自動駕駛汽車感知系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)綜述

王藝帆

（公安部道路交通安全研究中心，北京 100062）

自動駕駛汽車感知系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)綜述

王藝帆

（公安部道路交通安全研究中心，北京 100062）

提出自動駕駛系統(tǒng)由感知、控制、執(zhí)行三部分組成的系統(tǒng)框架，重點介紹感知系統(tǒng)的傳感器、定位導(dǎo)航、車聯(lián)通信3個主要技術(shù)方向，簡要分析各個關(guān)鍵技術(shù)的特點和應(yīng)用情況。

自動駕駛；感知系統(tǒng)；傳感器；定位導(dǎo)航；V2X

自動駕駛汽車是汽車電子、智能控制以及互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)發(fā)展融合的產(chǎn)物，其原理為自動駕駛系統(tǒng)利用感知系統(tǒng)，獲取車輛自身以及外界環(huán)境信息，經(jīng)過計算系統(tǒng)分析信息、做出決策，控制執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)車輛加速、減速或轉(zhuǎn)向，從而在無需駕駛員介入的情況下，完成自動行駛。2013年，美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）根據(jù)輔助控制系統(tǒng)的自動化功能，將自動駕駛技術(shù)分為0～4級，如表1所示［1］。從表1可了解到，自動駕駛的發(fā)展升級是從輔助駕駛到主宰駕駛，從提供單一功能、應(yīng)對簡單場景，到可掌控所有場合，完全解放駕駛?cè)恕Ｆ陂g，感知系統(tǒng)需不斷提高獲取周邊環(huán)境信息的全面性、準確性和高效性，它是自動駕駛的基礎(chǔ)，也是貫穿升級的核心部分。本文將介紹自動駕駛感知系統(tǒng)常用方案，及其各自技術(shù)方法、特點和應(yīng)用情況。

表1 NHTSA對自動駕駛的等級劃分

1 系統(tǒng)框架

自動駕駛汽車首先應(yīng)有一套完整的感知系統(tǒng)，代替駕駛?cè)说母兄?，提供周圍環(huán)境信息；其次應(yīng)有一套集智能算法、高性能硬件于一體的控制系統(tǒng)，代替駕駛?cè)说拇竽X，制定駕駛指令、規(guī)劃行駛路徑；最后還需一套完善縝密的執(zhí)行系統(tǒng)，可以代替駕駛員的手腳動作，執(zhí)行駕駛指令、控制車輛狀態(tài)。其中，感知系統(tǒng)應(yīng)包括環(huán)境感知、內(nèi)部感知、駕駛?cè)烁兄?。其中?nèi)部感知主要是通過CAN總線采集車內(nèi)各電子控制單元信息，以及裝載在車上的各類傳感器實時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，來獲取車輛狀態(tài)，包括車體（車內(nèi)外溫度、空氣流量、胎壓），動力（油壓、轉(zhuǎn)速、機油），車輛安全（安全帶、氣囊、門窗鎖）等；駕駛?cè)烁兄峭ㄟ^人機交互界面或傳感器獲取駕駛?cè)瞬倏?、手勢、語音等控制指令，以及面部表情等檢測信息，用來接收控制命令、檢測駕駛?cè)藸顟B(tài)。本文介紹的感知系統(tǒng)針對環(huán)境感知、自動駕駛感知系統(tǒng)的關(guān)鍵點和難點，其功能是實時獲取周邊物體、行駛路況、導(dǎo)航定位、天氣、停車場等信息。自動駕駛系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動駕駛系統(tǒng)框架圖

2 感知系統(tǒng)

感知系統(tǒng)目的包括：①安全性：實時、準確識別周邊影響交通安全的物體，應(yīng)對突發(fā)事件，為采取必要操作以避免發(fā)生交通安全事故；②通過性：基于自身行駛性能、周邊路況和共識規(guī)則，能夠?qū)崟r、可靠、準確識別并規(guī)劃出可保證規(guī)范、安全、迅速到達目的地的行駛路徑；③經(jīng)濟舒適性：為車輛高效、經(jīng)濟、平順行駛提供參考依據(jù)。目前，感知系統(tǒng)主要是利用傳感器、定位導(dǎo)航、車聯(lián)通信（VehicIe-to-X，V2X）3種技術(shù)組合實現(xiàn)上述目的。

2.1傳感器

傳感器感知的對象包括行駛路徑、周圍障礙物和行駛環(huán)境等。感知行駛路徑是對可通行性道路的識別，在城市中包括信號燈、各種標志牌、車道線、路障等目標的識別；在野外包括車輛前方路面平坦情況、可通行道路分析等。感知周圍障礙物是識別影響自動駕駛車輛行駛的靜止或者移動的各種障礙物，包括路面上的車輛、行人、路障等。感知行駛環(huán)境是判別對自動駕駛車輛行駛影響比較大的變化環(huán)境，例如路面、交通與天氣等。

主流的傳感器感知技術(shù)包括視覺感知、激光感知、微波感知等。視覺感知是基于攝像頭采集的圖像信息，使用視覺相關(guān)算法進行處理，認知周圍環(huán)境；激光感知是基于激光雷達采集的點云數(shù)據(jù)，通過濾波、聚類等技術(shù)，對環(huán)境進行感知；微波感知是基于微波雷達采集的距離信息，使用距離相關(guān)算法進行處理，認知周圍環(huán)境。3種環(huán)境感知方法的比較如表2所示［2］。根據(jù)各類傳感器技術(shù)特點，不同應(yīng)用場景和系統(tǒng)功能需求下，應(yīng)選不同的傳感器技術(shù)。例如，在高速公路環(huán)境下，由于車輛速度較快，通常選用檢測距離較大的微波感知；在城市環(huán)境中，由于環(huán)境復(fù)雜，通常選擇檢測角度較大、信息量豐富的激光、視覺感知技術(shù)。

表2 傳感器感知方法比較

現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的各類高級駕駛員輔助系統(tǒng)ADAS使用各類傳感器，實現(xiàn)了相應(yīng)的輔助駕駛功能，為實現(xiàn)完全自動駕駛奠定了基礎(chǔ)，如圖2所示［3］。但單一傳感器獲取周圍信息時，安全性、整體性都相對較差。隨著傳感器和信息融合技術(shù)的快速發(fā)展，不同傳感器信息在時間和空間維度上的高精度數(shù)據(jù)融合成為可能，多傳感器融合技術(shù)趨于成熟。它可更精確地獲取目標信息，完成障礙物的檢測，是未來研發(fā)和應(yīng)用的趨勢。目前，參與歐盟PROTECTOR計劃的主要汽車廠商已開始研究雷達傳感器（激光雷達、微波雷達）和光學(xué)傳感器（普通光學(xué)攝像頭、紅外攝像頭）的融合技術(shù)，開發(fā)了行人安全檢測系統(tǒng)［4］。

2.2定位導(dǎo)航

圖2 常用ADAS系統(tǒng)及其傳感器

傳感器感知系統(tǒng)雖然可以為自動駕駛汽車提供周邊環(huán)境信息，但難以實現(xiàn)全局環(huán)境的高精度定位，在大范圍環(huán)境感知、規(guī)劃行車路徑、經(jīng)濟舒適駕駛等方面存在不足。定位導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用車輛定位技術(shù)、地理信息系統(tǒng)（Geographical Information System，GIS）、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、信息技術(shù)、多媒體以及遠程通信技術(shù)，為車輛提供全局定位、路線設(shè)計、路徑引導(dǎo)、綜合信息等功能［5］，將車輛與環(huán)境有機結(jié)合，實現(xiàn)超視距感知輔助，規(guī)劃行車路徑，提高行駛平順性、經(jīng)濟性。

定位導(dǎo)航系統(tǒng)首要功能是提供車輛位置、速度、航向等信息，而精確、可靠的車輛定位是實現(xiàn)導(dǎo)航功能的前提和基礎(chǔ)。常用的定位技術(shù)主要有衛(wèi)星定位、慣性導(dǎo)航（Inertial Navigation System，INS）、航跡推算（Dead-Reckoning，DR）、地圖匹配（Map Matching，MM）和傳感器感知等技術(shù)。其中，主要的衛(wèi)星定位系統(tǒng)有美國的全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS），歐洲空間局的伽利略定位系統(tǒng)（NAVS AT），俄羅斯的格洛納斯定位系統(tǒng)（GLONASS），中國的北斗2代定位系統(tǒng)。

常見的定位導(dǎo)航方法包括高精度GPS導(dǎo)航、磁導(dǎo)航、慣性傳感器導(dǎo)航，其特點對比見表3?；谌魏我粋€單一定位技術(shù)的系統(tǒng)都有本身無法克服的短處，隨著應(yīng)用場合與環(huán)境的不斷復(fù)雜變化，組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)成為研究應(yīng)用熱點。

表3 主要定位導(dǎo)航技術(shù)比較

1）GPS／INS組合導(dǎo)航技術(shù)是目前最常見的組合導(dǎo)航系統(tǒng)之一，它利用INS短期定位精度與數(shù)據(jù)采樣頻率較高的特點，為GPS系統(tǒng)提供相關(guān)輔助信息，使GPS能夠保持較低的跟蹤帶寬；GPS相對高精度的輸出信息可以估計出INS系統(tǒng)的誤差參數(shù)，并控制其隨時間的積累誤差。簡而言之，GPS輸出的位置和速度信息有利于提高INS導(dǎo)航解算精度，而INS可以在GPS衛(wèi)星信號覆蓋不好的區(qū)域或位置，短時間內(nèi)提高組合導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。

2）GPS／INS／GIS組合導(dǎo)航技術(shù)是在GPS／INS系統(tǒng)獲取車輛定位信息后，進一步通過GIS系統(tǒng)中地圖匹配算法將定位數(shù)據(jù)與電子地圖進行匹配，對車輛位置進行實時加權(quán)修正［67］。該組合導(dǎo)航技術(shù)能有效克服GPS信號長時間受阻、定位間斷或失效時，慣性導(dǎo)航定位誤差積累偏大的問題，提高了導(dǎo)航定位的精度、擴展了使用范圍。同時，此技術(shù)不用增加額外的車載硬件設(shè)備，僅僅通過軟件的方法即可提高車輛的定位精度，降低了導(dǎo)航系統(tǒng)的成本。但需要滿足以下2個條件：①車輛始終行駛在路網(wǎng)中的道路上；②電子地圖數(shù)據(jù)誤差小于GPS定位誤差。

3）高精度智能地圖導(dǎo)航技術(shù)是在高精度地圖基礎(chǔ)上，通過云端數(shù)據(jù)庫既提供包括高速公路、城市道路、交通信號標志等永久數(shù)據(jù)，又提供交通路況、臨時交通管制、重要路段人流數(shù)據(jù)分析等動態(tài)數(shù)據(jù)。結(jié)合自動駕駛汽車自身的傳感器信息，充分實現(xiàn)宏觀道路匹配、微觀精確定位以及動態(tài)全局環(huán)境感知。其中，高精度地圖主要是利用攝像頭采集圖像、激光雷達3D掃描、GPS定位軌跡等技術(shù)，整合多種數(shù)據(jù)搭建道路三維模型，包含了路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、道路標線、交通標志、路邊街景等海量數(shù)據(jù)；云端數(shù)據(jù)庫不斷收集路上行駛車輛傳送來的最新信息，經(jīng)過分析確認后，更新高精度地圖，并將信息發(fā)送給其他車輛。

目前，美國谷歌公司，德國奧迪、寶馬、戴姆勒聯(lián)手收購的Here，中國阿里巴巴收購的高德，荷蘭TomTom等地圖公司，日本豐田、日產(chǎn)汽車公司，以及德國大陸、博世等頂級汽車零部件公司，均在開發(fā)適合自動駕駛的高精度地圖。比如谷歌車隊使用激光掃描儀和GPS以及其他傳感器來繪制周圍環(huán)境圖；寶馬將激光掃描儀安裝在前保險杠下面，用來生成車輛前方的路況信息；博世使用雷達和超聲波傳感器、立體聲攝像機和一個安裝在車頂?shù)男D(zhuǎn)激光掃描儀來收集數(shù)據(jù)，生成詳細的周圍環(huán)境3D地圖；豐田將GPS數(shù)據(jù)信息和地面攝像頭獲取的圖像打包發(fā)送至數(shù)據(jù)中心，將二者整合、更新，最終形成一套高精度的地圖。2.3車聯(lián)通信

車聯(lián)通信（VehicIe-to-X，V2X）是一種強調(diào)數(shù)據(jù)交換的無線通信技術(shù)。用以實現(xiàn)車與車（VehicIe-to-VehicIe，V2V）、車與基礎(chǔ)設(shè)施（VehicIe-to-Infrastr-ucture，V2I）、車與行人（Vehicle-to-Pedestrians，V2P）、車與騎行者等之間的信息交換。V2X技術(shù)是車聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，它能夠使車與車、設(shè)施、行人進行對話，將各自信息進行交換，為自動駕駛提供先驗信息，提高環(huán)境識別效率和準確率，消除視野盲點安全隱患，起到提高車輛運行安全和疏導(dǎo)交通流量等作用。NHTSA曾預(yù)測，對于中輕型車輛V2V安全技術(shù)能夠避免80%的交通事故，重型車V2V安全技術(shù)能夠避免71%的交通事故，V2I能夠避免12%的道路安全事故［8］。通過V2X車聯(lián)網(wǎng)能夠有效降低交通事故造成的損失。

支持車輛在高速移動的環(huán)境下實時可靠通信的無線通信技術(shù)是V2X車聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)，它直接決定了信息交互的實時性和有效性。NHTSA提出的V2X車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的通信需求包括：①極短的網(wǎng)絡(luò)接入時間；②低傳輸時延；③高傳輸可靠性；④高信息安全性和隱私保護；⑤在有限的范圍內(nèi)，使頻譜再利用和低干擾；⑥擁有足夠的通信帶寬。

具體指標為：①時延要求在100ms左右；②典型傳輸距離為50～500 m；③車車通信的數(shù)據(jù)包大小在100字節(jié)內(nèi)；④車路通信的數(shù)據(jù)包大小在340字節(jié)內(nèi)［9］。各國的研究組織和企業(yè)基于目前專用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）、WiFi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、微波存取全球互通（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMax）、長期演進（Long Term Evolution，LTE）等通用無線通信技術(shù)，提出了多種針對上述要求的技術(shù)方案。其中，DSRC技術(shù)具有傳輸速率高、延遲短、支持點對點、點對多點通信等特點，且技術(shù)成熟度和標準化水平高，是目前主流的V2X車聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)［10］。表4為常用無線通信技術(shù)比較。

表4 常用無線通信技術(shù)比較［11］

DSRC一般泛指所有短距離的無線通信技術(shù)，包含不同的技術(shù)和標準，主要工作在5.8～5.9GHz頻段之間，包括專用短程通信協(xié)議、路側(cè)單元（Road Side Unit，RSU）、車載單元（On Board Unit，OBU）三部分［12］。早在1999年，美國聯(lián)邦通信委員會已規(guī)定5.9 GHz頻段（5.875～5.925GHz）專門用于車聯(lián)通信研究。根據(jù)美國制定的DSRC標準，DSRC通信協(xié)議下層的物理層和介質(zhì)訪問控制層（Medium Access Control，MAC）采用IEEE 802.11p協(xié)議，上層采用IEEE 1609協(xié)議［13］。其中，IEEE 802.11p是針對V2X車聯(lián)網(wǎng)對高數(shù)據(jù)速率和高速移動性的通信要求，基于IEEE802.11標準設(shè)計的一個通信標準。它改進了信息傳輸機制、支持高速移動互聯(lián)、增強了安全性和身份認證。IEEE 1609協(xié)議是以IEEE 802．1lp通信協(xié)議為基礎(chǔ)的高層系列標準，用于提供資源管理、應(yīng)用程序和管理信息安全加密、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、通道協(xié)調(diào)。DSRC協(xié)議對應(yīng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 美國DSRC標準協(xié)議結(jié)構(gòu)

目前，DSRC在美國、歐洲、日本等地歷經(jīng)十多年發(fā)展，已在多個國家級項目中研究推廣，如美國IntelliDrive項目、歐洲CVIS（Cooperative Vehicle Infrastructure Systems）項目、日本Smartway計劃，并且美國電氣和電子工程師協(xié)會、歐洲電信化標準協(xié)會、國際化標準組織均制定了近似的通信標準。企業(yè)方面，恩智浦、意法半導(dǎo)體等半導(dǎo)體供應(yīng)商，大陸、德爾福等零部件供應(yīng)商都開發(fā)了相應(yīng)產(chǎn)品；通用汽車宣布將在2017年款凱迪拉克CTS上率先搭載采用DSRC技術(shù)的V2X系統(tǒng)，通過與GPS相結(jié)合，該系統(tǒng)能夠精確獲取周圍300m內(nèi)其他車輛的準確位置和行駛狀況［14］。

3 總結(jié)

感知系統(tǒng)將真實世界的視覺、物理、事件等信息轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，為車輛了解周邊環(huán)境、制定駕駛操作提供了基本保障。本文從傳感器、定位導(dǎo)航、車聯(lián)通信3個技術(shù)方向介紹了感知系統(tǒng)。其中，傳感器技術(shù)能夠及時、快速掌握局部范圍內(nèi)各種人車路信息，有效應(yīng)對周邊突發(fā)事件；導(dǎo)航定位可確定車輛與路網(wǎng)其他單元的位置關(guān)系，提供全局視野，用于規(guī)劃路徑、優(yōu)化駕駛體驗；車聯(lián)通信可使人、車、路信息互聯(lián)共享，實時準確地大范圍、全方位感知環(huán)境信息，有效彌補傳感器感知范圍有限、易受環(huán)境影響，定位導(dǎo)航感知實時性差、感知內(nèi)容有限等缺陷［15］。目前，各大汽車制造商正致力于自動駕駛汽車實用化研發(fā)和商業(yè)化推廣。多種技術(shù)融合的感知系統(tǒng)是實現(xiàn)高等級自動駕駛的關(guān)鍵技術(shù)，很大程度上決定著自動駕駛發(fā)展進程，間接影響著將來自動駕駛汽車的產(chǎn)品標準、試驗測試方法、安全等級評價等產(chǎn)業(yè)市場規(guī)則，以及交通規(guī)劃、車輛及駕駛?cè)斯芾淼壬鐣卫硪?guī)則。

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（編輯 心翔）

Overview on Key Technology of Perceptual System on Self-driving Vehicles

WANG Yi-fan
（Road Traffic Safety Research Center，Ministry of Public Security，Beijing 100062，China）

In this paper，an automatic driving system framework is put forward，which consists of perception，control and execution.Then the perception of sensors，navigation and positioning system，and vehicle communication are mainly introduced.The characteristics and applications of key technologies are also analyzed.

self-driving；perceptual system；sensor；positioning and navigation；V2X

U463.6

：A

1003－8639（2016）12－0012－05

2016-07-13；

2016-07-19

王藝帆（1988-），男，河北，實習(xí)研究員，工學(xué)碩士，主要從事車輛安全性能運行安全研究，事故車輛案例深度調(diào)查，相關(guān)標準制定工作。