何俊南，郭瑞玲，吳昊，殷振華

淺談自動(dòng)駕駛汽車(chē)環(huán)境感知系統(tǒng)在冬季面臨的挑戰(zhàn)*

何俊南，郭瑞玲，吳昊，殷振華

（中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

我國(guó)北方具有四季分明的特征，冬季寒冷漫長(zhǎng)且常伴有降雪，導(dǎo)致路面有積雪、結(jié)冰等情況，這些復(fù)雜的自然環(huán)境對(duì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的行駛安全提出了嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。文章總結(jié)了冬季環(huán)境對(duì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)環(huán)境感知系統(tǒng)的影響，并對(duì)后續(xù)研究提出建議。

自動(dòng)駕駛汽車(chē)；環(huán)境感知；冬季環(huán)境；降雪場(chǎng)景

1 引言

隨著汽車(chē)自動(dòng)化程度地提高，自動(dòng)駕駛汽車(chē)已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)之一。自動(dòng)駕駛汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)主要為感知、決策和控制三個(gè)方面，即利用傳感器收集周?chē)h(huán)境信息，并與決策系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行交互來(lái)控制車(chē)輛[1]。其中，環(huán)境感知系統(tǒng)能夠?qū)⒄鎸?shí)的物理世界信息采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，是自動(dòng)駕駛汽車(chē)的硬件架構(gòu)基礎(chǔ)[2]。在北方的冬季，環(huán)境條件復(fù)雜，且易出現(xiàn)極端惡劣的天氣，為環(huán)境感知系統(tǒng)的正常工作提出了挑戰(zhàn)。

2 環(huán)境感知系統(tǒng)概況

環(huán)境感知系統(tǒng)利用外部傳感器采集道路狀況、天氣狀況、駕駛員狀態(tài)等，為自動(dòng)駕駛汽車(chē)的安全行駛提供可靠的決策依據(jù)。目前，現(xiàn)有的車(chē)載傳感器主要包括激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)和攝像頭等。

2.1 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)是工作在光波頻段的雷達(dá)，它利用光波頻段的電磁波先向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)，然后將其接收到的同波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)相比較，從而獲得目標(biāo)的位置（距離、方位和高度）、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（速度、姿態(tài)）等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤和識(shí)別[3]。激光雷達(dá)探測(cè)范圍廣、分辨率高、信息量豐富，可探測(cè)路面場(chǎng)景中的其他車(chē)輛、行人和障礙物等，但不能識(shí)別交通標(biāo)志和交通信號(hào)燈，多用于行人保護(hù)系統(tǒng)、自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)、車(chē)道偏離預(yù)警系統(tǒng)、自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)等。

2.2 毫米波雷達(dá)

毫米波是指長(zhǎng)度為1-10mm的電磁波，對(duì)應(yīng)的頻率為30-300GHz，毫米波雷達(dá)的基本原理是發(fā)射一束電磁波，觀(guān)察回波與入射波的差異來(lái)計(jì)算距離、速度等[4]。毫米波雷達(dá)探測(cè)距離遠(yuǎn)，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，但是覆蓋區(qū)域呈扇形，有盲點(diǎn)區(qū)域，無(wú)法識(shí)別交通標(biāo)志和交通信號(hào)燈，主要用于自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)、自動(dòng)制動(dòng)輔助系統(tǒng)、盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。

2.3 超聲波雷達(dá)

超聲波雷達(dá)利用聲波的傳播來(lái)提取環(huán)境信息，首先發(fā)出高頻聲波，并且接收物體反射來(lái)的回波，最后計(jì)算從發(fā)送信號(hào)到收到回波的時(shí)間間隔，從而確定物體的距離[5]。超聲波雷達(dá)的成本較低，重量輕，功耗低，但是探測(cè)距離較近，有盲區(qū)，對(duì)色彩、光照度不敏感，對(duì)光線(xiàn)和電磁場(chǎng)不敏感，最常見(jiàn)的是用在自動(dòng)泊車(chē)輔助系統(tǒng)。

2.4 攝像頭

攝像頭主要由鏡頭、圖像傳感器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像處理器、圖像存儲(chǔ)器等組成，其主要功能是獲取足夠的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)要處理的原始圖像。光線(xiàn)經(jīng)過(guò)光學(xué)鏡頭和濾光片后聚焦到傳感器上，通過(guò)轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再由圖像處理器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)字圖像信號(hào)，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)端[6]。攝像頭感知信息量極為豐富，不僅包含有視野內(nèi)物體的距離信息，還有該物體的顏色、紋理、深度、形狀等信息，并且可進(jìn)行多任務(wù)檢測(cè)。攝像頭包括單目、雙目、三目、環(huán)視等類(lèi)型，主要用來(lái)識(shí)別車(chē)道線(xiàn)、障礙物、交通標(biāo)志牌、地面標(biāo)志、交通信號(hào)燈等。

3 冬季環(huán)境特征及其影響

隨著汽車(chē)廠(chǎng)商爭(zhēng)相上路進(jìn)行自動(dòng)駕駛汽車(chē)路試，他們陸續(xù)遇到了冬季環(huán)境帶來(lái)的挑戰(zhàn)。在冬季環(huán)境行駛對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車(chē)的普及至關(guān)重要，并且還能進(jìn)一步發(fā)揮自動(dòng)駕駛汽車(chē)在減少交通擁堵和交通事故傷亡方面的潛力。冬季環(huán)境的特點(diǎn)為：氣溫低且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，存在降雪及路面積雪、結(jié)冰的情況。

3.1 低溫

低溫環(huán)境會(huì)改變各類(lèi)傳感器材料的物理特性，可能會(huì)對(duì)其工作性能造成暫時(shí)或永久性的損害，比如造成傳感器材料的硬化和脆化，因此對(duì)于各類(lèi)傳感器的低溫適應(yīng)性能和耐久性能均提出了更高的要求。此外，低溫環(huán)境下雷達(dá)傳感器外表面上易出現(xiàn)結(jié)冰的情況，當(dāng)結(jié)冰量很少時(shí)，雷達(dá)傳感器尚能應(yīng)付，但是結(jié)冰越來(lái)越厚時(shí)，雷達(dá)傳感器就無(wú)法正常工作。

3.2 降雪

視覺(jué)傳感器受降雪天氣影響最大，雪花會(huì)遮擋攝像機(jī)的視線(xiàn)，導(dǎo)致不能正確識(shí)別道路標(biāo)記等，造成汽車(chē)“失明”。當(dāng)雪花附著在攝像頭上逐步融化為水滴，會(huì)對(duì)光圈孔徑造成嚴(yán)重影響，造成視野遮蔽或背景虛化等。激光雷達(dá)也會(huì)因降雪天氣而受限，因?yàn)榘l(fā)射的光脈沖遇到雪花會(huì)反射回來(lái)，激光透過(guò)率隨著降雪密度以及傳輸距離的增加而下降，甚至?xí)崖湎碌难┗ㄕ`認(rèn)為是需要躲避的物體，干擾自動(dòng)駕駛汽車(chē)對(duì)周?chē)h(huán)境的正確判斷。

3.3 路面積雪、結(jié)冰

對(duì)于視覺(jué)傳感器來(lái)說(shuō)，路面積雪或結(jié)冰時(shí)，會(huì)掩蓋車(chē)道線(xiàn)，造成識(shí)別困難，并且道路上產(chǎn)生的反射可能會(huì)出現(xiàn)混亂物體鏡像，從而發(fā)生認(rèn)知混淆，物體誤判等情況。此外，積雪、結(jié)冰路面濕滑，對(duì)車(chē)輛的操控性能和制動(dòng)性能有很大影響，目前的環(huán)境感知系統(tǒng)并不能感知路面性能如附著系數(shù)等信息，無(wú)法有效應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的輪胎打滑、制動(dòng)距離增加等情況。

4 研究建議

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車(chē)在冬季場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試的研究較少，可供借鑒的成果案例較少，其原因如下：關(guān)鍵的降雪模擬場(chǎng)景搭建技術(shù)難度較大，投資成本較高，且因其特殊的季節(jié)性，導(dǎo)致項(xiàng)目周期較短。但是，隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)迭代升級(jí)，冬季場(chǎng)景的測(cè)試需求定會(huì)逐漸增加，目前已有部分雨霧環(huán)境模擬測(cè)試區(qū)進(jìn)行開(kāi)放，可為降雪模擬場(chǎng)景的搭建提供參考。

美國(guó)弗吉尼亞Smart Road試驗(yàn)場(chǎng)是美國(guó)北部唯一能夠進(jìn)行智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)測(cè)試的試驗(yàn)場(chǎng)，最具特色的便是天氣模擬系統(tǒng)，測(cè)試場(chǎng)景如圖1所示。該測(cè)試區(qū)道路長(zhǎng)度800m，設(shè)置75個(gè)天氣塔可以產(chǎn)生雨、雪和霧，天氣塔中的水來(lái)源于一個(gè)容量為189萬(wàn)升的水箱，它們可以在適宜的天氣環(huán)境下產(chǎn)生特定的天氣，如雨量為2-64mm/h的降雨天氣，能見(jiàn)度在3-91m范圍內(nèi)變化的霧天，以及雪量為102mm/h的降雪天氣。

圖1 Smart Road汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)降雨測(cè)試場(chǎng)景

日本機(jī)動(dòng)車(chē)研究所建設(shè)的日本第一家自動(dòng)駕駛汽車(chē)測(cè)試場(chǎng)J-TOWN，于2017年4月1日面向日本國(guó)內(nèi)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)放測(cè)試。其中，針對(duì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的環(huán)境感知系統(tǒng)測(cè)試，設(shè)置特殊環(huán)境測(cè)試區(qū)域，道路長(zhǎng)度為200m，可實(shí)現(xiàn)降雨場(chǎng)景模擬，并與光照模擬結(jié)合，搭建了多種場(chǎng)景設(shè)施，測(cè)試場(chǎng)景如圖2所示。

圖2 J-TOWN汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)降雨測(cè)試場(chǎng)景

由新加坡國(guó)家陸路運(yùn)輸管理局和新加坡南洋理工大學(xué)等機(jī)構(gòu)共同開(kāi)發(fā)的CETRAN智能車(chē)測(cè)試中心，是東南亞地區(qū)第一個(gè)自動(dòng)駕駛測(cè)試中心，已于2017年底開(kāi)放。針對(duì)新加坡及周邊熱帶地區(qū)突然傾盆大雨或山洪暴發(fā)的特殊環(huán)境，設(shè)置了模擬熱帶降雨和洪水的測(cè)試區(qū)域，道路長(zhǎng)度為40m。雨天模擬器由一個(gè)近40米長(zhǎng)的薄金屬框架組成，分為九個(gè)部分，在每個(gè)部分的頂部有三個(gè)噴嘴，降雨強(qiáng)度可達(dá)150mm/h，測(cè)試場(chǎng)景如圖3所示。

圖3 CETRAN智能車(chē)測(cè)試中心降雨測(cè)試場(chǎng)景

2019年8月，上海臨港智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)綜合測(cè)試示范區(qū)正式開(kāi)放，該示范區(qū)建有國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的雨霧環(huán)境測(cè)試區(qū)域，可模擬高速公路及普通公路的雨霧場(chǎng)景，測(cè)試場(chǎng)景如圖4所示。雨霧環(huán)境測(cè)試區(qū)長(zhǎng)約500m，立桿高度達(dá)4.8m（凈空），可以實(shí)現(xiàn)5mm-100mm的雨量等級(jí)，即小雨到大暴雨6個(gè)雨量等級(jí)，雨霧均勻可控，雨量數(shù)據(jù)低延遲上傳，云控平臺(tái)全時(shí)監(jiān)控。

因此，開(kāi)展降雪模擬場(chǎng)景搭建研究時(shí)，首先需分析冬季氣象環(huán)境的形成機(jī)理，如自然環(huán)境中降雪的形成原理及其特性；隨后進(jìn)行模擬復(fù)現(xiàn)技術(shù)研究，如充分調(diào)研目前已知的造雪設(shè)備，選擇與自然降雪性能最為接近的造雪方式，并設(shè)計(jì)布局以控制降雪量和降雪均勻性等；從路面特征和天氣條件兩個(gè)維度出發(fā)，構(gòu)建不同級(jí)別的測(cè)試場(chǎng)景；最后確定科學(xué)的測(cè)試方法，通過(guò)冬季場(chǎng)景測(cè)試獲取并分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，調(diào)整優(yōu)化后形成完善的測(cè)試方法及測(cè)試流程。

圖4 臨港智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)測(cè)試示范區(qū)雨霧環(huán)境測(cè)試區(qū)

5 結(jié)語(yǔ)

隨著技術(shù)的進(jìn)步，自動(dòng)駕駛技術(shù)飛速發(fā)展，已經(jīng)成為汽車(chē)行業(yè)的重要趨勢(shì)。目前在冬季環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛還有很多未知的盲區(qū)，需要從業(yè)者繼續(xù)探索和研究，完善的環(huán)境感知系統(tǒng)將是自動(dòng)駕駛汽車(chē)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)落地的重要基礎(chǔ)。

[1] 王金強(qiáng),黃航,郅朋,申澤邦,周慶國(guó).自動(dòng)駕駛發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2019,45(06):28-36.

[2] 王藝帆.自動(dòng)駕駛汽車(chē)感知系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].汽車(chē)電器,2016 (12):12-16.

[3] 郝俊.自動(dòng)駕駛環(huán)境感知系統(tǒng)研究[J].時(shí)代汽車(chē),2018,300(09):16- 17.

[4] 蘇賡,劉笛,果敢.車(chē)載毫米波雷達(dá)技術(shù)及測(cè)試方法[J].電信網(wǎng)技術(shù),2017(06):1-6.

[5] 王偉.汽車(chē)超聲波雷達(dá)倒車(chē)系統(tǒng)地研究與設(shè)計(jì)[J].技術(shù)與市場(chǎng), 2013(004):90-90,92.

[6] 王鵬.視覺(jué)傳感器在智能汽車(chē)上的應(yīng)用[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2019 (023):41-43.

Discussion on the Challenges of Environmental Perception System of Automatic Driving Vehicles in Winter*

He Junnan, Guo Ruiling, Wu Hao, Yin Zhenhua

( China Automotive Technology and Research Center Co., Ltd, Tianjin 300300 )

North China is characterized by four distinct seasons. Winter is long and cold, often accompanied by snowfall, which leads to snow and ice on the road surface. These complex natural environment poses severe challenges to the driving safety of automatic driving vehicles. This paper summarizes the influences of winter environment on the environment perception system of autonomous vehicle, and puts forward some suggestions for follow-up research.

Automatic Driving Vehicle;Environment Perception;Winter Environment;Snowfall Scene

A

1671-7988(2020)24-22-03

U471

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1671-7988(2020)24-22-03

何俊南，工程師，就職于中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司，研究方向?yàn)槠?chē)環(huán)境測(cè)試。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2020.24.008

CLC NO.: U471

課題支持：JXKT2001《自然環(huán)境下智能網(wǎng)聯(lián)車(chē)輛冰雪測(cè)試場(chǎng)景構(gòu)建技術(shù)研究》。