蔡思，高麗潔

(武漢城市職業(yè)學(xué)院，湖北武漢 430070)

0 引言

一般來說，自動駕駛汽車是一種智能汽車，也被稱為輪式移動機器人。其原理為自動駕駛系統(tǒng)利用感知系統(tǒng),獲取車輛自身以及外界環(huán)境信息,經(jīng)過計算系統(tǒng)分析信息、作出決策,控制執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)車輛加速、減速或轉(zhuǎn)向，從而在無需駕駛員介入的情況下,完成自動行駛[1]。根據(jù)SAE自動駕駛分級標(biāo)準(zhǔn)，“0”級是表示由駕駛員完全自主控制的傳統(tǒng)汽車。今天的大多數(shù)汽車處于這一水平。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，帶自動駕駛功能的汽車份額也在增加。級別“1”和“2”通過駕駛輔助系統(tǒng)實現(xiàn)部分自動化，例如自動巡航系統(tǒng)、變道輔助系統(tǒng)等。在這些水平技術(shù)下，汽車駕駛員必須時刻關(guān)注駕駛情況。從“3”級開始，汽車將在某些交通狀況下接管控制權(quán)，但是如果遇到無法處理的交通狀況，則駕駛員必須接管控制權(quán)。在“4”級是全自動駕駛模式提供駕駛所有操作，不需要人為干預(yù)，但如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者個人駕駛需求時，駕駛員可接管并手動駕駛汽車。最后，級別“5”代表不再需要人工干預(yù)自動駕駛汽車，在這一級別，汽車作為一個獨立運送乘客或貨物的機器人。

1 自動駕駛環(huán)境感知系統(tǒng)

對于自動駕駛汽車感知系統(tǒng)包括自身狀態(tài)感知系統(tǒng)和環(huán)境感知系統(tǒng)[2]。實現(xiàn)自動駕駛功能的重要基礎(chǔ)在于可靠性，車輛可以在自我規(guī)劃的道路上可靠地循跡駕駛。要做到這一點，除了明確車輛自身狀態(tài)外，還必須觀察和預(yù)測其他交通參與者的行為。這一功能的實現(xiàn)必須借助于環(huán)境感知系統(tǒng)，通過提供信息給汽車控制系統(tǒng)作出決策。環(huán)境感知系統(tǒng)的工作內(nèi)容包括：安全地檢測其他車輛的位置和軌跡，認(rèn)知行人的動作意圖和姿態(tài)；結(jié)合環(huán)境模型，例如在數(shù)字地圖中，對所有的交通參與者進行識別，以便在高速公路、鄉(xiāng)村道路或市區(qū)道路、停車場等不同場景下進行駕駛。感知系統(tǒng)主要利用了傳感器技術(shù)、定位技術(shù)和車聯(lián)通信技術(shù)實現(xiàn)上述工作內(nèi)容。而傳感器技術(shù)又是環(huán)境感知系統(tǒng)的重要組成部件，因此是文中探討的重點內(nèi)容。

2 環(huán)境感知系統(tǒng)傳感器技術(shù)

為了檢測車輛周圍環(huán)境物體的位置、幾何形狀、運動狀態(tài)，需要用到不同類型的傳感器，而每一種傳感器有其特定的功能特性。用于自動駕駛環(huán)境感知的傳感器類型有：攝像機、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)。

2.1 攝像機

對于自動駕駛汽車的攝像機就是布置在車上不同位置的視覺傳感器。攝像機是目前自動駕駛中應(yīng)用最為廣泛的傳感器，主要用于紅綠燈檢測、交通標(biāo)準(zhǔn)識別、場景理解和路面識別等功能[3]。攝像機根據(jù)鏡頭和布置方式不同可以分為：單目攝像機、雙目攝像機、三目攝像機和環(huán)視攝像機。

單目攝像機由一個相機和一個鏡頭組成，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，而且基于單目攝像機開發(fā)了很多圖像的研究和算法，因此單目攝像機的算法成熟度更高。但單目攝像機有兩個先天缺陷：(1)視野范圍完全取決于鏡頭，選取長焦距鏡頭能獲取遠(yuǎn)距離信息，但會影響視野廣度，反之亦然；(2)其測距精度較低，特別是針對距離較遠(yuǎn)的圖像，由于只需幾個像素點進行描述，導(dǎo)致一個像素點代表的距離越大，那么測距精度就越低。

雙目相機由兩個相機構(gòu)成，在拍攝物體時會得到同一物體在攝像機的成像平面的像素偏移量，已知兩個相機之間的距離，就可以通過數(shù)學(xué)換算出物體的距離，更有利于障礙物的分類，提升高精度地圖定位匹配精度。雙目相機能夠得到較高的測量精度結(jié)果，但對兩個鏡頭的安裝位置和距離要求較多，并且視野極大程度依賴于鏡頭，不利于相機標(biāo)定。

三目攝像機就是3個不同焦距的單目相機的組合形式，3個攝像機的感知視野范圍不同，近距離的測距交給寬視野攝像頭，中距離測量交給主視野攝像頭，遠(yuǎn)距離測距則交給窄視野攝像頭?？梢缘玫捷^高精度的測距結(jié)果，但對數(shù)據(jù)算法要求很高，處理數(shù)據(jù)工作量較大。

環(huán)視攝像機的鏡頭是魚眼鏡頭，具有360°的采集視野，但是其圖像邊緣變形嚴(yán)重，需要通過算法處理后進行顯示。環(huán)視攝像機的感知范圍不大，主要用于車身5～10 m的障礙物檢測、自主泊車庫位線的識別。攝像機的主要優(yōu)點體現(xiàn)在分辨率和成本上。但在一些惡劣天氣情況，如雨雪、霧霾和夜間等，攝像頭的性能會快速下降。

2.2 激光雷達(dá)

為了解決攝像機的測距不準(zhǔn)確的問題，工程師們引入了激光雷達(dá)傳感器。激光雷達(dá)傳感器是通過對外發(fā)射一束激光，激光束遇到物體后經(jīng)漫反射返回至激光接收器，雷達(dá)模塊根據(jù)發(fā)送和接收信號的時間差進行計算，得出發(fā)射器與物體之間的距離。快速旋轉(zhuǎn)的激光傳感器每秒可提供數(shù)百萬個數(shù)據(jù)點，從而能夠創(chuàng)建周圍物體和環(huán)境的3D地圖，特別是周圍環(huán)境的映射對于自動駕駛功能非常重要。與攝像機相比該技術(shù)優(yōu)勢在于功能不受光照條件的影響，但容易受到煙霧惡劣天氣的影響，而且激光雷達(dá)的成本很高，但有一些技術(shù)可以降低成本，例如采用其中“弱感知+超強智能”技術(shù)，是指主要依賴攝像頭與深度學(xué)習(xí)技術(shù)實現(xiàn)環(huán)境感知方法。

2.3 毫米波雷達(dá)

為了使自動駕駛汽車技術(shù)能夠快速發(fā)展，同時解決攝像機測速、測距不準(zhǔn)確的問題。那么性價比更高的毫米波雷達(dá)出現(xiàn)了，毫米波的含義是頻率在10～200 GHz的電磁波，由于波長是毫米級，因此稱為毫米波雷達(dá)[4]。毫米波雷達(dá)不僅成本適中，并且能夠完美地處理激光雷達(dá)不能處理的煙霧天氣。毫米波雷達(dá)相比于激光雷達(dá)有更強的穿透性，并且體積較小，能夠安裝在不影響車輛外觀的位置，一般安裝在保險杠內(nèi)。毫米波雷達(dá)可同時檢測多個物體的距離、速度、角度。毫米波的探測距離可達(dá)200 m以上，還能適應(yīng)不同的天氣情況，因此常被安裝在正對汽車行駛方向的前保險杠上。毫米波雷達(dá)的缺點是數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差，會對后續(xù)的軟件算法提出更高的要求；毫米波雷達(dá)發(fā)出的電磁波對金屬極其敏感，如果檢測到突然出現(xiàn)的金屬廣告牌，則系統(tǒng)會被干擾出現(xiàn)剎車等情況，降低了汽車的舒適性；毫米波雷達(dá)在測量距離和角度時，會缺少高度信息，因此導(dǎo)致采樣點稀疏，無法準(zhǔn)確識別小的物體。

2.4 超聲波雷達(dá)

超聲波雷達(dá)是利用發(fā)射超聲波來計算障礙物的距離的傳感器。超聲波雷達(dá)的探測距離較短，不到3 m，因此常用于短距離測距。常見的超聲波雷達(dá)有兩種，一種是安裝在汽車前后保險杠上的，主要用于檢測汽車前后障礙物的超聲波雷達(dá)(UPA)；另一種是安裝于汽車側(cè)面的雷達(dá)，主要檢測汽車側(cè)面的障礙物的超聲波雷達(dá)(APA)。超聲波雷達(dá)對溫度敏感，測量相同位置的障礙物時，不同溫度情況下，測量距離會不同。超聲波雷達(dá)除了檢測障礙物以外，還可以利用APA識別庫位，輔助車輛倒車入庫。特斯拉還將用于泊車的APA超聲波雷達(dá)用在了高速巡航系統(tǒng)中，用于自主地側(cè)向微調(diào)，降低與側(cè)向車輛的碰撞風(fēng)險。

3 環(huán)境感知系統(tǒng)的展望

通過對環(huán)境感知系統(tǒng)的傳感器技術(shù)的分析發(fā)現(xiàn)，不同類型的傳感器有各自不同的優(yōu)缺點。如果只是單一地采用某一種傳感器是不可行的，傳感器的融合技術(shù)是未來環(huán)境感知系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，將不同傳感器信息進行融合算法，例如激光傳感器位置檢測更準(zhǔn)確，但無法測量速度，毫米波傳感器測量速度準(zhǔn)確，但無法準(zhǔn)確測量位置，那么將二者的信息進行算法融合，就能得到準(zhǔn)確的速度和位置信息，并且可以有效地提升障礙物的感知頻率。

此外未來的感知系統(tǒng)將借助外界手段進行，也就是通過V2X的車輛通信技術(shù)實現(xiàn)汽車與外界環(huán)境的交互作用,可以實現(xiàn)提前預(yù)判交通狀況,5G技術(shù)的出現(xiàn)，也提升了信息的傳遞速度，從而提高環(huán)境感知系統(tǒng)的智能性和可靠性,進而提升自動駕駛汽車的安全性。

4 結(jié)束語

自動駕駛環(huán)境感知系統(tǒng)依賴于不同類型的傳感器，提供不同的汽車所處環(huán)境信息。為了提升自動駕駛汽車的可靠性、準(zhǔn)確性和魯棒性，多傳感器融合技術(shù)是必不可少的，結(jié)合不同傳感器的特點，每種傳感器技術(shù)都可以在高度集成的系統(tǒng)中發(fā)揮其優(yōu)勢，獲取更準(zhǔn)確的環(huán)境信息。