環(huán)視攝像機(jī)

環(huán)視攝像機(jī)，一般至少包括四個攝像頭，分別安裝在車輛前、后、左、右側(cè)，實(shí)現(xiàn)360°環(huán)境感知，難點(diǎn)在于畸變還原與對接。安裝于車輛前方、車輛左右后視鏡下和車輛后方的四個魚眼鏡頭采集圖像，采集到的圖像與下圖類似。

環(huán)視攝像機(jī)的鏡頭是魚眼鏡頭，而且安裝位置是朝向地面的。某些高配車型上會有“360°全景顯示”功能，所用到的就是環(huán)視攝像機(jī)。魚眼攝像機(jī)為了獲取足夠大的視野，代價是圖像的畸變嚴(yán)重。

通過標(biāo)定值，進(jìn)行圖像的投影變換，可將圖像還原成俯視圖的樣子。之后對四個方向的圖像進(jìn)行拼接，再在四幅圖像的中間放上一張車的俯視圖，即可實(shí)現(xiàn)從車頂往下看的效果。如下圖。

相比于其他傳感器，攝像頭最為接近人眼獲取周圍環(huán)境信息的工作模式，可以通過較小的數(shù)據(jù)量獲得最為全面的信息，同時因為現(xiàn)在的攝像頭技術(shù)比較成熟，成本可較低。但是，攝像頭識別也存在一定局限性，基于視覺的解決方案受光線、天氣影響大；同時，物體識別基于機(jī)器學(xué)習(xí)資料庫，需要的訓(xùn)練樣本大，訓(xùn)練周期長，也難以識別非標(biāo)準(zhǔn)障礙物；同時，由于廣角攝像頭的邊緣畸變，得到的距離準(zhǔn)確度較低。

攝像機(jī)的功能

攝像機(jī)在無人車上的應(yīng)用，主要有兩大類功能。分別是感知能力，其次是定位能力。

攝像機(jī)的感知能力表現(xiàn)在可以識別車道線（lane）、障礙物（Obstacle）、交通標(biāo)志牌和地面標(biāo)志（Traffic Sign and Road Sign）、交通標(biāo)志牌和地面標(biāo)志（TrafficSign and Road Sign）和交通信號燈（Traffic Light）

定位能力體現(xiàn)在獲取當(dāng)前無人車的位置。視覺SLAM技術(shù)根據(jù)提前建好的地圖和實(shí)時的感知結(jié)果做匹配，從而獲取當(dāng)前無人車的位置。視覺SLAM需要解決的最大問題在于地圖的容量過大，稍微大一點(diǎn)的區(qū)域，就對硬盤的容量要求很高。如何制作出足夠輕量化的地圖，成為SLAM技術(shù)商業(yè)化的關(guān)鍵。

攝像機(jī)是所有車載傳感器中，感知能力最強(qiáng)的。為此特斯拉采用了純視覺的感知方案，而沒有使用激光雷達(dá)，當(dāng)然激光雷達(dá)價格昂貴也是一個因素。

GPS／IMU

GPS是全球定位系統(tǒng)（GlobalPosition System）的簡稱，IMU（Inertial Measurement Unit）慣性測量單元。

GPS在復(fù)雜的動態(tài)環(huán)境中，尤其在大城市，其多路徑反射的問題很顯著，導(dǎo)致獲得的GPS定位信息很容易產(chǎn)生幾米的誤差。另外，由于GPS的更新頻率低（10Hz），在車輛快速行駛時很難給出精準(zhǔn)的實(shí)時定位。單純依賴GPS的導(dǎo)航很有可能導(dǎo)致交通事故。因此GPS通常輔助以慣性傳感器（IMU）用來增強(qiáng)定位的精度。

IMU是檢測加速度與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的高頻（1KHz）傳感器，但I(xiàn)MU自身也有偏差積累與噪音等問題影響結(jié)果。通過使用基于卡爾曼濾波的傳感器融合技術(shù)，我們可以融合GPS與IMU數(shù)據(jù)，結(jié)合GPS的定位精度高和誤差無積累的特點(diǎn)，與IMU的自主性和實(shí)時性的優(yōu)點(diǎn)。一方面可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航設(shè)備之間優(yōu)勢互補(bǔ)，增強(qiáng)系統(tǒng)適應(yīng)動態(tài)的能力，并使整個系統(tǒng)獲得優(yōu)于局部系統(tǒng)的精度；另一方面提高了空間和時間的覆蓋范圍，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的連續(xù)導(dǎo)航。因此，GPS／IMU組合的優(yōu)勢在于：

1．系統(tǒng)精度的提高。利用GPS的長期穩(wěn)定性彌補(bǔ)IMU誤差隨時間累積的缺點(diǎn)。GPS／IMU組合后的導(dǎo)航誤差實(shí)際上要比單獨(dú)的GPS或單獨(dú)的慣導(dǎo)系統(tǒng)可能達(dá)到的誤差都小。

2．系統(tǒng)抗干擾能力的增強(qiáng)。利用IMU的短期高精度彌補(bǔ)GPS系統(tǒng)易受干擾、信號易失鎖等缺點(diǎn)，同時借助IMU的姿態(tài)信息、角速度信息可進(jìn)一步提高GPS系統(tǒng)快速捕獲或重新鎖定衛(wèi)星信號的能力。

3．導(dǎo)航信息的補(bǔ)全。GPS／IMU組合系統(tǒng)與單GPS相比，除了可以提供載體運(yùn)動的三維位置和速度信息外，還可提供加速度、姿態(tài)和航向信息；GPS／IMU組合系統(tǒng)此外可提供100Hz甚至高于100Hz的數(shù)據(jù)更新率。

IMU慣性器件的標(biāo)定技術(shù)由于加速度計、陀螺儀等慣性器件本身存在缺陷，會產(chǎn)生一些器件誤差，如標(biāo)度因數(shù)誤差等。另外，在對IMU進(jìn)行集成的時候，各個器件之間的非正交安裝會引起交叉耦合誤差。以上這些誤差可以通過器件標(biāo)定來加以補(bǔ)償，以達(dá)到提高其精度的目的。

V2X通信傳感

V2X是V2V（Vehicle toVehicle，車車通信）、V2I（Vehicle to Instruction，車路通信）、V2P（Vehicle to Pedestrain）等的統(tǒng)稱。通過V2X可以獲得實(shí)時路況、道路信息、行人信息等一系列交通信息，從而帶來遠(yuǎn)距離環(huán)境信號。

V2X通信系統(tǒng)可以看做是一個超級傳感器，它提供了比其他傳感器都高得多的感知能力和可靠性，在自車感知技術(shù)尚不能達(dá)到高可靠性之前，用V2X可以決定性地其可靠性。V2X是無人駕駛的必要技術(shù)和智慧交通的重要一環(huán)。

簡單來說，V2X技術(shù)是利用無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)車與車之間、車與道路之間、車與行人之間的信息互通，也就是說，通過人、車、路之間的互相交流，駕駛員能夠更好地掌握車輛狀態(tài)和周圍情況，從而有效降低事故發(fā)生的風(fēng)險。V2X通信技術(shù)首次由福特公司于2014年6月發(fā)布，現(xiàn)場展示了福特的兩輛經(jīng)過特殊改造過的汽車，通過一臺連接了WiFi的無線廣播系統(tǒng)，演示了這項V2V通信技術(shù)是如何防止碰撞事故發(fā)生的。

詳細(xì)來說，V2X是一種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)（汽車、智能交通燈等）可以發(fā)射、捕捉并轉(zhuǎn)發(fā)信號。利用V2X車聯(lián)網(wǎng)，車輛可以獲取周圍環(huán)境的未知參數(shù)及附近車輛的運(yùn)行狀態(tài)，這些狀態(tài)包括速度、位置、駕駛方向、剎車等基本的安全信息。然后車載端主動安全算法將處理所獲取的信息，并按照優(yōu)先級對信息進(jìn)行分類，對可能發(fā)生的危險情景進(jìn)行預(yù)警，緊急情況下可以利用車輛執(zhí)行端對車輛進(jìn)行控制從而規(guī)避風(fēng)險。V2X技術(shù)開啟了對四周威脅的360度智能感知，這一技術(shù)能夠在各種危險的情況下提醒駕駛者，從而大大減少碰撞事故的發(fā)生并緩解交通擁堵。美國交通部根據(jù)最新的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如果能夠大面積地普及V2X技術(shù)，就能在75％的交通事故發(fā)生之前提醒駕駛員。

相比傳統(tǒng)雷達(dá)，V2X通信傳感系統(tǒng)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

1）覆蓋面廣

300－500米的通信范圍相比10幾米的雷達(dá)探測范圍要遠(yuǎn)得多，不僅是前方障礙物，身旁和身后的建筑物、車輛都會互相連接通信。

2）有效避免盲區(qū)

路邊聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)的物體都會有單獨(dú)的信號顯示，因此即便視野受阻，通過實(shí)時發(fā)送的信號可以顯示視野范圍內(nèi)看不到的物體狀態(tài)，因而降低忙去出現(xiàn)的概率，也就充分避免了因盲區(qū)而導(dǎo)致的潛在傷害。

3）對于隱私信息的安全保護(hù)性更好

由于這套系統(tǒng)將采用5．9Hz頻段進(jìn)行專項通信，相比傳統(tǒng)通信技術(shù)更能確保安全性和私密性，如果通信協(xié)議及頻道在各個國家都能規(guī)范化，這套系統(tǒng)將變得像SOS救援頻道一樣成為社會公用資源。

小結(jié)

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)不足是自動駕駛工程師們現(xiàn)在的主要工作之一。