何俊南 姜京秀 孫朋朋
摘 要:冬季的環(huán)境條件復(fù)雜,且常伴有降雪,對(duì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的行駛安全提出了嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。本文聚焦于此,利用人工造雪的方式搭建降雪場(chǎng)景,并選取激光雷達(dá)作為研究對(duì)象,對(duì)激光雷達(dá)在不同降雪強(qiáng)度下的信號(hào)覆蓋范圍、有效分辨率和回波反射強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究。
關(guān)鍵詞:自動(dòng)駕駛汽車(chē) 激光雷達(dá) 降雪 環(huán)境適應(yīng)性
1 引言
汽車(chē)自動(dòng)駕駛技術(shù),作為面向未來(lái)的戰(zhàn)略型技術(shù),對(duì)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的變革和發(fā)展具有關(guān)鍵性作用。目前,隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展,我國(guó)的自動(dòng)駕駛汽車(chē)已經(jīng)走到了一個(gè)新的階段。2021年2月,國(guó)家發(fā)改委等11部委聯(lián)合發(fā)布《智能汽車(chē)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》,標(biāo)志著中國(guó)在智能汽車(chē)領(lǐng)域發(fā)起進(jìn)攻,爭(zhēng)當(dāng)智能汽車(chē)強(qiáng)國(guó)?!吨悄芷?chē)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》指出,2025年實(shí)現(xiàn)有條件自動(dòng)駕駛的智能汽車(chē)達(dá)到規(guī)模化生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)駕駛的智能汽車(chē)在特定環(huán)境下市場(chǎng)化應(yīng)用。
自動(dòng)駕駛汽車(chē)具有廣泛的使用場(chǎng)景,相關(guān)機(jī)構(gòu)如谷歌、蘋(píng)果、特斯拉、百度等已陸續(xù)在實(shí)際道路開(kāi)展測(cè)試,以對(duì)車(chē)輛進(jìn)行全面且深入的功能驗(yàn)證。冬季作為典型使用場(chǎng)景之一,環(huán)境條件復(fù)雜,且易出現(xiàn)降雪天氣,為自動(dòng)駕駛汽車(chē)的正常工作帶來(lái)了嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)[1]。針對(duì)于此,本文圍繞自動(dòng)駕駛汽車(chē)環(huán)境感知系統(tǒng)在降雪環(huán)境的性能變化,在該領(lǐng)域開(kāi)展初步的探索性工作,利用人工造雪的方式,進(jìn)行降雪環(huán)境的設(shè)計(jì)和搭建,并選取激光雷達(dá)作為主要研究對(duì)象,進(jìn)行不同降雪場(chǎng)景下的性能研究。
2 降雪對(duì)激光雷達(dá)的影響
環(huán)境感知系統(tǒng)利用外部傳感器采集道路狀況、天氣狀況、駕駛員狀態(tài)等,為自動(dòng)駕駛汽車(chē)的安全行駛提供可靠的決策依據(jù)。目前,現(xiàn)有的車(chē)載傳感器主要包括激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)和攝像頭等[1]。
激光雷達(dá)是指工作在光波頻段的雷達(dá),它利用光波頻段的電磁波先向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào),然后將其接收到的同波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)相比較,從而獲得目標(biāo)的位置(距離、方位和高度)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(速度、姿態(tài))等信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤和識(shí)別[2]。激光雷達(dá)探測(cè)范圍廣、分辨率高、信息量豐富,可探測(cè)路面場(chǎng)景中的其他車(chē)輛、行人和障礙物等,但不能識(shí)別交通標(biāo)志和交通信號(hào)燈,多用于行人保護(hù)系統(tǒng)、自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)、車(chē)道偏離預(yù)警系統(tǒng)、自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)等。
激光雷達(dá)的功能會(huì)因降雪天氣而受限,因?yàn)榘l(fā)射的光脈沖遇到雪花會(huì)反射回來(lái),激光透過(guò)率隨著降雪密度以及傳輸距離的增加而下降,甚至?xí)崖湎碌难┗ㄕ`認(rèn)為是需要躲避的物體,干擾自動(dòng)駕駛汽車(chē)對(duì)周?chē)h(huán)境的正確判斷[1]。
3 降雪場(chǎng)景構(gòu)建
3.1 人工造雪技術(shù)
自然界的降雪主要是由于云中的冰晶之間或冰晶與過(guò)冷水滴之間的相互碰撞,使部分冰晶迅速增大,當(dāng)冰晶能夠克服空氣阻力和浮力時(shí),便從空中落下,在空氣溫濕度、氣流、降落高度等因素的影響下,最終形成了各種形狀的雪花。
目前,常用且高效的造雪方法是使高壓水與空氣混合霧化結(jié)晶進(jìn)行造雪,人工造雪原理圖見(jiàn)圖1。其工作流程是:首先使來(lái)自高壓水泵的高壓水與來(lái)自空氣壓縮機(jī)的高壓空氣在噴嘴處混合,霧化形成小水滴,然后將水滴分散到空氣中,使空氣與水滴充分接觸,利用水自然蒸發(fā)和壓縮空氣體積膨脹帶走的熱量使水滴凝結(jié)成冰晶,最后在低溫環(huán)境下,使冰晶落地成雪。
3.2 降雪場(chǎng)景設(shè)計(jì)與布置
本研究的降雪場(chǎng)景構(gòu)建地點(diǎn)為中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心冬季汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng),選取的造雪機(jī)為牡丹江市安格士旅游設(shè)備廠生產(chǎn)的雪霸王造雪機(jī),具體技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。該造雪機(jī)為三輪可移動(dòng)式設(shè)備,水平方向可旋轉(zhuǎn)360°,具備電加熱器自動(dòng)預(yù)熱控制功能,并具備多排閥門(mén)可調(diào)控降雪強(qiáng)度,設(shè)備實(shí)景圖見(jiàn)圖2。
為滿足測(cè)試要求,降雪場(chǎng)景尺寸為120m*6m,采用4臺(tái)造雪機(jī),以滿足降雪量要求,布設(shè)方案見(jiàn)圖3。
4 試驗(yàn)方案
4.1 激光雷達(dá)選型
本研究選用Velodyne公司生產(chǎn)的型號(hào)為ULTRA Puck VLP-32的三維激光雷達(dá),該雷達(dá)擁有32個(gè)通道,每秒能夠產(chǎn)生約120萬(wàn)個(gè)三維點(diǎn)云坐標(biāo),并采用雙回波模式,具備200米的有效測(cè)量范圍,以及360°水平視場(chǎng)和40°的垂直視場(chǎng),實(shí)物圖如圖4所示。為了確保試驗(yàn)過(guò)程中,激光雷達(dá)能達(dá)到最大的感知視野,將三維激光雷達(dá)安裝在試驗(yàn)車(chē)輛的頂部,并且雷達(dá)軸垂直于地面,如圖4所示。
4.2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)
本研究以假人為目標(biāo)物,測(cè)試在3種不同的降雪條件下,激光雷達(dá)距離目標(biāo)物不同距離時(shí)的識(shí)別效果。圖5為降雪場(chǎng)景實(shí)際圖,包括無(wú)雪場(chǎng)景、I檔降雪場(chǎng)景和II檔降雪場(chǎng)景。
5 試驗(yàn)結(jié)果分析
5.1 降雪對(duì)激光雷達(dá)覆蓋范圍的影響
安裝激光雷達(dá)的測(cè)試車(chē)停在距離目標(biāo)物20m遠(yuǎn)處,實(shí)時(shí)采集無(wú)雪、I擋降雪和II擋降雪三種場(chǎng)景下的激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù),以反射強(qiáng)度的形式進(jìn)行編碼后,形成鳥(niǎo)瞰圖如圖6所示。由圖可見(jiàn),隨著降雪量的增加,激光雷達(dá)的覆蓋范圍逐漸減小。
5.2 降雪對(duì)激光雷達(dá)有效分辨率的影響
隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,激光雷達(dá)周?chē)饾u被一些雪花所覆蓋,如圖7所示。雪覆蓋后的激光雷達(dá)輸出的點(diǎn)云分布圖如圖7所示。由圖可見(jiàn),在激光雷達(dá)周?chē)a(chǎn)生了大量的噪點(diǎn),極大降低了點(diǎn)云的有效分辨率,嚴(yán)重?fù)p害了激光雷達(dá)的性能[3]。
5.3 降雪對(duì)激光雷達(dá)回波反射強(qiáng)度的影響
安裝激光雷達(dá)的測(cè)試車(chē)停在距離目標(biāo)物30m遠(yuǎn)處,實(shí)時(shí)采集無(wú)雪、I擋降雪和II擋降雪三種場(chǎng)景下的激光雷達(dá)回波反射強(qiáng)度,如圖8所示。從“無(wú)雪”到“有雪”,激光雷達(dá)的回波反射強(qiáng)度大幅下降,且隨著降雪量的增加,回波反射強(qiáng)度持續(xù)下降,直至趨近于零。
6 結(jié)語(yǔ)
本文針對(duì)于車(chē)載激光雷達(dá)在降雪環(huán)境下的適應(yīng)性進(jìn)行了初步探索與嘗試,以期為相關(guān)研究提供有效參考。同時(shí),在降雪場(chǎng)景構(gòu)建過(guò)程中,也發(fā)現(xiàn)了一些難點(diǎn):如降雪強(qiáng)度和均勻度的控制受溫度、濕度和局部陣風(fēng)的影響較大;人工造雪的雪質(zhì)和落雪方式相比于自然落雪,仍存在一些差距。目前,自動(dòng)駕駛汽車(chē)在降雪場(chǎng)景下的測(cè)試還有很多未知的盲區(qū),需要從業(yè)者繼續(xù)探索和研究,隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的迭代升級(jí),在該類(lèi)復(fù)雜氣象環(huán)境下的測(cè)試需求定會(huì)逐漸增加。
參考文獻(xiàn):
[1]何俊南,郭瑞玲,吳昊,殷振華.淺談自動(dòng)駕駛汽車(chē)環(huán)境感知系統(tǒng)在冬季面臨的挑戰(zhàn)[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2020,24:22-24.
[2]郝俊.自動(dòng)駕駛環(huán)境感知系統(tǒng)研究[J].時(shí)代汽車(chē),2018,300(09):16-17.
[3]Sun Pengpeng, Sun Chenghao, Wang Runmin, Zhao Xiangmo. Object Detection Based on Roadside LiDAR for Cooperative Driving Automation: A Review[J]. Sensors (Basel),2022,22(23):9316.