何俊南　姜京秀　孫朋朋

摘 要：冬季的環(huán)境條件復(fù)雜，且常伴有降雪，對自動駕駛汽車的行駛安全提出了嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。本文聚焦于此，利用人工造雪的方式搭建降雪場景，并選取激光雷達(dá)作為研究對象，對激光雷達(dá)在不同降雪強(qiáng)度下的信號覆蓋范圍、有效分辨率和回波反射強(qiáng)度進(jìn)行試驗研究。

關(guān)鍵詞：自動駕駛汽車 激光雷達(dá) 降雪 環(huán)境適應(yīng)性

1 引言

汽車自動駕駛技術(shù)，作為面向未來的戰(zhàn)略型技術(shù)，對汽車產(chǎn)業(yè)的變革和發(fā)展具有關(guān)鍵性作用。目前，隨著自動駕駛技術(shù)的發(fā)展，我國的自動駕駛汽車已經(jīng)走到了一個新的階段。2021年2月，國家發(fā)改委等11部委聯(lián)合發(fā)布《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》，標(biāo)志著中國在智能汽車領(lǐng)域發(fā)起進(jìn)攻，爭當(dāng)智能汽車強(qiáng)國。《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》指出，2025年實現(xiàn)有條件自動駕駛的智能汽車達(dá)到規(guī)?；a(chǎn)，實現(xiàn)高度自動駕駛的智能汽車在特定環(huán)境下市場化應(yīng)用。

自動駕駛汽車具有廣泛的使用場景，相關(guān)機(jī)構(gòu)如谷歌、蘋果、特斯拉、百度等已陸續(xù)在實際道路開展測試，以對車輛進(jìn)行全面且深入的功能驗證。冬季作為典型使用場景之一，環(huán)境條件復(fù)雜，且易出現(xiàn)降雪天氣，為自動駕駛汽車的正常工作帶來了嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)[1]。針對于此，本文圍繞自動駕駛汽車環(huán)境感知系統(tǒng)在降雪環(huán)境的性能變化，在該領(lǐng)域開展初步的探索性工作，利用人工造雪的方式，進(jìn)行降雪環(huán)境的設(shè)計和搭建，并選取激光雷達(dá)作為主要研究對象，進(jìn)行不同降雪場景下的性能研究。

2 降雪對激光雷達(dá)的影響

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，為自動駕駛汽車的安全行駛提供可靠的決策依據(jù)。目前，現(xiàn)有的車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[1]。

激光雷達(dá)是指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)射探測信號，然后將其接收到的同波信號與發(fā)射信號相比較，從而獲得目標(biāo)的位置（距離、方位和高度）、運動狀態(tài)（速度、姿態(tài)）等信息，實現(xiàn)對目標(biāo)的探測、跟蹤和識別[2]。激光雷達(dá)探測范圍廣、分辨率高、信息量豐富，可探測路面場景中的其他車輛、行人和障礙物等，但不能識別交通標(biāo)志和交通信號燈，多用于行人保護(hù)系統(tǒng)、自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)、車道偏離預(yù)警系統(tǒng)、自動緊急制動系統(tǒng)等。

激光雷達(dá)的功能會因降雪天氣而受限，因為發(fā)射的光脈沖遇到雪花會反射回來，激光透過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，干擾自動駕駛汽車對周圍環(huán)境的正確判斷[1]。

3 降雪場景構(gòu)建

3.1 人工造雪技術(shù)

自然界的降雪主要是由于云中的冰晶之間或冰晶與過冷水滴之間的相互碰撞，使部分冰晶迅速增大，當(dāng)冰晶能夠克服空氣阻力和浮力時，便從空中落下，在空氣溫濕度、氣流、降落高度等因素的影響下，最終形成了各種形狀的雪花。

目前，常用且高效的造雪方法是使高壓水與空氣混合霧化結(jié)晶進(jìn)行造雪，人工造雪原理圖見圖1。其工作流程是：首先使來自高壓水泵的高壓水與來自空氣壓縮機(jī)的高壓空氣在噴嘴處混合，霧化形成小水滴，然后將水滴分散到空氣中，使空氣與水滴充分接觸，利用水自然蒸發(fā)和壓縮空氣體積膨脹帶走的熱量使水滴凝結(jié)成冰晶，最后在低溫環(huán)境下，使冰晶落地成雪。

3.2 降雪場景設(shè)計與布置

本研究的降雪場景構(gòu)建地點為中國汽車技術(shù)研究中心冬季汽車試驗場，選取的造雪機(jī)為牡丹江市安格士旅游設(shè)備廠生產(chǎn)的雪霸王造雪機(jī)，具體技術(shù)參數(shù)見表1。該造雪機(jī)為三輪可移動式設(shè)備，水平方向可旋轉(zhuǎn)360°，具備電加熱器自動預(yù)熱控制功能，并具備多排閥門可調(diào)控降雪強(qiáng)度，設(shè)備實景圖見圖2。

為滿足測試要求，降雪場景尺寸為120m*6m，采用4臺造雪機(jī)，以滿足降雪量要求，布設(shè)方案見圖3。

4 試驗方案

4.1 激光雷達(dá)選型

本研究選用Velodyne公司生產(chǎn)的型號為ULTRA Puck VLP-32的三維激光雷達(dá)，該雷達(dá)擁有32個通道，每秒能夠產(chǎn)生約120萬個三維點云坐標(biāo)，并采用雙回波模式，具備200米的有效測量范圍，以及360°水平視場和40°的垂直視場，實物圖如圖4所示。為了確保試驗過程中，激光雷達(dá)能達(dá)到最大的感知視野，將三維激光雷達(dá)安裝在試驗車輛的頂部，并且雷達(dá)軸垂直于地面，如圖4所示。

4.2 試驗工況設(shè)計

本研究以假人為目標(biāo)物，測試在3種不同的降雪條件下，激光雷達(dá)距離目標(biāo)物不同距離時的識別效果。圖5為降雪場景實際圖，包括無雪場景、I檔降雪場景和II檔降雪場景。

5 試驗結(jié)果分析

5.1 降雪對激光雷達(dá)覆蓋范圍的影響

安裝激光雷達(dá)的測試車停在距離目標(biāo)物20m遠(yuǎn)處，實時采集無雪、I擋降雪和II擋降雪三種場景下的激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)，以反射強(qiáng)度的形式進(jìn)行編碼后，形成鳥瞰圖如圖6所示。由圖可見，隨著降雪量的增加，激光雷達(dá)的覆蓋范圍逐漸減小。

5.2 降雪對激光雷達(dá)有效分辨率的影響

隨著試驗的進(jìn)行，激光雷達(dá)周圍逐漸被一些雪花所覆蓋，如圖7所示。雪覆蓋后的激光雷達(dá)輸出的點云分布圖如圖7所示。由圖可見，在激光雷達(dá)周圍產(chǎn)生了大量的噪點，極大降低了點云的有效分辨率，嚴(yán)重?fù)p害了激光雷達(dá)的性能[3]。

5.3 降雪對激光雷達(dá)回波反射強(qiáng)度的影響

安裝激光雷達(dá)的測試車停在距離目標(biāo)物30m遠(yuǎn)處，實時采集無雪、I擋降雪和II擋降雪三種場景下的激光雷達(dá)回波反射強(qiáng)度，如圖8所示。從“無雪”到“有雪”，激光雷達(dá)的回波反射強(qiáng)度大幅下降，且隨著降雪量的增加，回波反射強(qiáng)度持續(xù)下降，直至趨近于零。

6 結(jié)語

本文針對于車載激光雷達(dá)在降雪環(huán)境下的適應(yīng)性進(jìn)行了初步探索與嘗試，以期為相關(guān)研究提供有效參考。同時，在降雪場景構(gòu)建過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些難點：如降雪強(qiáng)度和均勻度的控制受溫度、濕度和局部陣風(fēng)的影響較大；人工造雪的雪質(zhì)和落雪方式相比于自然落雪，仍存在一些差距。目前，自動駕駛汽車在降雪場景下的測試還有很多未知的盲區(qū)，需要從業(yè)者繼續(xù)探索和研究，隨著自動駕駛技術(shù)的迭代升級，在該類復(fù)雜氣象環(huán)境下的測試需求定會逐漸增加。

參考文獻(xiàn)：

[1]何俊南，郭瑞玲，吳昊，殷振華.淺談自動駕駛汽車環(huán)境感知系統(tǒng)在冬季面臨的挑戰(zhàn)[J].汽車實用技術(shù)，2020，24：22-24.

[2]郝俊.自動駕駛環(huán)境感知系統(tǒng)研究[J].時代汽車，2018，300（09）：16-17.

[3]Sun Pengpeng， Sun Chenghao， Wang Runmin， Zhao Xiangmo. Object Detection Based on Roadside LiDAR for Cooperative Driving Automation： A Review[J]. Sensors （Basel），2022，22（23）：9316.