自動(dòng)駕駛傳感器平臺盤點(diǎn)
超聲波雷達(dá)
超聲波雷達(dá)又名倒車?yán)走_(dá)。常見的超聲波雷達(dá)有兩種。第一種是安裝在汽車前后保險(xiǎn)杠上的,也就是用于測量汽車前后障礙物的倒車?yán)走_(dá),這種雷達(dá)業(yè)內(nèi)稱為UPA;第二種是安裝在汽車側(cè)面的,用于測量側(cè)方障礙物距離的超聲波雷達(dá),業(yè)內(nèi)稱為APA。作為無人車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的探測范圍和探測區(qū)域都太相同,如下圖所示。圖中的汽車配備了前后向共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)的探測距離一般在15~250cm之間,主要用于測量汽車前后方的障礙物。
如圖所示,為單個(gè)UPA的探測范圍示意圖。
APA超聲波雷達(dá)
APA超聲波雷達(dá)的探測距離一般在30~500cm之間。APA的探測范圍更遠(yuǎn),因此相比于UPA成本更高,功率也更大。
如圖為單個(gè)APA的探測范圍示意圖。
APA的探測距離優(yōu)勢讓它不僅能夠檢測左右側(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)判斷停車庫位是否存在。
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測障礙物外,還可以做很多事。
應(yīng)用1:泊車庫位檢測
自動(dòng)泊車功能需要經(jīng)歷兩個(gè)階段:1.識別庫位;2.倒車入庫
識別庫位功能就是依賴安裝在車輛側(cè)方的APA,如下場景。
汽車緩緩駛過庫位時(shí),汽車右前方的APA傳感器返回的探測距離與時(shí)間的關(guān)系可判斷當(dāng)前空間有無車位。有了庫位檢測功能,進(jìn)而開發(fā)自主泊車功能就不是難事了。
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)駛過的汽車?yán)碜攒囕^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)車輛的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。
車載攝像機(jī)
車載攝像機(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)行模式識別,通過圖像匹配進(jìn)行識別,如識別車輛行駛環(huán)境中的車輛、行人、車道線、交通標(biāo)志等;接下來,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)物體與本車的相對距離和相對速度。
攝像機(jī)根據(jù)鏡頭和布置方式的不同主要有以下四種:單目攝像機(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)開發(fā)的,因此相對于其他類別的攝像機(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。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,因此對單目來說物體越遠(yuǎn),測距的精度越低。
雙目攝像機(jī)
由于單目測距存在缺陷,雙目攝像機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。雙目攝像機(jī),是通過對兩幅圖像視差的計(jì)算,直接對前方景物(圖像所拍攝到的范圍)進(jìn)行距離測量,而無需判斷前方出現(xiàn)的是什么類型的障礙物。依靠兩個(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),依賴精確的三角測距,就能夠算出攝像頭與前方障礙物距離,實(shí)現(xiàn)更高的識別精度和更遠(yuǎn)的探測范圍。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,雙目的解決方案沒有識別率的限制,無需先識別可直接進(jìn)行測量;直接利用視差計(jì)算距離精度更高;無需維護(hù)樣本數(shù)據(jù)庫。但因?yàn)闄z測原理上的差異,雙目視覺方案在距離測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于鏡頭。而且雙目測距原理對兩個(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)。
對攝像機(jī)來說,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)感知范圍的問題。因此在業(yè)界被廣泛應(yīng)用。
那么測距精度的問題怎么辦?
正是由于三目攝像機(jī)每個(gè)相機(jī)的視野不同,因此近處的測距交給寬視野攝像頭,中距離的測距交給主視野攝像頭,更遠(yuǎn)的測距交給窄視野攝像頭。這樣一來每個(gè)攝像機(jī)都能發(fā)揮其最大優(yōu)勢。
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),對算法要求也很高。
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