【淺談智能駕駛中的環(huán)境感知】

前言

智能汽車是在傳統(tǒng)汽車的基礎(chǔ)之上將“智慧”和“能力”有機(jī)結(jié)合，它需要搭載先進(jìn)的傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置，并集中運(yùn)用現(xiàn)代傳感感知、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、信息與通信和人工智能等先進(jìn)技術(shù)。這些裝置和技術(shù)使得智能駕駛汽車能夠感知復(fù)雜環(huán)境、進(jìn)行智能化決策、協(xié)同執(zhí)行任務(wù)和共享互聯(lián)網(wǎng)信息，甚至能夠與公路及交通輔助設(shè)施組成一個(gè)智能交通系統(tǒng)。

智能駕駛技術(shù)使得車輛可以模仿人類“感知-思考-判斷-執(zhí)行”的思維模式和行為能力，從而實(shí)現(xiàn)輔助人類駕駛甚至完全的車輛自主駕駛，該技術(shù)對(duì)提升車輛的舒適性和安全性、提高交通資源利用率、減少城市交通擁堵和促進(jìn)節(jié)能減排有著重要的研究意義和實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。智能化發(fā)展是目前世界公認(rèn)的汽車產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵方向，智能駕駛技術(shù)將是未來(lái)汽車技術(shù)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

早在1939年，美國(guó)通用汽車公司第一次展出無(wú)人駕駛概念車Futurama，20世紀(jì)80年代后，歐美部分政府機(jī)構(gòu)相繼開展了智能駕駛汽車的研究計(jì)劃。目前，在新一輪全球工業(yè)科技革命的推動(dòng)下，各國(guó)的科研機(jī)構(gòu)、高校和企業(yè)都掀起了智能車技術(shù)研究熱潮。國(guó)內(nèi)的清華、國(guó)防科技大學(xué)等高校，一汽、上汽等汽車集團(tuán)公司都正在研究智能駕駛技術(shù)，同時(shí)蔚來(lái)汽車、小鵬汽車等互聯(lián)網(wǎng)電動(dòng)智能汽車公司如雨后春筍般萌發(fā)出來(lái)。

表1汽車智能化水平分級(jí)

國(guó)際汽車工程師協(xié)會(huì)(SAE)將汽車智能化水平分為六個(gè)等級(jí)，如表所示。對(duì)以上六個(gè)等級(jí)的簡(jiǎn)潔描述如下：L0即完全依靠駕駛員操控的傳統(tǒng)人工駕駛；L1系統(tǒng)可對(duì)轉(zhuǎn)向和加減速中的一項(xiàng)操作提供駕駛支援；L2系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)向和加減速中的多項(xiàng)操作提供駕駛支援；L3環(huán)境監(jiān)控和所有駕駛操作均由系統(tǒng)完成，駕駛員只提供應(yīng)答決策；L4駕駛員無(wú)需對(duì)所有的系統(tǒng)要求進(jìn)行應(yīng)答，但駕駛過(guò)程對(duì)道路和環(huán)境條件有所限制；L5系統(tǒng)可完成在所有道路和環(huán)境條件下的駕駛。

環(huán)境感知是研究汽車智能駕駛技術(shù)的基礎(chǔ)，車輛通過(guò)傳感器可以獲得行駛路徑、障礙物、交通標(biāo)志等駕駛環(huán)境信息，進(jìn)而才能進(jìn)行決策規(guī)劃和運(yùn)行控制，因此環(huán)境感知在智能駕駛技術(shù)中起著至關(guān)重要的作用，是實(shí)現(xiàn)輔助駕駛及車輛完全自主駕駛的前提條件。智能駕駛環(huán)境感知技術(shù)涉及的關(guān)鍵內(nèi)容主要有三個(gè)方面：傳感器，環(huán)境檢測(cè)，定位導(dǎo)航，本文將對(duì)以上三個(gè)方面的內(nèi)容進(jìn)行一一介紹。

1.傳感器

傳感器是智能車輛進(jìn)行感知的工具，目前三個(gè)國(guó)際大公司的無(wú)人駕駛汽車的傳感器配置如表2所示，他們常用的環(huán)境傳感器一般都包括激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、攝像頭和超聲波傳感器。

表2無(wú)人駕駛汽車傳感器配置

激光雷達(dá)利用旋轉(zhuǎn)的反射鏡將激光發(fā)射出去，通過(guò)測(cè)量發(fā)射光和反射光之間的時(shí)間差來(lái)測(cè)量距離，其中三維激光雷達(dá)的反射鏡附有一定范圍的俯仰運(yùn)動(dòng)，可獲取物體的高精度三維信息，但是激光雷達(dá)容易受到雨雪霧的干擾，并且價(jià)格昂貴。目前主流的激光雷達(dá)的參數(shù)型號(hào)和報(bào)價(jià)如表3所示。

毫米波雷達(dá)是指發(fā)射波長(zhǎng)為1-10mm、工作頻率在30-300GHz頻域的雷達(dá)，毫米波雷達(dá)利用多普勒原理，對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)檢測(cè)效果好，不受惡劣天氣的影響，對(duì)煙塵雨霧有良好的穿透?jìng)鞑ヌ匦浴５呛撩撞ɡ走_(dá)通常視場(chǎng)較小，并且毫米波在大氣中傳播衰減較為嚴(yán)重。常見的毫米波雷達(dá)參數(shù)型號(hào)價(jià)格如表4所示。

攝像頭主要用于車道線檢測(cè)、識(shí)別障礙物及交通標(biāo)志等。攝像頭的成本低廉、技術(shù)相對(duì)比較成熟，但是受環(huán)境光線影響較大、難以準(zhǔn)確獲得三維信息等，這些問題也在探索當(dāng)中，例如用紅外攝像頭來(lái)減少光線影響，用雙目或三目攝像頭獲取三維信息。主流攝像頭參數(shù)型號(hào)及報(bào)價(jià)如表5所示。

表3激光雷達(dá)

表4毫米波雷達(dá)

表5攝像頭

超聲波傳是頻率高于聲波的機(jī)械波，在空氣中傳播時(shí)能量有較大衰減，因此超聲波雷達(dá)主要用于近距離的對(duì)感知精度要求不高的障礙物檢測(cè)。超聲波傳感器種類眾多且價(jià)格低廉，通常一輛車上會(huì)安裝多個(gè)超聲波傳感器，用于避免低速時(shí)的碰撞。

各種傳感器都有自身的優(yōu)缺點(diǎn)，為了更加準(zhǔn)確的進(jìn)行環(huán)境感知，避免受到氣候環(huán)境影響，在實(shí)際應(yīng)用通常使用多種傳感器進(jìn)行組合。

2.環(huán)境監(jiān)測(cè)

智能駕駛汽車需要基于傳感器檢測(cè)路面信息及障礙物，并計(jì)算障礙物與車輛的相對(duì)距離。智能車輛需要檢測(cè)的目標(biāo)及相應(yīng)傳感器如表6所示。

表6檢測(cè)目標(biāo)及傳感器

人類在駕駛過(guò)程中大多數(shù)環(huán)境信息來(lái)源于視覺，視覺系統(tǒng)視場(chǎng)寬且成本低，因此基于視覺的環(huán)境檢測(cè)是智能駕駛檢測(cè)技術(shù)的主要方向。用于智能駕駛汽車目標(biāo)檢測(cè)的主要技術(shù)有背景差分、特征匹配和統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)，其基本原理和特點(diǎn)如表7所示。

通常智能車輛與檢測(cè)目標(biāo)總是存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤技術(shù)可以保證環(huán)境感知的實(shí)時(shí)性，目前跟蹤技術(shù)主要有CamShift算法和基于Kalman濾波的跟蹤方法，其基本原理及特點(diǎn)如表8所示。

表7主要目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)

表8主要目標(biāo)跟蹤方法

表9四大全球衛(wèi)星系統(tǒng)

表10主要定位導(dǎo)航技術(shù)

3.定位導(dǎo)航

智能駕駛汽車在行駛過(guò)程中不僅需要探測(cè)周圍環(huán)境信息，還需要獲得車輛與外界環(huán)境的相對(duì)位置關(guān)系并確定絕對(duì)位置，定位導(dǎo)航也是環(huán)境感知的關(guān)鍵技術(shù)之一。

衛(wèi)星系統(tǒng)在智能汽車的定位導(dǎo)航中占據(jù)著重要位置，目前主要有美國(guó)的GPS、我國(guó)的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS、歐盟的GALILEO四大全球衛(wèi)星系統(tǒng)，其性能對(duì)比如表9所示。

目前應(yīng)用最為廣泛的衛(wèi)星系統(tǒng)是GPS，它可以向全球用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置、三維速度和時(shí)間信息，具有較高的定位和測(cè)速精度。但是在山區(qū)、隧道和高樓林立高架縱橫的城市等環(huán)境中，GPS信號(hào)容易受到干擾，如果信號(hào)失鎖，重捕后再次定位時(shí)間較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響車輛正常的定位與導(dǎo)航。其他衛(wèi)星系統(tǒng)同樣存在著自身問題，因此通常在衛(wèi)星系統(tǒng)的基礎(chǔ)上結(jié)合其他技術(shù)來(lái)提高定位導(dǎo)航的精度和保證系統(tǒng)的可靠性。目前常用的定位導(dǎo)航技術(shù)如表10所示。

4.總結(jié)

智能車輛是一個(gè)非常復(fù)雜的綜合體，環(huán)境感知系統(tǒng)的主要作用是為智能車輛的行為決策和路徑規(guī)劃提供準(zhǔn)確可靠的信息源。隨著智能駕駛技術(shù)的不斷成熟，智能車輛將逐步應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，例如在礦山和物流廠區(qū)運(yùn)輸貨物、在工業(yè)園區(qū)運(yùn)送員工通勤等等。京東、阿里等公司及汽車電商創(chuàng)業(yè)者們正在探索新的商業(yè)模式和場(chǎng)景應(yīng)用，在不久的將來(lái)，智能汽車與商業(yè)的結(jié)合將給人們的消費(fèi)習(xí)慣和行為方式帶來(lái)翻天覆地的變化。研究智能駕駛汽車不僅會(huì)促進(jìn)科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展、利于新興行業(yè)的興起，同時(shí)也為如何更加有效利用社會(huì)資源、緩解交通擁堵、降低能源消耗等亟待解決的社會(huì)問題提供了新的可能。對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)，發(fā)展智能汽車是一個(gè)火熱的潮流，更是我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大機(jī)遇，國(guó)家發(fā)改委將同有關(guān)方面正在制定針對(duì)智能汽車放面的政策和法規(guī)，加快促進(jìn)我國(guó)智能汽車創(chuàng)新發(fā)展。