自動(dòng)駕駛傳感器平臺(tái)盤點(diǎn)
不同的傳感器都有其優(yōu)勢和缺陷,無法在單傳感器的情況下完成對(duì)無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相互融合、功能互補(bǔ)、互為備份、互為輔助才是完備的無人駕駛系統(tǒng)。如何融合這些傳感器的優(yōu)勢,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)有的車載傳感器包括激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、車載攝像機(jī)、GPS/IMU、V2X通信傳感、紅外探頭、超聲波雷達(dá)等。主流的無人駕駛傳感平臺(tái)以雷達(dá)和車載攝像頭為主,并呈現(xiàn)多傳感器融合發(fā)展的趨勢。基于測量能力和環(huán)境適應(yīng)性,預(yù)計(jì)雷達(dá)和車載攝像頭會(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)
為了解決測距的問題,引入了激光雷達(dá)這種傳感器。常常應(yīng)用在Level 3級(jí)別以上的無人車。
激光雷達(dá)的工作原理是利用可見和近紅外光波(多為950nm波段附近的紅外光)發(fā)射、反射和接收來探測物體。
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)可以探測白天或黑夜下的特定物體與車之間的距離。由于反射度的不同,也可以區(qū)分開車道線和路面,但是無法探測被遮擋的物體、光束無法達(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。通過雷射掃描可以得到汽車周圍環(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出周圍的車輛和行人。
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)車輛的定位精度。
激光雷達(dá)的分類
激光雷達(dá)根據(jù)安裝位置的不同,分類兩大類。一類安裝在無人車的四周,另一類安裝在無人車的車頂。
安裝在無人車四周的激光雷達(dá),其激光線束一般小于8,常見的有單線激光雷達(dá)和四線激光雷達(dá)。
安裝在無人車車頂?shù)募す饫走_(dá),其激光線束一般不小于16,常見的有16/32/64線激光雷達(dá)。
激光雷達(dá)雷射發(fā)射器線束越多,每秒采集的云點(diǎn)就越多。然而線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線束的雷射雷達(dá)價(jià)格是16線束的10倍。HDL-64E單個(gè)定制的成本在8萬元左右。
目前,Velodyne公司已經(jīng)開發(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,純視覺傳感器的無人駕駛方案在安全性上還存在較多問題,因此現(xiàn)階段的無人車的開發(fā)還離不開激光雷達(dá)。強(qiáng)如Google,目前也還沒開發(fā)出脫離激光雷達(dá)的自動(dòng)駕駛方案。
不過,激光雷達(dá)的普及所遇到的最大挑戰(zhàn)是:成本過高。單獨(dú)一個(gè)雷達(dá)的價(jià)格可能就超過了普通小汽車的價(jià)格,因此現(xiàn)階段還沒有大規(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)通過發(fā)射無線電信號(hào)(毫米波波段的電磁波)并接收反射信號(hào)來測定汽車車身周圍的物理環(huán)境信息(如汽車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,進(jìn)而結(jié)合車身動(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)用于車載距離探測,毫米波雷達(dá)在自動(dòng)駕駛中最常見的三種用途是:
1. ACC(自適應(yīng)巡航)
2. BSD&LCA(盲點(diǎn)監(jiān)測和變道輔助)
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
頻率在10GHz~200GHz的電磁波,由于其波長在毫米量級(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)的檢測距離有限,因此常用于檢測近處的障礙物。在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中常用于感知車輛近處的障礙物,為換道決策提供感知信息。
長距離雷達(dá):77GHz頻段
性能良好的77GHz雷達(dá)的最大檢測距離可以達(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中所配備的長距離毫米波雷達(dá),及其感知范圍。
長距離雷達(dá)能夠用于實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)、高速公路跟車等ADAS功能;同時(shí)也能滿足自動(dòng)駕駛領(lǐng)域,對(duì)障礙物距離、速度和角度的測量需求。
長距離雷達(dá):79GHz頻段
該頻段的傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)的功能和77GHz一樣,也是用于長距離的測量。
根據(jù)公式:光速 = 波長 * 頻率,頻率更高的毫米波雷達(dá),其波長越短。波長越短,意味著分辨率越高;而分辨率越高,意味著在距離、速度、角度上的測量精度更高。因此79GHz的毫米波雷達(dá)必然是未來的發(fā)展趨勢。
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)際開發(fā)的過程中,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)際測試過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)近處路面上突然出現(xiàn)的釘子、遠(yuǎn)距離外的金屬廣告牌都會(huì)被認(rèn)為是障礙物。一旦車輛高速行駛,被這些突然跳出的障礙物干擾時(shí),會(huì)導(dǎo)致剎車不斷,導(dǎo)致汽車的舒適性下降。
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。沒有高度信息的障礙物點(diǎn)會(huì)給技術(shù)開發(fā)帶來很多挑戰(zhàn)。
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