為什么傳感器會(huì)偏移?

　　當(dāng)自動(dòng)駕駛車輛在道路上行駛，尤其是長期行駛后，很容易遇到如高速通過減速帶、顛簸路面、不平路段等各種震動(dòng)、沖擊，或車輛經(jīng)過坑洼、石子、坑洞，甚至因?yàn)閯x車、載物、過彎等造成車身微微變形、震動(dòng)。時(shí)間長了，安裝在車身上的攝像頭、LiDAR、毫米波雷達(dá)等感知傳感器，會(huì)因?yàn)橹Ъ芩蓜?dòng)、粘接疲勞、車身輕微變形，甚至螺絲松動(dòng)等，產(chǎn)生“位置偏移”或“姿態(tài)變化(朝向、傾斜、高度變化)”。

　　此外，若在更換零部件、更換輪胎、輪轂維修、車身檢測、碰撞維修后，也可能影響傳感器的安裝剛性，從而改變原來的安裝姿態(tài)。

　　這些物理偏移可能只有幾毫米、幾度這么小，但對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)來說影響可能很大。自動(dòng)駕駛系統(tǒng)之所以對(duì)傳感器的安裝位置、朝向和姿態(tài)要求這么高，是因?yàn)樗袀鞲衅骺吹降臇|西，最終都要被轉(zhuǎn)換到同一個(gè)車體坐標(biāo)系或世界坐標(biāo)系里。只有把這些數(shù)據(jù)放到同一個(gè)“空間參照系”中，系統(tǒng)才能把攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)這些不同來源的信息融合起來，看清周圍環(huán)境，并據(jù)此做出路徑規(guī)劃和車輛控制。把每個(gè)傳感器與車輛坐標(biāo)關(guān)系精確對(duì)應(yīng)起來的過程，就是我們常說的“標(biāo)定”。

　　一旦傳感器發(fā)生偏移，原來的標(biāo)定關(guān)系就不準(zhǔn)了，這就類似于攝像頭或雷達(dá)被輕輕“擰歪了”。系統(tǒng)再用這些數(shù)據(jù)去理解外界時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)偏差，物體的位置、距離、方向，甚至速度的判斷都可能不再準(zhǔn)確。感知一旦不準(zhǔn)，后續(xù)的決策和控制也會(huì)受到影響，安全性自然就無法保證。

　　因此，在自動(dòng)駕駛實(shí)際部署中，這種偏移一定是不可忽視的，必須設(shè)計(jì)解決對(duì)策。

　　如何防范與檢測“偏移”?

　　1)初始標(biāo)定(offline calibration)必須嚴(yán)格

　　在感知傳感器剛裝到車上時(shí)，需要做一次非常嚴(yán)格的標(biāo)定。這個(gè)標(biāo)定會(huì)把每個(gè)傳感器的“內(nèi)參數(shù)”(例如相機(jī)的焦距、畸變、鏡頭模型等，LiDAR和雷達(dá)也有自己的內(nèi)部參考參數(shù))和“外參數(shù)”(也就是傳感器相對(duì)于車體坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，包括平移、旋轉(zhuǎn)、朝向、傾斜、高度等)全部確定清楚。

　　這一步就像給系統(tǒng)建立“世界觀”的基準(zhǔn)，如果標(biāo)定足夠精確，誤差控制在毫米級(jí)、角度級(jí)這樣的范圍內(nèi)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)才能在感知、融合、定位和控制階段正常工作。

　　但初始標(biāo)定只能保證裝車那一刻或使用較短周期內(nèi)的準(zhǔn)確。車輛長期使用、震動(dòng)、維修或環(huán)境變化都會(huì)讓傳感器發(fā)生細(xì)小偏移，所以光靠這一次標(biāo)定并不能保證系統(tǒng)一直保持穩(wěn)定。

　　2)定期/執(zhí)行維護(hù)很有必要

　　對(duì)于量產(chǎn)車，廠商或維修服務(wù)點(diǎn)可能會(huì)建議(或規(guī)定)在車輛經(jīng)歷重大維修、碰撞、輪胎更換、懸掛維修、變形檢測、車身檢查后，對(duì)自動(dòng)駕駛傳感器(攝像頭、雷達(dá)、LiDAR)進(jìn)行復(fù)校(re-calibration)。這是確保車輛結(jié)構(gòu)或支架恢復(fù)對(duì)稱、沒有松動(dòng)、傳感器安裝姿態(tài)恢復(fù)正確的方法之一。這就類似車輪定位、四輪定位后的校正檢查。對(duì)于帶ADAS(高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng))的車輛，這種校正是非常有必要的。

　　不過，人工復(fù)校有費(fèi)時(shí)、費(fèi)人工、需要場地，且不可能非常頻繁等缺點(diǎn)。對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車，尤其商業(yè)化運(yùn)營車輛、Robotaxi、車隊(duì)，這樣的方法顯然不夠靈活且成本高，也影響實(shí)際使用效率。

　　正因?yàn)檫@些限制，現(xiàn)階段的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)會(huì)傾向于采用“在線校準(zhǔn)”或“自動(dòng)校準(zhǔn)”機(jī)制，讓車輛在日常使用中就能自動(dòng)檢測并修正輕微偏移，而不必每次都依賴人工操作。

　　在線/自動(dòng)校準(zhǔn)&實(shí)時(shí)監(jiān)測提供自我校正能力

　　近些年，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都在研究如何讓自動(dòng)駕駛系統(tǒng)具備自動(dòng)檢測是否偏移+自動(dòng)糾正偏移的能力，而不必每次都靠人工干預(yù)。發(fā)表在2024年的論文《Automatic Miscalibration Detection and Correction of LiDAR and Camera Using Motion Cues》就提出一種自動(dòng)檢測并修正LiDAR與攝像頭標(biāo)定偏移的框架。

　　其基本思路是利用車輛/傳感器自身的運(yùn)動(dòng)信息，車輛在行駛過程中，不斷對(duì)每一幀數(shù)據(jù)做監(jiān)測，如果檢測到LiDAR點(diǎn)云與攝像頭圖像之間的投影約束不再滿足(也就是說兩者的空間關(guān)系不再與原來標(biāo)定一致)，就判斷可能發(fā)生了“偏移/漂移”(miscalibration/drift)。然后，通過計(jì)算相機(jī)運(yùn)動(dòng)與LiDAR掃描的對(duì)齊變換，將LiDAR點(diǎn)云對(duì)齊回圖像空間，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)糾正偏移。

　　也就是說，當(dāng)系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行、車輛在不同路況、多次轉(zhuǎn)向/加減速/震動(dòng)之后，系統(tǒng)本身就可以意識(shí)到感知傳感器可能錯(cuò)位了，并用數(shù)學(xué)/幾何方法自動(dòng)把感知恢復(fù)到正確狀態(tài)，這是一種閉環(huán)自我校正機(jī)制。

　　除此之外，也有開源工具集(如OpenCalib)被用于多傳感器(包括相機(jī)、LiDAR、IMU、雷達(dá)等)的校準(zhǔn)/再校準(zhǔn)，從而在不同使用場景下都能支持自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)校準(zhǔn)流程。

　　因此，一個(gè)有用的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，不是裝好就結(jié)束了，而是要設(shè)計(jì)自動(dòng)或半自動(dòng)校準(zhǔn)機(jī)制，定期/持續(xù)監(jiān)測傳感器是否偏移，并及時(shí)校正。

　　多傳感器融合+容錯(cuò)冗余設(shè)計(jì)，不把雞蛋放在一個(gè)籃子里

　　即便有自動(dòng)校準(zhǔn)，也不能保證校準(zhǔn)的萬無一失。因此，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)不應(yīng)僅依賴單一傳感器，而是要采用多傳感器融合+冗余設(shè)計(jì)+容錯(cuò)機(jī)制，以增強(qiáng)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)對(duì)單一傳感器偏移/失效的魯棒性。

　　一輛自動(dòng)駕駛車會(huì)同時(shí)搭載攝像頭、LiDAR、毫米波雷達(dá)、慣性測量單元(IMU)、GPS/GNSS/INS等感知傳感器。舉個(gè)例子，即使攝像頭因?yàn)橹Ъ芩蓜?dòng)、碰撞偏移，LiDAR或雷達(dá)+IMU+GPS仍可以提供環(huán)境感知或定位參考，系統(tǒng)可以檢測到攝像頭輸出與其他傳感器/慣性/定位系統(tǒng)之間不一致，然后暫時(shí)降低或放棄其數(shù)據(jù)，并發(fā)出警告給駕駛者/運(yùn)營者。

　　此外，一些系統(tǒng)還會(huì)進(jìn)行時(shí)間同步與時(shí)鐘同步(time-synchronization)，讓所有傳感器在同一個(gè)統(tǒng)一時(shí)鐘源下采樣，以免因?yàn)闀r(shí)間差、數(shù)據(jù)延遲、不同傳感器采樣不一致而造成融合錯(cuò)誤。對(duì)于多傳感器融合，時(shí)空同步是基礎(chǔ)。

　　通過多傳感器融合+冗余+容錯(cuò)+時(shí)空同步+自動(dòng)/在線校準(zhǔn)/檢測機(jī)制，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)可以在一個(gè)傳感器暫時(shí)失準(zhǔn)甚至偏移時(shí)，依然維持整體感知能力，保證安全性。

　　最后的話

　　車輛上的每一個(gè)傳感器，都不是孤立工作的，它們需要像一個(gè)團(tuán)隊(duì)那樣保持步調(diào)一致，才能讓自動(dòng)駕駛系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。而傳感器的物理偏移看似只是幾毫米、幾度的變化，卻足以讓整個(gè)系統(tǒng)的理解能力出現(xiàn)誤差。所以自動(dòng)駕駛行業(yè)真正面對(duì)的難題不只是把傳感器裝準(zhǔn)，而是把它長期保持在準(zhǔn)的位置上。

　　正因如此，自動(dòng)駕駛的設(shè)計(jì)思路應(yīng)從“安裝時(shí)標(biāo)定一次”轉(zhuǎn)向“車輛全生命周期都能持續(xù)維持標(biāo)定狀態(tài)”。只有能做到這一點(diǎn)的系統(tǒng)，才算真正能讓自動(dòng)駕駛從能跑走向能長期跑。