傳感器。傳感器通過(guò)測(cè)量激光信號(hào)從發(fā)射到返回的時(shí)間，精確計(jì)算確定傳感器到障礙物之間的距離，它還能探測(cè)目標(biāo)物體的準(zhǔn)確尺寸。LiDAR通常用于高分辨率地圖的繪制。

Waymo的LiDAR系統(tǒng)不僅可以探測(cè)行人，還可以識(shí)別行人所面對(duì)的方向。因此，自動(dòng)駕駛汽車可以精確預(yù)測(cè)行人將向哪個(gè)方向行走。其高精度還可以“看”到更豐富的細(xì)節(jié)，例如騎行者揮手示意你先通過(guò)，當(dāng)車輛全速行駛時(shí)能夠在兩個(gè)足球場(chǎng)以外的距離提供驚人的探測(cè)精度。Waymo還通過(guò)努力將LiDAR傳感器的成本降低了約90%。數(shù)年前，一個(gè)LiDAR單元的售價(jià)高達(dá)75000美元，而現(xiàn)在已經(jīng)降到了7500美元，使這項(xiàng)技術(shù)變得更加經(jīng)濟(jì)從而實(shí)現(xiàn)普及。

不過(guò)，這項(xiàng)技術(shù)也有一些明顯的缺點(diǎn)。LiDAR系統(tǒng)可以輕松地探測(cè)位于30～200米范圍內(nèi)的物體。但是，當(dāng)面對(duì)附近物體地精確識(shí)別時(shí)，該系統(tǒng)可能會(huì)力不從心。它在所有光線條件下均能正常工作，但在雪、霧、雨和揚(yáng)塵環(huán)境下，其性能會(huì)開始打折扣。此外，其光學(xué)識(shí)別性能也不夠給力。這就是為什么像Google這樣的自動(dòng)駕駛汽車制造商，會(huì)將LiDAR與其它輔助傳感器（例如攝像頭和超聲波傳感器）一起搭配使用[4]。

對(duì)比RADAR系統(tǒng)則相對(duì)便宜很多。成本，應(yīng)該是Tesla選擇RADAR技術(shù)而不是LiDAR技術(shù)的原因之一。RADAR系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是在霧、雨、雪和揚(yáng)塵等所有天氣條件下，均能穩(wěn)定運(yùn)行。然而，相比LiDAR傳感器，它的角度精度略低，在彎道上會(huì)丟失目標(biāo)車輛。如果多個(gè)探測(cè)對(duì)象彼此靠得很近，它可能會(huì)出現(xiàn)識(shí)別困難。例如，RADAR可能會(huì)將附近的兩輛小型汽車視為一輛大型車輛，從而發(fā)出錯(cuò)誤的接近信號(hào)。不過(guò)，與LiDAR系統(tǒng)不同的是，RADAR可以利用多普勒頻移精確地確定相對(duì)行駛速度和移動(dòng)物體的速度

LiDAR和RADAR這兩種傳感器技術(shù)的基本功能都是通過(guò)在行駛中與障礙物保持一定的安全距離，以確保自動(dòng)駕駛汽車中的乘員安全。無(wú)論選擇LiDAR還是RADAR，這兩種技術(shù)都能很好的勝任這項(xiàng)任務(wù)。不過(guò)，這兩種技術(shù)各自都還有比較明顯的優(yōu)缺點(diǎn)。盡管采用LiDAR傳感器的汽車能夠“看”得更清晰準(zhǔn)確，但是RADAR系統(tǒng)尺寸更小，還更便宜。

3 發(fā)展趨勢(shì)與展望

這兩種技術(shù)路線都有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)階段，無(wú)人駕駛行業(yè)廠家也是各有傾向，選用的核心傳感器系統(tǒng)也是各有不同。但業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)以及攝像頭等多種融合才是最適合無(wú)人駕駛的核心傳感器系統(tǒng)。

在使用過(guò)程中，每一種傳感器都有各自最適合的使用環(huán)境，也就是說(shuō)每種傳感器都有它最精準(zhǔn)的目標(biāo)檢測(cè)對(duì)象和檢測(cè)范圍。例如，毫米波雷達(dá)可在低分辨率情況下完成測(cè)距，且受天氣因素影響??；而攝像頭有更高的分辨率，能夠感知顏色，但受強(qiáng)光影響較大；激光雷達(dá)則能夠提供三維尺度感知信息，對(duì)環(huán)境的重構(gòu)能力更強(qiáng)。所以，只有多種傳感器融合才能獲得為車輛提供更準(zhǔn)確的周邊信息，才能保障車輛行駛的安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]第十九屆中國(guó)國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)科技論壇項(xiàng)目——2018年無(wú)人駕駛技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)論壇圓滿舉辦[J].競(jìng)爭(zhēng)情報(bào)，2018，14（05）：55.

[2]張偉，畢桂.無(wú)人駕駛汽車的研究[J].才智，2018（29）：225.

[3] 王程博，張新宇，張加偉，劉碩.未知環(huán)境中無(wú)人駕駛船舶智能避碰決策方法[J/OL].中國(guó)艦船研究：1-6[2018-11-28].https：//doi.org/10.19693/j.issn.1673-3185.01144.

[4] 依克熱木.無(wú)人駕駛汽車技術(shù)發(fā)展中存在的問(wèn)題分析[J].汽車與配件，2018（29）：50-51.