一文聊聊自動(dòng)駕駛感知系統(tǒng)

自動(dòng)駕駛汽車，即可以根據(jù)乘客計(jì)劃自主完成出行任務(wù)的汽車，在整個(gè)出行過(guò)程中，完全不需要駕駛員的參與和控制。自動(dòng)駕駛汽車想要完成出行安排，離不開感知、決策、控制這三大要素，其中感知作為讓汽車“認(rèn)得路”的重要環(huán)節(jié)，可以讓自動(dòng)駕駛汽車和駕駛員一樣，讀懂周圍的交通要素。

感知系統(tǒng)是利用車載傳感器以及車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)獲取道路、車輛位置、障礙物、車輛自身位置等信息，并將獲取的這些信息傳輸給車載控制中心，給自動(dòng)駕駛汽車提供決策依據(jù)，簡(jiǎn)而言之，感知就是以多種傳感器的數(shù)據(jù)和高精度地圖的信息作為信息輸入，經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算及處理，對(duì)自動(dòng)駕駛汽車周圍環(huán)境進(jìn)行精確感知的系統(tǒng)。

感知系統(tǒng)可以為下游模塊提供豐富的信息，如障礙物的位置、形狀、類別及速度信息，也包含對(duì)于施工區(qū)域、交通信號(hào)燈及交通警示燈等特殊場(chǎng)景的語(yǔ)義理解。

感知系統(tǒng)的感知對(duì)象主要可以分為兩類，一類是靜態(tài)對(duì)象，即道路、交通標(biāo)識(shí)、靜態(tài)障礙物等；另一類是動(dòng)態(tài)對(duì)象，即車輛、行人、移動(dòng)障礙物等，對(duì)于動(dòng)態(tài)對(duì)象，除了要了解對(duì)象的具體類別，還需對(duì)位置、速度、方向等信息進(jìn)行追蹤，并需要根據(jù)追蹤結(jié)果來(lái)預(yù)測(cè)對(duì)象的接下來(lái)的預(yù)計(jì)位置。

感知系統(tǒng)作為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛能否成功的第一步，起著非常重要的作用，感知系統(tǒng)可以決定自動(dòng)駕駛汽車看得清多少路，是否可以適應(yīng)復(fù)雜多變的交通環(huán)境等，隨著智能汽車智能化程度越高，對(duì)于感知系統(tǒng)的要求也就越高。

感知系統(tǒng)主要可以分為三大類，即環(huán)境感知、車身感知與網(wǎng)聯(lián)感知，但無(wú)一例外，這三大感知都離不開硬件設(shè)備的使用。

環(huán)境感知

環(huán)境感知即對(duì)自動(dòng)駕駛汽車周邊環(huán)境進(jìn)行感知，可讓自動(dòng)駕駛汽車可以“看得清”交通，環(huán)境感知主要使用了車載攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)及超聲波雷達(dá)等硬件設(shè)備。

車身感知

車身感知又可以分為車身狀態(tài)感知和車身位置感知，車身狀態(tài)感知主要是讓自動(dòng)駕駛汽車了解到自身車速、方向、加速度等信息，主要是通過(guò)慣性導(dǎo)航、機(jī)械陀螺儀、加速傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器、速度傳感器等硬件設(shè)備來(lái)進(jìn)行感知；車身位置感知主要是了解車輛的位置信息，如所在位置、車道線等信息，為實(shí)現(xiàn)車身位置感知，需要高精度地圖、慣性導(dǎo)航、激光雷達(dá)及全球定位系統(tǒng)等技術(shù)的加持。

網(wǎng)聯(lián)感知

網(wǎng)聯(lián)感知就是自動(dòng)駕駛汽車與車聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛汽車與交通基礎(chǔ)設(shè)施、其他車輛、道路行人等任何可能影響或可能受到影響的實(shí)體之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

網(wǎng)聯(lián)感知的主要作用是提升自動(dòng)駕駛汽車行駛安全、提高交通交通效率，防止擁堵。網(wǎng)聯(lián)感知的技術(shù)發(fā)展離不開網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的升級(jí)，包括基站的搭建、智慧交通平臺(tái)的開發(fā)、5G技術(shù)的發(fā)展等。為了保證自動(dòng)駕駛汽車行車安全，對(duì)于感知系統(tǒng)系統(tǒng)中的傳感器要求非常高，且對(duì)于傳感器之間信息互通要求也非常高，由于感知系統(tǒng)涉及到多個(gè)傳感器，如何讓感知系統(tǒng)中傳感器探測(cè)到的信息能夠同步（時(shí)間同步）非常重要。

為了保證自動(dòng)駕駛汽車的安全，感知系統(tǒng)需要做到近乎百分百的準(zhǔn)確率，且需要對(duì)多個(gè)感知硬件搜集到的信息進(jìn)行分析判斷，必要時(shí)還需要在自動(dòng)駕駛汽車上加裝更多的感知硬件來(lái)提供感知冗余和感知融合，讓獲得的道路信息更加準(zhǔn)確。

感知系統(tǒng)的發(fā)展離不開感知硬件的加持，其中超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、車載攝像頭為主要的感知硬件，并在自動(dòng)駕駛汽車發(fā)展過(guò)程中起著較為重要的作用。

超聲波雷達(dá)

超聲波雷達(dá)主要是利用超聲波的特性研發(fā)而成的傳感器，是在超聲波頻率范圍內(nèi)將交變的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)，或?qū)⑼饨缏晥?chǎng)中的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種能量轉(zhuǎn)化器件。

超聲波雷達(dá)主要由安裝在同一個(gè)平面上的發(fā)射頭、接收頭和芯片組成。超聲波雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)邏輯還是通過(guò)聲音傳播，有效探測(cè)距離一般是在5 m～10 m，最小的探測(cè)距離可以為幾十毫米，由于對(duì)色彩、光照度不敏感，因此可以用于識(shí)別透明、半透明及漫反射差的物體，也可以用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中，超聲波雷達(dá)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低，信息處理簡(jiǎn)單可靠，易于小型化和集成化，且可以實(shí)時(shí)進(jìn)行控制。

超聲波雷達(dá)可用于停車輔助及泊車輔助，作為停車輔助時(shí)，安裝在汽車的后保險(xiǎn)杠部分，用來(lái)探測(cè)汽車距離后部障礙物的距離；泊車輔助中，超聲波雷達(dá)主要安裝在汽車側(cè)面，用于測(cè)量停車位長(zhǎng)度等信息。

毫米波雷達(dá)

毫米波雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)主要是使用電磁波來(lái)探測(cè)信息，通過(guò)使用在毫米波頻段（1 mm～10 mm，頻率30 GHz～300 GHz）的電磁波來(lái)探測(cè)目標(biāo)，可以得到目標(biāo)障礙物的距離、速度和角度等信息。

按照頻段分類，毫米波雷達(dá)可以分為24 GHz、60 GHz、77 GHz和79 GHz，其中主流頻段為24 GHz和77 GHz。根據(jù)工作原理，可以將毫米波雷達(dá)分為脈沖式毫米波雷達(dá)和調(diào)頻連續(xù)式毫米波雷達(dá)，脈沖式毫米波雷達(dá)指的是通過(guò)發(fā)射脈沖信號(hào)與接收信號(hào)之間的時(shí)間差來(lái)計(jì)算目標(biāo)距離，調(diào)頻連續(xù)式毫米波雷達(dá)是利用多普勒效應(yīng)測(cè)量得出不同距離的目標(biāo)速度。

按照探測(cè)距離，可將毫米波雷達(dá)分為短程、中程和遠(yuǎn)程三類，其中短程的探測(cè)距離一般小于60 m，中程的探測(cè)距離一般為100 m左右，遠(yuǎn)程的探測(cè)距離一般大于200 m。

激光雷達(dá)

激光雷達(dá)主要是通過(guò)激光束的發(fā)射來(lái)探測(cè)障礙物位置、速度等信息，可以用于精確獲得三位位置信息，可用來(lái)確定目標(biāo)障礙物的大小、位置、外部形貌甚至材質(zhì)。

根據(jù)掃描方式分類，激光雷達(dá)可分為機(jī)械式激光雷達(dá)和固態(tài)激光雷達(dá)，機(jī)械式激光雷達(dá)帶頭控制激光發(fā)射角度的旋轉(zhuǎn)部件，體積較大且價(jià)格昂貴，一般安裝在自動(dòng)駕駛汽車頂部，在現(xiàn)有的自動(dòng)駕駛汽車上，主要使用的就是機(jī)械式激光雷達(dá)。

固態(tài)激光雷達(dá)則是依靠電子部件來(lái)控制激光發(fā)射角度，無(wú)需機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，尺寸較小，可以安裝在車內(nèi)。根據(jù)線束分類，激光雷達(dá)可以分為單線束激光雷達(dá)和多線束激光雷達(dá)，單線束激光雷達(dá)主要用來(lái)獲取2D數(shù)據(jù)，每掃描一次只產(chǎn)生一條掃描線，無(wú)法區(qū)別目標(biāo)物體的3D信息，但是單線束激光雷達(dá)測(cè)量速度快、數(shù)據(jù)處理量少，多被用于安全防護(hù)、地形測(cè)繪等領(lǐng)域。

多線束激光雷達(dá)掃描一次可以產(chǎn)生多條掃描線，可獲得目標(biāo)物體的3D數(shù)據(jù)，現(xiàn)階段常用的多線束激光雷達(dá)有4線束、8線束、16線束、32線束、64線束、128線束等，隨著線束等增多，價(jià)格也更為昂貴，現(xiàn)階段的自動(dòng)駕駛汽車多使用多線束激光雷達(dá)。

激光雷達(dá)由于探測(cè)范圍廣、分辨率高、信息量豐富及可全天候工作等優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越多自動(dòng)駕駛企業(yè)作為自動(dòng)駕駛汽車主要感知硬件，但是由于和毫米波雷達(dá)相比，體積過(guò)大、成本過(guò)高、不能識(shí)別交通標(biāo)識(shí)和交通信號(hào)燈，在自動(dòng)駕駛汽車上，依舊需要多個(gè)感知硬件來(lái)探測(cè)交通信息，從而獲得更為全面的數(shù)據(jù)，讓自動(dòng)駕駛汽車出行更加安全。

車載攝像頭

車載攝像頭主要是使用光學(xué)元件和成像系統(tǒng)來(lái)獲取外部環(huán)境信息，車載攝像頭主要獲取交通信息的2D數(shù)據(jù)，且其精度取決于分辨率，隨著探測(cè)距離越遠(yuǎn)，其精度就越差。車載攝像頭獲取的信息極為豐富，尤其是彩色圖像，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)道路檢測(cè)、車輛檢測(cè)、行人檢測(cè)、交通標(biāo)識(shí)檢測(cè)、交通信號(hào)燈檢測(cè)等，車載攝像頭獲取的信息一般為實(shí)時(shí)場(chǎng)景圖像，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，且多個(gè)自動(dòng)駕駛汽車同時(shí)工作，不會(huì)出現(xiàn)互相干擾的情況。

車載攝像頭主要用來(lái)獲取交通標(biāo)識(shí)、交通信號(hào)燈、路況、車道線、障礙物等信息，根據(jù)類別不同，車載攝像頭可以分為單目攝像頭、雙目攝像頭、三目攝像頭及環(huán)視攝像頭等。

隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的不斷升級(jí)，對(duì)于感知系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高，復(fù)雜的路況及惡劣的天氣下的感知能力也將決定自動(dòng)駕駛汽車落地的可能，現(xiàn)階段，感知系統(tǒng)的成本依舊過(guò)高，導(dǎo)致自動(dòng)駕駛汽車單車成本居高不下，無(wú)法在消費(fèi)者之間普及。對(duì)于感知系統(tǒng)，大家怎么看？歡迎關(guān)注智駕最前沿，并留言交流。

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