【深度】自動(dòng)駕駛傳感器平臺(tái)盤(pán)點(diǎn)
不同的傳感器都有其優(yōu)勢(shì)和缺陷,無(wú)法在單傳感器的情況下完成對(duì)無(wú)人駕駛功能性與安全性的全面覆蓋,這顯示了多傳感器融合的必要性。因此,各個(gè)傳感器之間借助各自所長(zhǎng)相互融合、功能互補(bǔ)、互為備份、互為輔助才是完備的無(wú)人駕駛系統(tǒng)。如何融合這些傳感器的優(yōu)勢(shì),彌補(bǔ)不足是自動(dòng)駕駛工程師們現(xiàn)在的主要工作之一。
目前,現(xiàn)有的車(chē)載傳感器包括激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、車(chē)載攝像機(jī)、GPS/IMU、V2X通信傳感、紅外探頭、超聲波雷達(dá)等。主流的無(wú)人駕駛傳感平臺(tái)以雷達(dá)和車(chē)載攝像頭為主,并呈現(xiàn)多傳感器融合發(fā)展的趨勢(shì)?;跍y(cè)量能力和環(huán)境適應(yīng)性,預(yù)計(jì)雷達(dá)和車(chē)載攝像頭會(huì)持續(xù)保持傳感器平臺(tái)霸主的地位,并不斷與多種傳感器融合,發(fā)展處多種組合版本。
激光雷達(dá)
為了解決測(cè)距的問(wèn)題,引入了激光雷達(dá)這種傳感器。常常應(yīng)用在Level 3級(jí)別以上的無(wú)人車(chē)。
激光雷達(dá)的工作原理是利用可見(jiàn)和近紅外光波(多為950nm波段附近的紅外光)發(fā)射、反射和接收來(lái)探測(cè)物體。
如下圖所示,激光雷達(dá)的發(fā)射器發(fā)射出一束激光,激光光束遇到物體后,經(jīng)過(guò)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(hào)的時(shí)間間隔乘以光速,再除以2,即可計(jì)算出發(fā)射器與物體的距離。
激光雷達(dá)可以探測(cè)白天或黑夜下的特定物體與車(chē)之間的距離。由于反射度的不同,也可以區(qū)分開(kāi)車(chē)道線(xiàn)和路面,但是無(wú)法探測(cè)被遮擋的物體、光束無(wú)法達(dá)到的物體,在雨雪霧天氣下性能較差。
激光雷達(dá)在無(wú)人駕駛運(yùn)用中擁有兩個(gè)核心作用。
一是3D建模進(jìn)行環(huán)境感知。通過(guò)雷射掃描可以得到汽車(chē)周?chē)h(huán)境的3D模型,運(yùn)用相關(guān)算法比對(duì)上一幀和下一幀環(huán)境的變化可以較為容易的探測(cè)出周?chē)能?chē)輛和行人。
二是SLAM加強(qiáng)定位。3D雷射雷達(dá)另一大特性是同步建圖(SLAM),實(shí)時(shí)得到的全局地圖通過(guò)和高精度地圖中特征物的比對(duì),可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航及加強(qiáng)車(chē)輛的定位精度。
激光雷達(dá)的分類(lèi)
激光雷達(dá)根據(jù)安裝位置的不同,分類(lèi)兩大類(lèi)。一類(lèi)安裝在無(wú)人車(chē)的四周,另一類(lèi)安裝在無(wú)人車(chē)的車(chē)頂。
安裝在無(wú)人車(chē)四周的激光雷達(dá),其激光線(xiàn)束一般小于8,常見(jiàn)的有單線(xiàn)激光雷達(dá)和四線(xiàn)激光雷達(dá)。
安裝在無(wú)人車(chē)車(chē)頂?shù)募す饫走_(dá),其激光線(xiàn)束一般不小于16,常見(jiàn)的有16/32/64線(xiàn)激光雷達(dá)。
激光雷達(dá)雷射發(fā)射器線(xiàn)束越多,每秒采集的云點(diǎn)就越多。然而線(xiàn)束越多也就代表雷射雷達(dá)的造價(jià)就更加昂貴,以Velodyne的產(chǎn)品為例,64線(xiàn)束的雷射雷達(dá)價(jià)格是16線(xiàn)束的10倍。HDL-64E單個(gè)定制的成本在8萬(wàn)元左右。
目前,Velodyne公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了相對(duì)便宜的LiDAR傳感器版本HDL-32E和HDL-16E。其中HDL-16E是由16束雷射取代64束雷射,支持360度無(wú)盲區(qū)掃描,犧牲一定的數(shù)據(jù)規(guī)模云點(diǎn),每秒鐘只提供30萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),但是售價(jià)仍高達(dá)售價(jià)8千美元。
當(dāng)前人工智能的算法還不夠成熟,純視覺(jué)傳感器的無(wú)人駕駛方案在安全性上還存在較多問(wèn)題,因此現(xiàn)階段的無(wú)人車(chē)的開(kāi)發(fā)還離不開(kāi)激光雷達(dá)。強(qiáng)如Google,目前也還沒(méi)開(kāi)發(fā)出脫離激光雷達(dá)的自動(dòng)駕駛方案。
不過(guò),激光雷達(dá)的普及所遇到的最大挑戰(zhàn)是:成本過(guò)高。單獨(dú)一個(gè)雷達(dá)的價(jià)格可能就超過(guò)了普通小汽車(chē)的價(jià)格,因此現(xiàn)階段還沒(méi)有大規(guī)模量產(chǎn)的可能性。激光雷達(dá)的降低成本之路任重道遠(yuǎn)。
毫米波雷達(dá)
毫米波雷達(dá)通過(guò)發(fā)射無(wú)線(xiàn)電信號(hào)(毫米波波段的電磁波)并接收反射信號(hào)來(lái)測(cè)定汽車(chē)車(chē)身周?chē)奈锢憝h(huán)境信息(如汽車(chē)與其他物體之間的相對(duì)距離、相對(duì)速度、角度、運(yùn)動(dòng)方向等),然后根據(jù)所探知的物體信息進(jìn)行目標(biāo)追蹤和識(shí)別分類(lèi),進(jìn)而結(jié)合車(chē)身動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,完成合理決策,減少事故發(fā)生幾率。
毫米波雷達(dá)不受天氣狀況限制,即使是雨雪天都能正常運(yùn)作,穿透霧、煙、灰塵的能力強(qiáng)。因此被廣泛應(yīng)用于車(chē)載距離探測(cè),毫米波雷達(dá)在自動(dòng)駕駛中最常見(jiàn)的三種用途是:
1. ACC(自適應(yīng)巡航)
2. BSD&LCA(盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)和變道輔助)
3. AEB(自動(dòng)緊急制動(dòng),通常配合攝像頭進(jìn)行數(shù)據(jù)融合)
毫米波雷達(dá)分類(lèi)
頻率在10GHz~200GHz的電磁波,由于其波長(zhǎng)在毫米量級(jí),因此處于該頻率范圍的電磁波也被工程師們稱(chēng)為毫米波。
應(yīng)用在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的毫米波雷達(dá)主要有3個(gè)頻段,分別是24GHz,77GHz和79GHz。不同頻段的毫米波雷達(dá)有著不同的性能和成本。
短距離雷達(dá):24GHz頻段
處在該頻段上的雷達(dá)的檢測(cè)距離有限,因此常用于檢測(cè)近處的障礙物。在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中常用于感知車(chē)輛近處的障礙物,為換道決策提供感知信息。
長(zhǎng)距離雷達(dá):77GHz頻段
性能良好的77GHz雷達(dá)的最大檢測(cè)距離可以達(dá)到160米以上,因此常被安裝在前保險(xiǎn)杠上,正對(duì)汽車(chē)的行駛方向。
如下圖右下角的棕色區(qū)域,為特斯拉AutoPilot 2.0中所配備的長(zhǎng)距離毫米波雷達(dá),及其感知范圍。
長(zhǎng)距離雷達(dá)能夠用于實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)、高速公路跟車(chē)等ADAS功能;同時(shí)也能滿(mǎn)足自動(dòng)駕駛領(lǐng)域,對(duì)障礙物距離、速度和角度的測(cè)量需求。
長(zhǎng)距離雷達(dá):79GHz頻段
該頻段的傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)的功能和77GHz一樣,也是用于長(zhǎng)距離的測(cè)量。
根據(jù)公式:光速 = 波長(zhǎng) * 頻率,頻率更高的毫米波雷達(dá),其波長(zhǎng)越短。波長(zhǎng)越短,意味著分辨率越高;而分辨率越高,意味著在距離、速度、角度上的測(cè)量精度更高。因此79GHz的毫米波雷達(dá)必然是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
毫米波雷達(dá)相比于激光有更強(qiáng)的穿透性,能夠輕松地穿透保險(xiǎn)杠上的塑料,因此常被安裝在汽車(chē)的保險(xiǎn)杠內(nèi)。這也是為什么很多具備ACC(自適應(yīng)巡航)的車(chē)上明明有毫米波雷達(dá),卻很難從外觀上發(fā)現(xiàn)它們的原因。
然而實(shí)際開(kāi)發(fā)的過(guò)程中,在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域應(yīng)用毫米波雷達(dá)有一下三點(diǎn)挑戰(zhàn)。
挑戰(zhàn)1:數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差
數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定性對(duì)后續(xù)的軟件算法提出了較高的要求。加大了工程師的工作難度。
挑戰(zhàn)2:對(duì)金屬敏感
由于毫米波雷達(dá)發(fā)出的電磁波對(duì)金屬極為敏感,在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中會(huì)發(fā)現(xiàn)近處路面上突然出現(xiàn)的釘子、遠(yuǎn)距離外的金屬?gòu)V告牌都會(huì)被認(rèn)為是障礙物。一旦車(chē)輛高速行駛,被這些突然跳出的障礙物干擾時(shí),會(huì)導(dǎo)致剎車(chē)不斷,導(dǎo)致汽車(chē)的舒適性下降。
挑戰(zhàn)3:高度信息缺失
毫米波雷達(dá)的數(shù)據(jù)只能提供距離和角度信息,不能像激光雷達(dá)那樣提供高度信息。沒(méi)有高度信息的障礙物點(diǎn)會(huì)給技術(shù)開(kāi)發(fā)帶來(lái)很多挑戰(zhàn)。
超聲波雷達(dá)
超聲波雷達(dá)又名倒車(chē)?yán)走_(dá)。常見(jiàn)的超聲波雷達(dá)有兩種。第一種是安裝在汽車(chē)前后保險(xiǎn)杠上的,也就是用于測(cè)量汽車(chē)前后障礙物的倒車(chē)?yán)走_(dá),這種雷達(dá)業(yè)內(nèi)稱(chēng)為UPA;第二種是安裝在汽車(chē)側(cè)面的,用于測(cè)量側(cè)方障礙物距離的超聲波雷達(dá),業(yè)內(nèi)稱(chēng)為APA。作為無(wú)人車(chē)上成本最低的傳感器,挖掘超聲波雷達(dá)的潛力是工程師們不斷在琢磨的事。
UPA和APA的探測(cè)范圍和探測(cè)區(qū)域都太相同,如下圖所示。圖中的汽車(chē)配備了前后向共8個(gè)UPA,左右側(cè)共4個(gè)APA。
UPA超聲波雷達(dá)
UPA超聲波雷達(dá)的探測(cè)距離一般在15~250cm之間,主要用于測(cè)量汽車(chē)前后方的障礙物。
如圖所示,為單個(gè)UPA的探測(cè)范圍示意圖。
APA超聲波雷達(dá)
APA超聲波雷達(dá)的探測(cè)距離一般在30~500cm之間。APA的探測(cè)范圍更遠(yuǎn),因此相比于UPA成本更高,功率也更大。
如圖為單個(gè)APA的探測(cè)范圍示意圖。
APA的探測(cè)距離優(yōu)勢(shì)讓它不僅能夠檢測(cè)左右側(cè)的障礙物,而且還能根據(jù)超聲波雷達(dá)返回的數(shù)據(jù)判斷停車(chē)庫(kù)位是否存在。
超聲波雷達(dá)的應(yīng)用
本文標(biāo)題提到超聲波雷達(dá)是被低估的傳感器,因?yàn)樗藱z測(cè)障礙物外,還可以做很多事。
應(yīng)用1:泊車(chē)庫(kù)位檢測(cè)
自動(dòng)泊車(chē)功能需要經(jīng)歷兩個(gè)階段:1.識(shí)別庫(kù)位;2.倒車(chē)入庫(kù)
識(shí)別庫(kù)位功能就是依賴(lài)安裝在車(chē)輛側(cè)方的APA,如下場(chǎng)景。
汽車(chē)緩緩駛過(guò)庫(kù)位時(shí),汽車(chē)右前方的APA傳感器返回的探測(cè)距離與時(shí)間的關(guān)系可判斷當(dāng)前空間有無(wú)車(chē)位。有了庫(kù)位檢測(cè)功能,進(jìn)而開(kāi)發(fā)自主泊車(chē)功能就不是難事了。
應(yīng)用2:高速橫向輔助
特斯拉Model S在AutoPilot 1.0時(shí)代就實(shí)現(xiàn)了高速公路的巡航功能,為了增加高速巡航功能的安全性和舒適性,特斯拉將用于泊車(chē)的APA超聲波雷達(dá),也用在了高速巡航上。
先看一段Model S應(yīng)用APA的視頻,視頻左下角的圖像是一個(gè)朝汽車(chē)后向的攝像機(jī),右側(cè)的圖像是朝向行駛方向的視角。
在視頻中可以看出,當(dāng)左側(cè)駛過(guò)的汽車(chē)?yán)碜攒?chē)較近時(shí),Model S在確保右側(cè)有足夠空間的情況下,自主地向右微調(diào),降低與左側(cè)車(chē)輛的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。
車(chē)載攝像機(jī)
車(chē)載攝像機(jī)的大致原理是:首先,采集圖像進(jìn)行處理,將圖片轉(zhuǎn)換為二維數(shù)據(jù);然后,進(jìn)行模式識(shí)別,通過(guò)圖像匹配進(jìn)行識(shí)別,如識(shí)別車(chē)輛行駛環(huán)境中的車(chē)輛、行人、車(chē)道線(xiàn)、交通標(biāo)志等;接下來(lái),依據(jù)物體的運(yùn)動(dòng)模式或使用雙目定位,以估算目標(biāo)物體與本車(chē)的相對(duì)距離和相對(duì)速度。
攝像機(jī)根據(jù)鏡頭和布置方式的不同主要有以下四種:?jiǎn)文繑z像機(jī)、雙目攝像機(jī)、三目攝像機(jī)和環(huán)視攝像機(jī)。
單目攝像機(jī)模組只包含一個(gè)攝像機(jī)和一個(gè)鏡頭。由于很多圖像算法的研究都是基于單目攝像機(jī)開(kāi)發(fā)的,因此相對(duì)于其他類(lèi)別的攝像機(jī),單目攝像機(jī)的算法成熟度更高。但是單目有著兩個(gè)先天的缺陷。
一是它的視野完全取決于鏡頭。
焦距短的鏡頭,視野廣,但缺失遠(yuǎn)處的信息。反之亦然。因此單目攝像機(jī)一般選用適中焦距的鏡頭。
二是單目測(cè)距的精度較低。
攝像機(jī)的成像圖是透視圖,即越遠(yuǎn)的物體成像越小。近處的物體,需要用幾百甚至上千個(gè)像素點(diǎn)描述;而處于遠(yuǎn)處的同一物體,可能只需要幾個(gè)像素點(diǎn)即可描述出來(lái)。這種特性會(huì)導(dǎo)致,越遠(yuǎn)的地方,一個(gè)像素點(diǎn)代表的距離越大,因此對(duì)單目來(lái)說(shuō)物體越遠(yuǎn),測(cè)距的精度越低。
雙目攝像機(jī)
由于單目測(cè)距存在缺陷,雙目攝像機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。雙目攝像機(jī),是通過(guò)對(duì)兩幅圖像視差的計(jì)算,直接對(duì)前方景物(圖像所拍攝到的范圍)進(jìn)行距離測(cè)量,而無(wú)需判斷前方出現(xiàn)的是什么類(lèi)型的障礙物。依靠?jī)蓚€(gè)平行布置的攝像頭產(chǎn)生的“視差”,找到同一個(gè)物體所有的點(diǎn),依賴(lài)精確的三角測(cè)距,就能夠算出攝像頭與前方障礙物距離,實(shí)現(xiàn)更高的識(shí)別精度和更遠(yuǎn)的探測(cè)范圍。使用這種方案,需要兩個(gè)攝像頭有較高的同步率和采樣率,因此技術(shù)難點(diǎn)在于雙目標(biāo)定及雙目定位。
相比單目,雙目的解決方案沒(méi)有識(shí)別率的限制,無(wú)需先識(shí)別可直接進(jìn)行測(cè)量;直接利用視差計(jì)算距離精度更高;無(wú)需維護(hù)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)。但因?yàn)闄z測(cè)原理上的差異,雙目視覺(jué)方案在距離測(cè)算上相比單目以及毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá),其硬件成本和計(jì)算量級(jí)的加倍,也是另一個(gè)難關(guān)。
雖然雙目能得到較高精度的測(cè)距結(jié)果和提供圖像分割的能力,但是它與單目一樣,鏡頭的視野完全依賴(lài)于鏡頭。而且雙目測(cè)距原理對(duì)兩個(gè)鏡頭的安裝位置和距離要求較多,這就會(huì)給相機(jī)的標(biāo)定帶來(lái)麻煩。
三目攝像機(jī)
由于單目和雙目都存在某些缺陷,因此廣泛應(yīng)用于無(wú)人駕駛的攝像機(jī)方案為三目攝像機(jī)。三目攝像機(jī)其實(shí)就是三個(gè)不同焦距單目攝像機(jī)的組合。
特斯拉 AutoPilot 2.0安裝在擋風(fēng)玻璃下方的三目攝像機(jī)
如下圖,可以看出三個(gè)攝像頭的感知范圍由遠(yuǎn)及近,分別為前視窄視野攝像頭(最遠(yuǎn)感知250米)、前視主視野攝像頭(最遠(yuǎn)感知150米)及前視寬視野攝像頭(最遠(yuǎn)感知60米)。
對(duì)攝像機(jī)來(lái)說(shuō),感知的范圍要么損失視野,要么損失距離。三目攝像機(jī)能較好地彌補(bǔ)感知范圍的問(wèn)題。因此在業(yè)界被廣泛應(yīng)用。
那么測(cè)距精度的問(wèn)題怎么辦?
正是由于三目攝像機(jī)每個(gè)相機(jī)的視野不同,因此近處的測(cè)距交給寬視野攝像頭,中距離的測(cè)距交給主視野攝像頭,更遠(yuǎn)的測(cè)距交給窄視野攝像頭。這樣一來(lái)每個(gè)攝像機(jī)都能發(fā)揮其最大優(yōu)勢(shì)。
三目的缺點(diǎn)是需要同時(shí)標(biāo)定三個(gè)攝像機(jī),因而工作量更大一些。其次軟件部分需要關(guān)聯(lián)三個(gè)攝像機(jī)的數(shù)據(jù),對(duì)算法要求也很高。
環(huán)視攝像機(jī)
環(huán)視攝像機(jī),一般至少包括四個(gè)攝像頭,分別安裝在車(chē)輛前、后、左、右側(cè),實(shí)現(xiàn)360°環(huán)境感知,難點(diǎn)在于畸變還原與對(duì)接。安裝于車(chē)輛前方、車(chē)輛左右后視鏡下和車(chē)輛后方的四個(gè)魚(yú)眼鏡頭采集圖像,采集到的圖像與下圖類(lèi)似。
環(huán)視攝像機(jī)的鏡頭是魚(yú)眼鏡頭,而且安裝位置是朝向地面的。某些高配車(chē)型上會(huì)有“360°全景顯示”功能,所用到的就是環(huán)視攝像機(jī)。魚(yú)眼攝像機(jī)為了獲取足夠大的視野,代價(jià)是圖像的畸變嚴(yán)重。
通過(guò)標(biāo)定值,進(jìn)行圖像的投影變換,可將圖像還原成俯視圖的樣子。之后對(duì)四個(gè)方向的圖像進(jìn)行拼接,再在四幅圖像的中間放上一張車(chē)的俯視圖,即可實(shí)現(xiàn)從車(chē)頂往下看的效果。如下圖。
相比于其他傳感器,攝像頭最為接近人眼獲取周?chē)h(huán)境信息的工作模式,可以通過(guò)較小的數(shù)據(jù)量獲得最為全面的信息,同時(shí)因?yàn)楝F(xiàn)在的攝像頭技術(shù)比較成熟,成本可較低。但是,攝像頭識(shí)別也存在一定局限性,基于視覺(jué)的解決方案受光線(xiàn)、天氣影響大;同時(shí),物體識(shí)別基于機(jī)器學(xué)習(xí)資料庫(kù),需要的訓(xùn)練樣本大,訓(xùn)練周期長(zhǎng),也難以識(shí)別非標(biāo)準(zhǔn)障礙物;同時(shí),由于廣角攝像頭的邊緣畸變,得到的距離準(zhǔn)確度較低。
攝像機(jī)的功能
攝像機(jī)在無(wú)人車(chē)上的應(yīng)用,主要有兩大類(lèi)功能。分別是感知能力,其次是定位能力。
攝像機(jī)的感知能力表現(xiàn)在可以識(shí)別車(chē)道線(xiàn)(lane)、障礙物(Obstacle)、交通標(biāo)志牌和地面標(biāo)志(Traffic Sign and Road Sign)、交通標(biāo)志牌和地面標(biāo)志(TrafficSign and Road Sign)和交通信號(hào)燈(Traffic Light)
定位能力體現(xiàn)在獲取當(dāng)前無(wú)人車(chē)的位置。視覺(jué)SLAM技術(shù)根據(jù)提前建好的地圖和實(shí)時(shí)的感知結(jié)果做匹配,從而獲取當(dāng)前無(wú)人車(chē)的位置。視覺(jué)SLAM需要解決的最大問(wèn)題在于地圖的容量過(guò)大,稍微大一點(diǎn)的區(qū)域,就對(duì)硬盤(pán)的容量要求很高。如何制作出足夠輕量化的地圖,成為SLAM技術(shù)商業(yè)化的關(guān)鍵。
攝像機(jī)是所有車(chē)載傳感器中,感知能力最強(qiáng)的。為此特斯拉采用了純視覺(jué)的感知方案,而沒(méi)有使用激光雷達(dá),當(dāng)然激光雷達(dá)價(jià)格昂貴也是一個(gè)因素。
GPS/IMU
GPS是全球定位系統(tǒng)(GlobalPosition System)的簡(jiǎn)稱(chēng),IMU(Inertial Measurement Unit)慣性測(cè)量單元。
GPS在復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)境中,尤其在大城市,其多路徑反射的問(wèn)題很顯著,導(dǎo)致獲得的GPS定位信息很容易產(chǎn)生幾米的誤差。另外,由于GPS的更新頻率低(10Hz),在車(chē)輛快速行駛時(shí)很難給出精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)定位。單純依賴(lài)GPS的導(dǎo)航很有可能導(dǎo)致交通事故。因此GPS通常輔助以慣性傳感器(IMU)用來(lái)增強(qiáng)定位的精度。
IMU是檢測(cè)加速度與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的高頻(1KHz)傳感器,但I(xiàn)MU自身也有偏差積累與噪音等問(wèn)題影響結(jié)果。通過(guò)使用基于卡爾曼濾波的傳感器融合技術(shù),我們可以融合GPS與IMU數(shù)據(jù),結(jié)合GPS的定位精度高和誤差無(wú)積累的特點(diǎn),與IMU的自主性和實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn)。一方面可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航設(shè)備之間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),增強(qiáng)系統(tǒng)適應(yīng)動(dòng)態(tài)的能力,并使整個(gè)系統(tǒng)獲得優(yōu)于局部系統(tǒng)的精度;另一方面提高了空間和時(shí)間的覆蓋范圍,從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的連續(xù)導(dǎo)航。因此,GPS/IMU組合的優(yōu)勢(shì)在于:
1.系統(tǒng)精度的提高。利用GPS的長(zhǎng)期穩(wěn)定性彌補(bǔ)IMU誤差隨時(shí)間累積的缺點(diǎn)。GPS/IMU組合后的導(dǎo)航誤差實(shí)際上要比單獨(dú)的GPS或單獨(dú)的慣導(dǎo)系統(tǒng)可能達(dá)到的誤差都小。
2.系統(tǒng)抗干擾能力的增強(qiáng)。利用IMU的短期高精度彌補(bǔ)GPS系統(tǒng)易受干擾、信號(hào)易失鎖等缺點(diǎn),同時(shí)借助IMU的姿態(tài)信息、角速度信息可進(jìn)一步提高GPS系統(tǒng)快速捕獲或重新鎖定衛(wèi)星信號(hào)的能力。
3.導(dǎo)航信息的補(bǔ)全。GPS/IMU組合系統(tǒng)與單GPS相比,除了可以提供載體運(yùn)動(dòng)的三維位置和速度信息外,還可提供加速度、姿態(tài)和航向信息;GPS/IMU組合系統(tǒng)此外可提供100Hz甚至高于100Hz的數(shù)據(jù)更新率。
IMU慣性器件的標(biāo)定技術(shù)由于加速度計(jì)、陀螺儀等慣性器件本身存在缺陷,會(huì)產(chǎn)生一些器件誤差,如標(biāo)度因數(shù)誤差等。另外,在對(duì)IMU進(jìn)行集成的時(shí)候,各個(gè)器件之間的非正交安裝會(huì)引起交叉耦合誤差。以上這些誤差可以通過(guò)器件標(biāo)定來(lái)加以補(bǔ)償,以達(dá)到提高其精度的目的。
V2X通信傳感
V2X是V2V(Vehicle toVehicle,車(chē)車(chē)通信)、V2I(Vehicle to Instruction,車(chē)路通信)、V2P(Vehicle to Pedestrain)等的統(tǒng)稱(chēng)。通過(guò)V2X可以獲得實(shí)時(shí)路況、道路信息、行人信息等一系列交通信息,從而帶來(lái)遠(yuǎn)距離環(huán)境信號(hào)。
V2X通信系統(tǒng)可以看做是一個(gè)超級(jí)傳感器,它提供了比其他傳感器都高得多的感知能力和可靠性,在自車(chē)感知技術(shù)尚不能達(dá)到高可靠性之前,用V2X可以決定性地其可靠性。V2X是無(wú)人駕駛的必要技術(shù)和智慧交通的重要一環(huán)。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),V2X技術(shù)是利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)車(chē)與車(chē)之間、車(chē)與道路之間、車(chē)與行人之間的信息互通,也就是說(shuō),通過(guò)人、車(chē)、路之間的互相交流,駕駛員能夠更好地掌握車(chē)輛狀態(tài)和周?chē)闆r,從而有效降低事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。V2X通信技術(shù)首次由福特公司于2014年6月發(fā)布,現(xiàn)場(chǎng)展示了福特的兩輛經(jīng)過(guò)特殊改造過(guò)的汽車(chē),通過(guò)一臺(tái)連接了WiFi的無(wú)線(xiàn)廣播系統(tǒng),演示了這項(xiàng)V2V通信技術(shù)是如何防止碰撞事故發(fā)生的。
詳細(xì)來(lái)說(shuō),V2X是一種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)(汽車(chē)、智能交通燈等)可以發(fā)射、捕捉并轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)。利用V2X車(chē)聯(lián)網(wǎng),車(chē)輛可以獲取周?chē)h(huán)境的未知參數(shù)及附近車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài),這些狀態(tài)包括速度、位置、駕駛方向、剎車(chē)等基本的安全信息。然后車(chē)載端主動(dòng)安全算法將處理所獲取的信息,并按照優(yōu)先級(jí)對(duì)信息進(jìn)行分類(lèi),對(duì)可能發(fā)生的危險(xiǎn)情景進(jìn)行預(yù)警,緊急情況下可以利用車(chē)輛執(zhí)行端對(duì)車(chē)輛進(jìn)行控制從而規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。V2X技術(shù)開(kāi)啟了對(duì)四周威脅的360度智能感知,這一技術(shù)能夠在各種危險(xiǎn)的情況下提醒駕駛者,從而大大減少碰撞事故的發(fā)生并緩解交通擁堵。美國(guó)交通部根據(jù)最新的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,如果能夠大面積地普及V2X技術(shù),就能在75%的交通事故發(fā)生之前提醒駕駛員。
相比傳統(tǒng)雷達(dá),V2X通信傳感系統(tǒng)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì):
1)覆蓋面廣
300-500米的通信范圍相比10幾米的雷達(dá)探測(cè)范圍要遠(yuǎn)得多,不僅是前方障礙物,身旁和身后的建筑物、車(chē)輛都會(huì)互相連接通信。
2)有效避免盲區(qū)
路邊聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)的物體都會(huì)有單獨(dú)的信號(hào)顯示,因此即便視野受阻,通過(guò)實(shí)時(shí)發(fā)送的信號(hào)可以顯示視野范圍內(nèi)看不到的物體狀態(tài),因而降低忙去出現(xiàn)的概率,也就充分避免了因盲區(qū)而導(dǎo)致的潛在傷害。
3)對(duì)于隱私信息的安全保護(hù)性更好
由于這套系統(tǒng)將采用5.9Hz頻段進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)通信,相比傳統(tǒng)通信技術(shù)更能確保安全性和私密性,如果通信協(xié)議及頻道在各個(gè)國(guó)家都能規(guī)范化,這套系統(tǒng)將變得像SOS救援頻道一樣成為社會(huì)公用資源。
小結(jié)
不同的傳感器都有其優(yōu)勢(shì)和缺陷,無(wú)法在單傳感器的情況下完成對(duì)無(wú)人駕駛功能性與安全性的全面覆蓋,這顯示了多傳感器融合的必要性。因此,各個(gè)傳感器之間借助各自所長(zhǎng)相互融合、功能互補(bǔ)、互為備份、互為輔助才是完備的無(wú)人駕駛系統(tǒng)。如何融合這些傳感器的優(yōu)勢(shì),彌補(bǔ)不足是自動(dòng)駕駛工程師們現(xiàn)在的主要工作之一。
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