無人駕駛汽車環(huán)境感知技術(shù)綜述

馬佃波

（吉林大學(xué) 130012)

無人駕駛汽車環(huán)境感知技術(shù)綜述

馬佃波

（吉林大學(xué) 130012)

無人駕駛汽車的相關(guān)技術(shù)一直是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)研究中的重中之重，它對(duì)國防、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及整個(gè)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)都有重要的影響作用。無人駕駛汽車的相關(guān)技術(shù)涉及了很多知識(shí)，需要大量專業(yè)人才為之奮斗。其中，環(huán)境感知技術(shù)就相當(dāng)于無人駕駛汽車的眼睛，將影響著整個(gè)無人駕駛汽車的安全性和穩(wěn)定性，因此，本文主要分析了當(dāng)前國內(nèi)外無人駕駛汽車的發(fā)展現(xiàn)狀以及現(xiàn)有的無人駕駛汽車環(huán)境感知系統(tǒng)，對(duì)無人駕駛汽車環(huán)境感知系統(tǒng)中的傳感器進(jìn)行了研究。

無人駕駛；汽車；環(huán)境；感知

科技發(fā)展的腳步從未停止，人工智能機(jī)器人及人工智能系統(tǒng)已然成為新世紀(jì)科技發(fā)展的主向。作為人工智能機(jī)器人的分支，無人駕駛汽車的發(fā)展在整個(gè)社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中都具有非常重要的影響。無人駕駛汽車可以通過車上安裝的攝像頭或雷達(dá)感知道路情況，及時(shí)傳遞各種危險(xiǎn)情況給駕駛系統(tǒng)，并且在駕駛員沒有及時(shí)做出反應(yīng)的危急時(shí)刻自動(dòng)采取安全措施，提升駕駛汽車的安全性。

在道路行駛中，可以通過視覺傳感器檢測(cè)汽車是否行駛在車道內(nèi)，有無偏離，還會(huì)識(shí)別行駛過程中道路上的各種標(biāo)識(shí)物和紅綠燈。在無人駕駛技術(shù)中，環(huán)境感知技術(shù)是其組成單元中較為重要的一個(gè)單元，將直接決定無人駕駛汽車的整體水平，一直是無人駕駛技術(shù)中研究的重點(diǎn)。

1 國內(nèi)外無人駕駛汽車發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外無人駕駛汽車發(fā)展現(xiàn)狀

目前對(duì)無人駕駛技術(shù)研發(fā)投入最多且研究較為深入的國家就是美國了，其從1970年開始就一直注重?zé)o人駕駛技術(shù)的發(fā)展，在各個(gè)有能力的單位、學(xué)校、研究院投入大量資金進(jìn)行科學(xué)研究，推動(dòng)了無人駕駛汽車的發(fā)展，并取得了非常好的研究成果。

在2011年，英國的牛津大學(xué)改裝了一輛越野型無人駕駛汽車，該車在行駛中可以不用GPS，而是采取激光雷達(dá)感知道路情況，可以行駛在山路中[1]。

2014年寶馬在德國展示了其最新的無人駕駛技術(shù)，車輛在將出現(xiàn)碰撞時(shí)，系統(tǒng)會(huì)警告駕駛員，并在必要時(shí)自動(dòng)停車。

1.2 國內(nèi)無人駕駛汽車發(fā)展現(xiàn)狀

我國在無人駕駛技術(shù)的研究上則稍晚一些，在1980年，由哈爾濱工業(yè)大學(xué)、自動(dòng)化研究所與國防科技大學(xué)三家單位組成的研發(fā)團(tuán)體開始啟動(dòng)“遙控駕駛的防核化偵察車”項(xiàng)目。在1985年研制出我國第一輛無人駕駛汽車ATB-1。

在國內(nèi)，國防科技大學(xué)的無人駕駛技術(shù)研究水平處在最前列。2002年成功研制出一輛可以在行駛過程中自主檢測(cè)道路障礙物并自行換車道的無人駕駛汽車“紅旗CA7460”，其最高車速為100 km/h。清華大學(xué)也于2006年研制出可以分為高速和城區(qū)兩種環(huán)境下不同駕駛模式的無人駕駛汽車，其最高時(shí)速為100 km/h[2]。

從2009年起到2016年，我國每年舉辦一次無人駕駛汽車比賽，至今已經(jīng)舉辦了八屆。此項(xiàng)比賽大大推進(jìn)了我國無人駕駛技術(shù)的發(fā)展，但是仍與西方發(fā)達(dá)國家存在較大的差距。

2 無人駕駛汽車環(huán)境感知系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

2.1 Boss無人駕駛汽車的環(huán)境感知系統(tǒng)

Boss無人駕駛汽車的感知系統(tǒng)是由兩個(gè)相機(jī)，九個(gè)激光雷達(dá)和兩個(gè)IBEO組成。其中九個(gè)雷達(dá)又分為一個(gè)三維激光雷達(dá)，六個(gè)二維激光雷達(dá)和兩個(gè)毫米波雷達(dá)。雷達(dá)主要用來檢測(cè)靜態(tài)的障礙，當(dāng)?shù)缆非按嬖谡系K物時(shí)，首先由雷達(dá)檢測(cè)并生成相應(yīng)的障礙物地圖，如果障礙物為移動(dòng)障礙物時(shí)，會(huì)自動(dòng)從障礙物地圖中剔除。

2.2 Junior無人駕駛汽車的環(huán)境感知系統(tǒng)

Junior無人駕駛汽車的感知系統(tǒng)是先由一個(gè)測(cè)量單元通過與衛(wèi)星系統(tǒng)相連接感知車輛當(dāng)前的具體位置。在車輛兩邊安裝兩個(gè)傳感器，通過激光感知車輛前方路面情況，并生成車輛周圍路面的3D結(jié)構(gòu)。在車頂、尾部和保險(xiǎn)杠處分別安裝2個(gè)激光傳感器，感知車輛周邊的障礙物。把多個(gè)傳感器感知測(cè)量一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的局部路面情況匯總，組成一個(gè)路面情況地圖，防止一個(gè)傳感器在一小段路面上存在盲點(diǎn)[3]。

2.3 Talos無人駕駛汽車的環(huán)境感知系統(tǒng)

Talos無人駕駛汽車的感知系統(tǒng)主要是由安裝在車前三個(gè)，車后四個(gè)的近距離傳感器組成，由這些傳感器感知車輛附近的障礙物情況。由車頂?shù)募す饫走_(dá)傳感器感知車輛周圍障礙物和路面情況，而且該傳感器傳回的信息分類較為精細(xì)，能夠明確區(qū)分是障礙物還是路面的信息，并且根據(jù)不同分類建立相應(yīng)地圖結(jié)構(gòu)。

但是車頂?shù)募す饫走_(dá)傳感器檢測(cè)也存在盲區(qū)，因此在其附近安裝五個(gè)近距離傳感器俯視車輛周邊的路面情況，能夠有效避免盲區(qū)。由安裝在車身周圍的五個(gè)相機(jī)進(jìn)行視覺環(huán)境感知，檢測(cè)車周車道線。由安裝的十五個(gè)毫米波雷達(dá)檢測(cè)遠(yuǎn)距離的障礙物。

2.4 Google無人駕駛汽車的環(huán)境感知系統(tǒng)

Google無人駕駛汽車的感知系統(tǒng)是由車頂安裝的激光雷達(dá)來檢測(cè)與車輛周邊障礙物的距離，并反饋回系統(tǒng)創(chuàng)建三維地圖。由安裝的毫米波雷達(dá)負(fù)責(zé)檢測(cè)車輛附近的障礙物和激光雷達(dá)的盲區(qū)，如在盲區(qū)發(fā)現(xiàn)障礙物則會(huì)報(bào)警。由安裝在車窗處的相機(jī)檢測(cè)車輛是否正確行駛在車道內(nèi)，如發(fā)現(xiàn)偏離車道則會(huì)發(fā)出預(yù)警。

安裝在車窗處的紅外線相機(jī)用于夜間檢測(cè)路面情況，并在儀表盤上顯示出來，尤其是障礙物會(huì)突出顯現(xiàn)。由安裝的可見光攝像機(jī)檢測(cè)周圍可視路面情況并形成三維圖。通過以上感知系統(tǒng)搜集信息并傳送給Google數(shù)據(jù)庫，由Google的數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行處理。但是整個(gè)Google無人駕駛汽車無法處理一些不可預(yù)知的情況，尚且還無法做到與人駕駛的汽車和平共處[4]。

3 無人駕駛汽車環(huán)境感知系統(tǒng)中傳感器的研究

3.1 視覺傳感器

視覺傳感器在整個(gè)環(huán)境感知系統(tǒng)中占據(jù)了非常重要的地位，相當(dāng)于無人駕駛汽車的眼睛。它主要用于檢測(cè)路面的車道線、路邊各種標(biāo)識(shí)以及紅綠燈等。視覺傳感器的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，可以量產(chǎn)，體積小方便安裝在各種地方，可以識(shí)別顏色。但是容易受外界環(huán)境干擾，比如當(dāng)天氣非常好、光線很強(qiáng)時(shí)，由于強(qiáng)光直射有的物體在光線照射下會(huì)出現(xiàn)反光的現(xiàn)象，從而使相機(jī)過度曝光；當(dāng)天氣不好、光線弱時(shí)，有的地方背光或者光線不足，會(huì)使得相機(jī)曝光不足。這些情況都會(huì)影響相機(jī)的拍攝質(zhì)量，影響最終的檢測(cè)結(jié)果。

相機(jī)安裝的位置也會(huì)影響最終檢測(cè)的結(jié)果，當(dāng)相機(jī)安裝在車輛外部時(shí)，外界的光線、天氣情況都會(huì)對(duì)相機(jī)拍攝產(chǎn)生影響。當(dāng)相機(jī)安裝在車輛內(nèi)部時(shí)，車窗上的污漬和反光也會(huì)影響到拍攝質(zhì)量。所以，無論相機(jī)安裝在何處，都要做好防護(hù)措施，避免光線對(duì)拍攝產(chǎn)生影響。

同時(shí)，無人駕駛汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也會(huì)對(duì)視覺感知系統(tǒng)產(chǎn)生影響。由于傳感器是安裝在汽車機(jī)體上的，其狀態(tài)會(huì)和汽車當(dāng)前狀態(tài)保持一致，在加上拍攝幀數(shù)有限，當(dāng)無人駕駛汽車保持較高時(shí)速運(yùn)動(dòng)時(shí)，相機(jī)拍攝的圖像會(huì)模糊，質(zhì)量也差，沒有靜態(tài)狀態(tài)下拍攝的清晰。

3.2 二維激光雷達(dá)

二維激光雷達(dá)常與三維激光雷達(dá)配合使用，由于三維雷達(dá)一般安裝的位置較高，往往會(huì)出現(xiàn)盲區(qū)，而二維雷達(dá)就是檢測(cè)無人駕駛汽車周邊的障礙物，解決盲區(qū)問題。二維激光雷達(dá)通過掃描來測(cè)量汽車周邊區(qū)域內(nèi)的物體與自身之間的距離以及相對(duì)于自身坐標(biāo)系的角度，而且還可以設(shè)置各種不同角度下的分辨率和掃描的頻率，這將影響到表達(dá)每次輸出光束的測(cè)量距離的方式。

為了能夠及時(shí)收取雷達(dá)每次測(cè)量的數(shù)據(jù)，一般都會(huì)選用網(wǎng)絡(luò)接口作為雷達(dá)與上機(jī)位之間的傳輸方式，首先建立一個(gè)IP連接雷達(dá)與上機(jī)位，雷達(dá)通過此連接接收上機(jī)位發(fā)送的掃描請(qǐng)求，然后雷達(dá)再通過網(wǎng)絡(luò)接口按照人工設(shè)定好的頻率向上機(jī)位傳輸數(shù)據(jù)。

3.3 三維激光雷達(dá)

三維激光雷達(dá)是目前無人駕駛汽車中應(yīng)用最多的一類傳感器，它是把很多單線的激光組合在一起形成的，具有非常高的距離、角度和速度分別率、非常強(qiáng)的抗干擾能力等優(yōu)勢(shì)，還可以獲取三維信息。在無人駕駛汽車中應(yīng)用三維激光雷達(dá)，可以獲取更為全面的信息。它的掃描范圍在水平方向上為360°，最遠(yuǎn)檢測(cè)距離為120 m，可以在除了雨霧等惡劣天氣的任何環(huán)境下使用。一般來說雷達(dá)安裝的位置和擺放的姿勢(shì)都會(huì)影響到其檢測(cè)的范圍，所以一般在無人駕駛汽車中，都會(huì)把三維激光雷達(dá)安裝在車頂?shù)奈恢?，這樣可檢測(cè)的范圍更廣[5]。

4 結(jié)束語

無人駕駛汽車的環(huán)境感知技術(shù)值得我們進(jìn)行更加深入的研究，環(huán)境感知技術(shù)在無人駕駛汽車技術(shù)研究中占據(jù)著非常重要的地位，它的優(yōu)劣將影響著整個(gè)駕駛過程的安全性與穩(wěn)定性。而且環(huán)境感知技術(shù)包括的內(nèi)容非常多，如傳感器方面的知識(shí)、計(jì)算機(jī)知識(shí)、計(jì)算機(jī)的圖像處理、對(duì)圖像的理解認(rèn)知以及傳感器與計(jì)算機(jī)信息相融合的技術(shù)等等，需要更多專業(yè)人才為之努力，投身科研事業(yè)。

雖然直到現(xiàn)在，我國還沒有完全實(shí)現(xiàn)真正的無人駕駛，但是國家出臺(tái)了很多對(duì)其有利的政策，并且對(duì)各個(gè)參與研究的學(xué)校、研究院、企業(yè)進(jìn)行扶持，無人駕駛汽車的相關(guān)技術(shù)一直在快速發(fā)展中，相信在不久的將來，我國就會(huì)實(shí)現(xiàn)真正的無人駕駛。

[1]馬飛躍,王曉年. 無人駕駛汽車環(huán)境感知與導(dǎo)航定位技術(shù)應(yīng)用綜述[J]. 汽車電器,2015,(02):1-5.

[2]王貴槐,萬劍. 汽車安全輔助駕駛支持系統(tǒng)信息感知技術(shù)綜述[J]. 交通與計(jì)算機(jī),2008,(03):50-54.

[3]王世峰,戴祥,徐寧,張鵬飛. 無人駕駛汽車環(huán)境感知技術(shù)綜述[J]. 長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,(01):1-6.

[4]陳龍. 城市環(huán)境下無人駕駛智能車感知系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢大學(xué),2013.

[5]王藝帆. 自動(dòng)駕駛汽車感知系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)綜述[J]. 汽車電器,2016,(12):12-16.

U472.41 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

馬佃波（1991—），男，碩士，主要研究方向?yàn)槠囋煨驮O(shè)計(jì)，無人駕駛汽車巡航控制算法。