裴 凌，劉海春，趙 澎，朱亞夫，魯吉林，梁 霄

(1.上海交通大學(xué)，上海市北斗導(dǎo)航與位置服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240; 2.中國(guó)通信研究院華東分院，上海200002;3.上海北斗導(dǎo)航創(chuàng)新研究院，上海201702; 4.陸軍裝備部裝備項(xiàng)目管理中心，北京100071;5.上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)有限公司，上海201702)

0 引言

近年來(lái)，隨著傳感器性能、移動(dòng)計(jì)算能力、人工智能水平、系統(tǒng)集成度等方面的迅速提升，無(wú)人系統(tǒng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。以往僅僅限于實(shí)驗(yàn)室探索研究或軍事用途的無(wú)人系統(tǒng)，目前正在快速進(jìn)入大眾應(yīng)用場(chǎng)景，為公共服務(wù)和個(gè)人生活帶來(lái)顛覆式改變。無(wú)人系統(tǒng)中最底層的核心技術(shù)包括：環(huán)境感知[1-2]、定位導(dǎo)航[3-5]、人機(jī)交互[6]和運(yùn)動(dòng)控制[7]。在無(wú)人機(jī)、自動(dòng)駕駛農(nóng)業(yè)機(jī)械、服務(wù)機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人等無(wú)人系統(tǒng)中，智能的感知能力和魯棒的自主定位導(dǎo)航能力是近年來(lái)無(wú)人系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。從文獻(xiàn)檢索分析，研究領(lǐng)域?qū)θ绾握_科學(xué)地評(píng)價(jià)無(wú)人系統(tǒng)的感知能力和定位導(dǎo)航能力并不夠重視，標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域更是空白。

由于無(wú)人平臺(tái)存在多樣性，之前的研究往往針對(duì)特定的平臺(tái)，例如文獻(xiàn)[8]針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的定位能力，基于克拉美羅界(Cramér-Rao Bound，CRB)理論，使用 Fisher’s 信息矩陣，在已知地圖模型與觀測(cè)模型的條件下，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的靜態(tài)定位能力與動(dòng)態(tài)定位能力進(jìn)行評(píng)估；文獻(xiàn)[9]基于地圖上不同位置的視覺(jué)觀測(cè)，可在無(wú)需環(huán)境真值的條件下，對(duì)無(wú)人設(shè)備的建圖能力進(jìn)行評(píng)估。無(wú)人系統(tǒng)的定位能力通常包括全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)、慣性測(cè)量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)、里程計(jì)、機(jī)器視覺(jué)、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等，并且有大量研究針對(duì)單一技術(shù)的測(cè)試評(píng)估，但無(wú)人系統(tǒng)通常使用至少兩種以上的定位技術(shù)來(lái)保障系統(tǒng)的可靠性。因此，融合定位導(dǎo)航是無(wú)人系統(tǒng)定位導(dǎo)航能力測(cè)試評(píng)估的重點(diǎn)。

由于融合定位沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)配置與技術(shù)方案，在不用組合定位技術(shù)手段時(shí)，測(cè)試評(píng)估方法存在差異[10-12]。此外，無(wú)人系統(tǒng)的導(dǎo)航任務(wù)也會(huì)因?yàn)閳?chǎng)景需求的不同[13]，產(chǎn)生不同的評(píng)估指標(biāo)要求。此外，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，對(duì)無(wú)人系統(tǒng)感知能力的評(píng)估提出了新的要求。目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)識(shí)別、場(chǎng)景識(shí)別、語(yǔ)義識(shí)別、場(chǎng)景理解等能力逐步成為智能無(wú)人系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)能力[14]。

1 研究背景

本文依托工信部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：低速無(wú)人系統(tǒng)導(dǎo)航定位通用指標(biāo)及測(cè)試方法，編號(hào)：2018-1798T-YD，同時(shí)參考國(guó)內(nèi)外軍用或行業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[15-19]，開展了相關(guān)研究。為了滿足大多數(shù)低速無(wú)人系統(tǒng)定位導(dǎo)航測(cè)試的共性需求，本文重點(diǎn)針對(duì)低速無(wú)人系統(tǒng)的定位導(dǎo)航與環(huán)境感知，分析通用的技術(shù)指標(biāo)，研究通用的測(cè)試方法。

參考?xì)W美以及日本等國(guó)家對(duì)低速機(jī)動(dòng)車輛與無(wú)人機(jī)的定義，本文將地面低速無(wú)人系統(tǒng)定義為工作速度不大于30km/h的地面機(jī)器人、自動(dòng)引導(dǎo)車、無(wú)人小巴、無(wú)人環(huán)衛(wèi)車等?？紤]到大型無(wú)人機(jī)等無(wú)人系統(tǒng)在非工作狀態(tài)，例如飛行途中速度較高。本文重點(diǎn)考慮無(wú)人機(jī)在實(shí)際作業(yè)狀態(tài)下的速度，例如旋翼類飛行速度不大于54km/h，固定翼類飛行速度不大于108km/h；包括消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)、物流無(wú)人機(jī)(最后1km工作狀態(tài))、植保無(wú)人機(jī)、電力巡檢無(wú)人機(jī)等。水面及水下的無(wú)人系統(tǒng)不在本文的研究范圍之內(nèi)。

從空間覆蓋情況劃分，本文所研究的定位導(dǎo)航包括室內(nèi)定位導(dǎo)航、室內(nèi)外無(wú)縫定位導(dǎo)航、室外定位導(dǎo)航。指標(biāo)設(shè)計(jì)主要用于評(píng)估高度、速度、姿態(tài)、航向、位置、相對(duì)距離等無(wú)人系統(tǒng)定位導(dǎo)航所需的觀測(cè)質(zhì)量。為了評(píng)估無(wú)人系統(tǒng)的定位導(dǎo)航能力水平，本文一方面選擇較為通用的功能指標(biāo)，評(píng)估無(wú)人系統(tǒng)是否具備某一特定功能；另一方面選擇通用的性能指標(biāo)，評(píng)估某一特定功能的水平。此外，本文提出了通用的無(wú)人系統(tǒng)測(cè)試方法，利用這些通用指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 通用技術(shù)指標(biāo)

無(wú)人系統(tǒng)通常具有不同的功能設(shè)計(jì)，也會(huì)因?yàn)槿蝿?wù)不同，設(shè)定不同的性能指標(biāo)。除非應(yīng)用場(chǎng)景和任務(wù)體系確定，否則難以用一套相同的指標(biāo)及指標(biāo)要求對(duì)無(wú)人系統(tǒng)定位導(dǎo)航能力進(jìn)行評(píng)估。對(duì)于不需要進(jìn)行定量測(cè)試的無(wú)人系統(tǒng)，僅需進(jìn)行二值化的定性測(cè)試，即測(cè)試是否具備某項(xiàng)功能。對(duì)于環(huán)境感知與定位導(dǎo)航而言，需要進(jìn)行的功能測(cè)試包括成像功能、地圖輸出功能、傳感器標(biāo)定功能、定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)通信功能等。作為無(wú)人系統(tǒng)感知導(dǎo)航能力的測(cè)試評(píng)估，位姿測(cè)量、環(huán)境感知、規(guī)劃控制的定量化性能測(cè)試尤為重要。

本文采用準(zhǔn)確度來(lái)表示測(cè)量值與標(biāo)定值的接近程度[20]，或者是實(shí)驗(yàn)值與公認(rèn)參考值之間的接近程度；用精度表示最小的度量單位。將準(zhǔn)確度和精度合稱為精確度，即用最小的度量單位，重復(fù)測(cè)量多次所獲得的準(zhǔn)確度。此外，考慮到無(wú)人系統(tǒng)智能感知水平，本文引入了部分人工智能領(lǐng)域的典型指標(biāo)，例如均并交比(Mean Intersection over Union， MIoU)、P-R曲線等。考慮到無(wú)人系統(tǒng)定位導(dǎo)航誤差隨時(shí)間漂移的特點(diǎn)，引入了閉環(huán)差等指標(biāo)。測(cè)試方法則從功能測(cè)試與性能測(cè)試兩個(gè)維度進(jìn)行評(píng)估。

2.1 位姿測(cè)量

位姿測(cè)量重點(diǎn)評(píng)估無(wú)人系統(tǒng)自身空間位置姿態(tài)(通常為坐標(biāo)、姿態(tài)、速度等)與其真實(shí)值之間的接近程度[21]。采用準(zhǔn)確度來(lái)表示測(cè)量值與標(biāo)定值的接近程度。本文涉及的測(cè)量對(duì)象包括與無(wú)人系統(tǒng)自身位姿估計(jì)相關(guān)的：距離、姿態(tài)、位置、航向、速度和高度。

1)測(cè)距精確度

測(cè)距是指測(cè)量無(wú)人系統(tǒng)自身到空間中某一點(diǎn)間連線的長(zhǎng)度，是測(cè)量工作中最基本的任務(wù)之一。通過(guò)重復(fù)測(cè)試，比對(duì)無(wú)人系統(tǒng)測(cè)距結(jié)果與被標(biāo)定真值，確定測(cè)距精確度。

2)定向精確度

定向精確度主要檢測(cè)無(wú)人系統(tǒng)通過(guò)單一傳感器或多傳感器融合對(duì)目標(biāo)相對(duì)無(wú)人系統(tǒng)自身朝向測(cè)量的精確程度。通過(guò)重復(fù)測(cè)試，比對(duì)無(wú)人系統(tǒng)測(cè)量的目標(biāo)方向與被標(biāo)定真值，評(píng)估測(cè)向精確度。

3)測(cè)速精確度

測(cè)速精確度主要檢測(cè)無(wú)人系統(tǒng)通過(guò)單一傳感器或多傳感器融合對(duì)自身的運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量的精確程度。通過(guò)重復(fù)測(cè)試，比對(duì)無(wú)人系統(tǒng)測(cè)量速度與被標(biāo)定真值，確定測(cè)速精確度。

4)定高精確度

定高精確度主要檢測(cè)待測(cè)無(wú)人系統(tǒng)通過(guò)單一傳感器或多傳感器融合對(duì)自身高度測(cè)量的精確程度。通過(guò)重復(fù)測(cè)試，比對(duì)無(wú)人系統(tǒng)測(cè)量高度與被標(biāo)定真值，確定測(cè)高精確度。

5)定姿精確度

定姿是指是指無(wú)人系統(tǒng)載體坐標(biāo)系與地面慣性坐標(biāo)系之間的夾角，也稱歐拉角，歐拉角是表達(dá)姿態(tài)的最直觀的一種方式。一般定義載體的右、前、上3個(gè)方向構(gòu)成右手系，歐拉角是一個(gè)三維向量，其值分別代表物體繞坐標(biāo)系3個(gè)軸(x、y、z軸)的旋轉(zhuǎn)角度, 包括：圍繞x軸旋轉(zhuǎn)的俯仰角(pitch)、圍繞y軸旋轉(zhuǎn)的滾轉(zhuǎn)角Φ(roll)、圍繞z軸旋轉(zhuǎn)的偏航角(yaw)。通過(guò)重復(fù)測(cè)試，比對(duì)無(wú)人系統(tǒng)的姿態(tài)測(cè)量結(jié)果與被標(biāo)定真值，確定姿態(tài)精確度。

6)定位精確度

無(wú)人系統(tǒng)定位就是確定相對(duì)于給定坐標(biāo)參考系中無(wú)人系統(tǒng)的位置，又被稱為位置估計(jì)。定位的目標(biāo)是無(wú)人系統(tǒng)根據(jù)給定的環(huán)境感知信息和自身運(yùn)動(dòng)信息，確定自身在坐標(biāo)參考系中的位置。定位可以分為局部定位和全局定位，重點(diǎn)測(cè)試：位置跟蹤(position tracking)、全局定位(global location)和綁架問(wèn)題(kidnapped problem)。同時(shí)定位精確度也受環(huán)境影響，環(huán)境可分為靜態(tài)環(huán)境(static environments)和動(dòng)態(tài)環(huán)境(dynamic environments)。通過(guò)重復(fù)試驗(yàn)，比對(duì)無(wú)人系統(tǒng)測(cè)量位置信息與被標(biāo)定真值，評(píng)估定位精確度。

2.2 導(dǎo)航能力

導(dǎo)航能力是按照要求的精度,沿著預(yù)定的路線在指定的時(shí)間內(nèi)正確地引導(dǎo)無(wú)人系統(tǒng)至目的地的能力[24]。其中，最為通用的導(dǎo)航能力包括：規(guī)劃能力、控制能力、避障能力和越障能力。本文歸納為規(guī)劃控制能力和障礙應(yīng)對(duì)能力兩類能力指標(biāo)。

1)規(guī)劃控制能力

規(guī)劃控制能力主要是無(wú)人系統(tǒng)將自身導(dǎo)航至指定位置的能力。其中規(guī)劃是指為無(wú)人系統(tǒng)規(guī)劃合理運(yùn)動(dòng)路徑的功能與水平。根據(jù)路徑規(guī)劃的范圍，可分為全局的路徑規(guī)劃和局部的路徑規(guī)劃[25]。

a)全局的路徑規(guī)劃指在已知全局地圖的情況下，從無(wú)人系統(tǒng)當(dāng)前位置規(guī)劃出一條到目的地的全局路徑。

b)局部的路徑規(guī)劃指根據(jù)環(huán)境感知的信息(路徑及障礙物信息)，在換道、轉(zhuǎn)彎、躲避障礙物等情況下，實(shí)時(shí)規(guī)劃出一條安全、平順的運(yùn)動(dòng)路徑。

控制能力則是指無(wú)人系統(tǒng)控制自身按照規(guī)劃的全局路徑或者局部路徑行進(jìn)的水平。

2)障礙應(yīng)對(duì)能力

避障能力是指無(wú)人系統(tǒng)在路徑規(guī)劃過(guò)程中，通過(guò)傳感器感知到在其規(guī)劃路徑上存在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)障礙物時(shí)，依據(jù)局部路徑規(guī)劃，繞過(guò)障礙物[26]，繼續(xù)執(zhí)行全局路徑規(guī)劃的能力。越障能力主要是對(duì)無(wú)人系統(tǒng)(主要為無(wú)人小車)在非平坦路面上行駛時(shí)，翻越障礙物的能力。

2.3 環(huán)境感知

無(wú)人系統(tǒng)環(huán)境感知，是利用多種不同類型和特性的傳感器對(duì)環(huán)境進(jìn)行測(cè)量建模，如紅外傳感器、激光傳感器、可見光相機(jī)、超聲傳感器等。與傳統(tǒng)意義上的機(jī)器人視覺(jué)不同，無(wú)人系統(tǒng)環(huán)境感知更側(cè)重于地圖的構(gòu)建、目標(biāo)的識(shí)別與檢測(cè)、場(chǎng)景的語(yǔ)義分割與理解。

1)環(huán)境地圖構(gòu)建

無(wú)人系統(tǒng)環(huán)境感知單元采集周圍的環(huán)境信息，并使用幾何和拓?fù)鋵傩詫⑺鼈儽碚髟诘貓D中，包括互聯(lián)區(qū)域和受限區(qū)域，其目標(biāo)是地圖表征和地圖創(chuàng)建。以視覺(jué)/激光即時(shí)定位與地圖構(gòu)建(Simulta-neous Localization and Mapping，SLAM)為例，無(wú)人系統(tǒng)在環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，不需要任何先驗(yàn)知識(shí)，利用視覺(jué)或激光來(lái)感知周圍環(huán)境信息，并提取穩(wěn)定的圖像或點(diǎn)云特征來(lái)表征實(shí)際物理空間，以此作為自然路標(biāo)，構(gòu)建環(huán)境的幾何地圖。同時(shí)通過(guò)與當(dāng)前時(shí)刻之前所創(chuàng)建的環(huán)境地圖(自然路標(biāo)庫(kù))中的路標(biāo)進(jìn)行匹配，估計(jì)無(wú)人系統(tǒng)當(dāng)前位置和姿態(tài)并更新自然路標(biāo)庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)同步定位與建圖的過(guò)程。

2)目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別

無(wú)人系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)或靜止的條件下對(duì)指定的目標(biāo)物體進(jìn)行檢測(cè)與識(shí)別。首先是檢測(cè)，通過(guò)算法盡可能搜索圖像或點(diǎn)云中某一區(qū)域內(nèi)存在的目標(biāo)，進(jìn)一步地，輸出目標(biāo)的形狀、位置、方位、速度、顏色等信息。而目標(biāo)識(shí)別類似于目標(biāo)分類，判斷當(dāng)前找到的區(qū)域內(nèi)目標(biāo)具體屬于哪種類別，根據(jù)前面目標(biāo)檢測(cè)的輸出信息，識(shí)別目標(biāo)的類型。

3)場(chǎng)景語(yǔ)義分割

語(yǔ)義指的是圖像或點(diǎn)云的內(nèi)容含義，即對(duì)圖像或點(diǎn)云意思的理解。語(yǔ)義分割是指對(duì)給定圖像或點(diǎn)云中的每個(gè)像素或體素都做分類[23]，將圖像或點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為輸入，并將它們轉(zhuǎn)換為具有感興趣區(qū)域突出顯示的掩模，其中圖像或點(diǎn)云中的每個(gè)像素或體素根據(jù)其所屬的感興趣對(duì)象被分配類別唯一標(biāo)識(shí)。

3 典型試驗(yàn)條件

3.1 室內(nèi)外測(cè)試環(huán)境條件

為了滿足定位導(dǎo)航通用測(cè)試的需求，需要進(jìn)行室內(nèi)外測(cè)試。表1和表2為室內(nèi)外測(cè)試環(huán)境條件的基本參數(shù)建議。

表1 室內(nèi)測(cè)試環(huán)境條件

表2 室外測(cè)試環(huán)境條件

3.2 測(cè)試用設(shè)備性能指標(biāo)

為了提供準(zhǔn)確和令人信服的測(cè)試結(jié)果，需要對(duì)于室內(nèi)外所使用到的測(cè)試設(shè)備的精度參數(shù)給出一定的約束，具體的設(shè)備與指標(biāo)約束如表3所示。

表3 室內(nèi)外測(cè)試設(shè)備精度要求

3.3 測(cè)試場(chǎng)條件

除了滿足上述測(cè)試環(huán)境條件，且安裝并配備測(cè)試用設(shè)備以外，為了更好地進(jìn)行測(cè)試，建議對(duì)測(cè)試場(chǎng)地作出如下限定：

1)測(cè)試場(chǎng)地的正常地面相對(duì)平坦，通過(guò)在正常地面上設(shè)置道具模擬坡地、縫隙、沙石地、減速帶等特定的道路特征；

2)通用的測(cè)試場(chǎng)地環(huán)境以及測(cè)試道具應(yīng)避免玻璃以及反光材料，若特定的測(cè)試需要可添加相應(yīng)材質(zhì)的道具；

3)通用的目標(biāo)物形狀需選擇規(guī)則性物體，目標(biāo)物顏色選擇識(shí)別度較高的紅色、綠色、藍(lán)色物體，若特定場(chǎng)景下需要不規(guī)則物體或其他顏色，則添加相應(yīng)的道具。

3.4 真值獲取

無(wú)人系統(tǒng)的相關(guān)指標(biāo)測(cè)試中，測(cè)量值真值的獲取尤為重要。真值表示一個(gè)物理量在一定條件下所呈現(xiàn)的真實(shí)數(shù)值，是一個(gè)理想化的概念。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，可供實(shí)際使用的測(cè)量參考標(biāo)準(zhǔn)可以越來(lái)越逼近而絕不能等于理想的理論真值。表4列舉了幾種主流的無(wú)人系統(tǒng)測(cè)試中的真值獲取技術(shù)。

表4 高精度定位技術(shù)對(duì)比

4 通用測(cè)試方法

通用測(cè)試方法包括功能測(cè)試和性能測(cè)試。功能測(cè)試主要指的是針對(duì)待測(cè)無(wú)人系統(tǒng)是否具備相關(guān)功能輸出進(jìn)行測(cè)試，主要包括成像功能、地圖輸出功能、傳感器標(biāo)定功能、定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)通信功能等。性能測(cè)試主要涵蓋定位導(dǎo)航過(guò)程中所涉及的目標(biāo)和自身的位姿、導(dǎo)航能力、環(huán)境感知相關(guān)的單項(xiàng)能力及綜合能力的評(píng)估。具體指標(biāo)如表5所示。

表5 功能、性能指標(biāo)

下面將舉例對(duì)3個(gè)測(cè)試類別的測(cè)試方法做簡(jiǎn)要介紹。

4.1 位姿測(cè)量

如圖1所示，將待測(cè)無(wú)人系統(tǒng)置于光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的可測(cè)范圍內(nèi)，放置反光球設(shè)備并完成相應(yīng)的設(shè)置；啟動(dòng)待測(cè)無(wú)人系統(tǒng)，完成時(shí)間同步，獲取已有的地圖信息，標(biāo)定無(wú)人系統(tǒng)所在地圖坐標(biāo)系與光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)坐標(biāo)系的初始轉(zhuǎn)換關(guān)系[R|T]；

1)使待測(cè)無(wú)人系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，記錄N次定位位姿，基于下式計(jì)算靜態(tài)定位位置誤差值Esp和姿態(tài)誤差值Esθ

(1)

(2)

(3)

(a)放置放光球的待測(cè)無(wú)人系統(tǒng)

(b)光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)標(biāo)定系統(tǒng)單元

(c)光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)與UWB標(biāo)定系統(tǒng)覆蓋的測(cè)試場(chǎng)圖1 測(cè)試環(huán)境Fig.1 Test environment

2)使待測(cè)無(wú)人系統(tǒng)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，記錄N次定位位姿，同樣依據(jù)式(1)～式(3)計(jì)算動(dòng)態(tài)位置誤差值Edp和姿態(tài)誤差值Edθ。

4.2 導(dǎo)航能力

1)規(guī)劃控制能力

(4)

(a)規(guī)劃軌跡示意圖

(b)測(cè)試場(chǎng)景

(c)實(shí)際測(cè)試軌跡圖2 規(guī)劃控制能力測(cè)試場(chǎng)景Fig.2 Planning and control capability test scenario

基于式(5)，可估計(jì)待測(cè)系統(tǒng)的最終停止位姿的協(xié)方差矩陣，即漂移誤差的協(xié)方差，作為可達(dá)性誤差的判定標(biāo)準(zhǔn)。

(5)

除了可達(dá)性之外，對(duì)于規(guī)劃能力評(píng)估，可以利用L1或L2范數(shù)等指標(biāo)，對(duì)特定場(chǎng)景中路徑的理論最優(yōu)與規(guī)劃路徑之間的距離進(jìn)行比較評(píng)估。同理，比較規(guī)劃路徑與實(shí)際行進(jìn)路徑之間的距離，可以用于評(píng)估控制能力。此外，窄道通過(guò)性可以進(jìn)一步評(píng)估無(wú)人系統(tǒng)在狹窄路徑中的精確控制水平。

2)越障能力

(6)

若因超時(shí)等原因無(wú)法到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，則該段評(píng)分與后續(xù)路段的評(píng)分皆為0。被測(cè)系統(tǒng)的最終得分為所有路段評(píng)分之和，即

S=∑Si

(7)

3)避障能力

避障能力是無(wú)人系統(tǒng)通過(guò)感知周遭包含的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、已知和未知障礙物，規(guī)劃最優(yōu)路徑，并實(shí)時(shí)跟隨最優(yōu)路徑行進(jìn)的能力。避障能力測(cè)試包括：

? 靜態(tài)環(huán)境測(cè)試

圖3 靜態(tài)環(huán)境避障能力測(cè)試場(chǎng)景Fig.3 Obstacle avoidance test in static environment

(8)

重復(fù)該實(shí)驗(yàn)M次并記第i次實(shí)驗(yàn)的平均位姿誤差為e(i)，記最大允許的平均位姿誤差為emax，則被測(cè)系統(tǒng)的最終評(píng)分為

(9)

? 動(dòng)態(tài)環(huán)境與靜態(tài)環(huán)境混合測(cè)試

首先確定被測(cè)系統(tǒng)標(biāo)稱通過(guò)距離和最大運(yùn)動(dòng)速度。然后在此空間內(nèi)放置靜止障礙物和動(dòng)態(tài)障礙物，確保任意障礙物之間的可通過(guò)距離大于被測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)稱通過(guò)距離；動(dòng)態(tài)障礙物(如無(wú)人機(jī)、無(wú)人車、行人)按照既定軌跡運(yùn)動(dòng)，并滿足：當(dāng)被測(cè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)到動(dòng)態(tài)障礙物附近時(shí)，任意2個(gè)動(dòng)態(tài)障礙物之間、動(dòng)態(tài)障礙物和靜態(tài)障礙物之間的間隔距離足夠被測(cè)系統(tǒng)從靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)并穿越動(dòng)態(tài)障礙物移動(dòng)區(qū)域。測(cè)試期間要求被測(cè)系統(tǒng)與障礙物無(wú)碰撞，若未發(fā)生碰撞則記成功；若發(fā)生碰撞則終止當(dāng)次測(cè)試并記為失敗。

4.3 環(huán)境感知

環(huán)境感知是無(wú)人系統(tǒng)理解自身所處環(huán)境的重要技術(shù)之一，主要從執(zhí)行時(shí)間、內(nèi)存及顯存占用和精確度3個(gè)方面對(duì)環(huán)境感知算法進(jìn)行評(píng)估。

(10)

5 結(jié)語(yǔ)

目前,國(guó)內(nèi)機(jī)器人、無(wú)人送貨車、自動(dòng)引導(dǎo)車、無(wú)人機(jī)等低速無(wú)人系統(tǒng)定位導(dǎo)航測(cè)評(píng)缺乏標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試環(huán)境和測(cè)試方法，測(cè)試指標(biāo)簡(jiǎn)單，難以量化測(cè)試。雖然國(guó)內(nèi)外部分研究機(jī)構(gòu)具備某些單項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試方法，但是對(duì)于系統(tǒng)性的測(cè)試缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試方法和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，尤其是智能無(wú)人系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的環(huán)境感知、定位導(dǎo)航、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制等技術(shù)指標(biāo)與能力測(cè)評(píng)水平低、測(cè)試環(huán)境簡(jiǎn)單、標(biāo)定精度不高、指標(biāo)單一、定量分析困難，統(tǒng)一、公開、規(guī)范的測(cè)試方法仍屬空白。因此，亟需制訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確定適用對(duì)象與范圍，明確技術(shù)指標(biāo)系統(tǒng)，定義測(cè)試場(chǎng)景，規(guī)范測(cè)試方法。本文通過(guò)從功能指標(biāo)和性能指標(biāo)2個(gè)方面，為各相關(guān)行業(yè)對(duì)低速無(wú)人系統(tǒng)的使用、評(píng)估、測(cè)試分析及要求，提供統(tǒng)一通用的測(cè)試分析方法。