姿勢(shì)貼 | 這些自動(dòng)駕駛傳感器，你真正了解的有多少？（上篇）

車云按：特斯拉在五月份發(fā)生的自動(dòng)駕駛事故，和最近在Defcon上演示的如何干擾傳感器，都充分說(shuō)明了傳感器在自動(dòng)駕駛中的重要性：環(huán)境感知是自動(dòng)駕駛實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，如果不能正確地感知周圍環(huán)境，那么接下來(lái)的認(rèn)知、決策與控制，都是空中樓臺(tái)。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/201612/332463.htm

從傳感器技術(shù)發(fā)展本身來(lái)說(shuō)，要在接下來(lái)十年里保證自動(dòng)駕駛車安全地上路，硬件性能與背后的軟件算法，以及不同傳感器之間的數(shù)據(jù)融合，都是需要提升的地方。

車輛上的各式各樣傳感器

傳感器在自動(dòng)駕駛的重要性無(wú)需贅言。

特斯拉的Autopilot系統(tǒng)通過(guò)攝像頭、毫米波雷達(dá)與超聲波雷達(dá)的融合數(shù)據(jù)來(lái)控制車輛在高速路車道行駛、變道以及根據(jù)交通情況調(diào)整車速。

谷歌的全自動(dòng)駕駛測(cè)試車用的是價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的遠(yuǎn)距傳感系統(tǒng)LiDAR（激光雷達(dá)）。

豐田透露過(guò)他們的高速道路自動(dòng)駕駛汽車上有12個(gè)傳感器：1個(gè)藏在內(nèi)后視鏡里的前攝像頭，5個(gè)測(cè)量周圍車輛速度的雷達(dá)，和6個(gè)探測(cè)周圍目標(biāo)位置的激光雷達(dá)5。

盡管也有一些企業(yè)另辟蹊徑，希望通過(guò)V2X技術(shù)來(lái)完成環(huán)境感知的工作，但是V2X嚴(yán)重依賴于基礎(chǔ)設(shè)施，而傳感器則不受這個(gè)限制。

激光雷達(dá)

LiDAR系統(tǒng)使用的是旋轉(zhuǎn)激光束。寶馬、谷歌、日產(chǎn)和蘋(píng)果的無(wú)人駕駛試驗(yàn)車用的就是這項(xiàng)技術(shù)。但要想在量產(chǎn)車上應(yīng)用，價(jià)格必須大幅下降。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，再過(guò)幾年這個(gè)目標(biāo)就能實(shí)現(xiàn)。

激光雷達(dá)工作原理（圖片來(lái)自Velodyne）

激光雷達(dá)的工作原理是通過(guò)發(fā)射和接收激光束來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在其內(nèi)部，每一組組件都包含一個(gè)發(fā)射單元與接收單元。上圖的Velodyne使用了旋轉(zhuǎn)鏡面的設(shè)計(jì)。

這套發(fā)射/接收組件和旋轉(zhuǎn)鏡面結(jié)合在一起，能掃描至少一個(gè)平面。鏡面不只反射二極管發(fā)出去的光，而且也能把反射回來(lái)的光再反射給接收器。通過(guò)旋轉(zhuǎn)鏡面，能夠?qū)崿F(xiàn) 90到180度的視角，并且大大降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造的復(fù)雜度，因?yàn)殓R面是這里面唯一的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

脈沖光以前被用于探測(cè)距離。探測(cè)距離的原理是基于光返回的時(shí)間，激光二極管發(fā)出脈沖光，脈沖光照射到目標(biāo)物后反射一部分光回來(lái)，在二極管附近安裝一個(gè)光子探測(cè)器，它可以探測(cè)出返回來(lái)的信號(hào)，通過(guò)計(jì)算發(fā)射和探測(cè)的時(shí)間差就可以計(jì)算出目標(biāo)物的距離。脈沖距離測(cè)量系統(tǒng)一旦被激活就能收集到大量的點(diǎn)云。

如果點(diǎn)云中有目標(biāo)物，目標(biāo)物就會(huì)在點(diǎn)云中呈現(xiàn)出一個(gè)陰影。通過(guò)這個(gè)陰影可以測(cè)量出目標(biāo)物的距離和大小。通過(guò)點(diǎn)云可以生成周圍環(huán)境的3D圖像。點(diǎn)云密度越高，圖像越清晰。

通過(guò)激光雷達(dá)來(lái)生成周圍環(huán)境的3D圖像有幾種不同的方式。

一種實(shí)現(xiàn)方法是讓發(fā)射/接收組件上下移動(dòng)同時(shí)讓鏡面旋轉(zhuǎn)，有時(shí)也叫這種方法為“眨眼點(diǎn)頭”。這種方法能生成高度方向上的點(diǎn)云，但是減少了方位數(shù)據(jù)點(diǎn)（azimuth data points），因此點(diǎn)云密度會(huì)降低，分辨率也不夠高。

另一種方法叫“光掃描激光雷達(dá)”（flash LiDAR）。這種方法是使用2D焦平面陣列（Focal Plane Array，F(xiàn)PA）捕捉像素距離信息，同時(shí)發(fā)出激光來(lái)照射大塊面積。這類傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，因此還沒(méi)有廣泛的商業(yè)應(yīng)用。但是它屬于固態(tài)傳感器，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，因此將來(lái)有可能替代現(xiàn)有的機(jī)械式傳感器。

目前雖然有不同的LiDAR結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生很多形式的3D點(diǎn)云系統(tǒng)，但是還沒(méi)有一種系統(tǒng)能達(dá)到自動(dòng)駕駛導(dǎo)航的應(yīng)用要求。比如說(shuō)，有很多系統(tǒng)能生成精致的圖像，但是產(chǎn)生一幅圖像需要花好幾分鐘。這種系統(tǒng)就不適合移動(dòng)傳感類的應(yīng)用。還有一些光掃描系統(tǒng)的刷新率很高，但視角和探測(cè)距離又太小。另外還有一些單光束(single beam)系統(tǒng)能提供有用的信息，但是如果目標(biāo)太小或者超出了視角就探測(cè)不到了。

要想讓LiDAR傳感器的使用最大化，必須要能夠看到周圍所有的地方，也就是所說(shuō)的需要實(shí)現(xiàn)360度視角；最終給用戶輸出的數(shù)據(jù)要有實(shí)時(shí)性，因此必須使數(shù)據(jù)收集和畫(huà)面生成之間的時(shí)間延遲最小化。駕駛員的反應(yīng)時(shí)間一般是十分之幾秒，如果我們要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛導(dǎo)航，那么導(dǎo)航電腦的刷新率至少要達(dá)到十分之一秒。視角也不能只看水平方向，還需要有高度方向的視角，否則車就會(huì)掉到路上的坑里。垂向視角應(yīng)該向下盡可能的靠近車輛，以便讓自動(dòng)駕駛適應(yīng)路面的顛簸和陡坡。

目前，業(yè)內(nèi)有數(shù)家生產(chǎn)制造激光雷達(dá)的企業(yè)，他們的產(chǎn)品也有著各自的特色。

Velodyne擁有高精度激光雷達(dá)技術(shù)（HDL），據(jù)稱其HDL傳感器能夠提供360度水平視角，26.5度的垂直視角， 15Hz的刷新率，并可以每秒生成一百萬(wàn)像素的點(diǎn)云。今年Velodyne推出了小型化的32線傳感器，可以實(shí)現(xiàn)200米的探測(cè)距離，垂直視角28°。

Velodyne固態(tài)32線Ultra Pack激光雷達(dá)

Leddar公司同樣也有具備360°探測(cè)能力的激光雷達(dá)產(chǎn)品。并且，因?yàn)橥瑫r(shí)提供ADAS解決方案，Leddar同樣也提供傳感器融合技術(shù)，把不同傳感器的數(shù)據(jù)組合在一起，從而形成車輛周邊環(huán)境的整體圖像。

• 固態(tài)LiDAR——替代攝像頭/雷達(dá)或者作為它們的補(bǔ)充，可集成到ADAS以及無(wú)人駕駛功能中；

• 為高級(jí)別自動(dòng)駕駛提供高密度點(diǎn)云的LiDAR；

• 可以支持光掃描或者光束測(cè)量的LiDAR （例如 MEMS鏡面）；

Ledaar的激光雷達(dá)探測(cè)距離可達(dá)250m，水平視角可達(dá)到140度，每秒可生成48萬(wàn)像素的點(diǎn)云，水平和垂直方向的分辨率可達(dá)0.25度。

視覺(jué)圖像傳感器

現(xiàn)在一個(gè)很廣泛的應(yīng)用是將2D激光雷達(dá)與視覺(jué)傳感器相結(jié)合，不過(guò)相比于激光雷達(dá)，視覺(jué)傳感器低成本的特性，也讓其成為了在自動(dòng)駕駛解決方案中不可或缺的存在。

通過(guò)視覺(jué)傳感器的圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行感知，對(duì)于自動(dòng)駕駛而言，除了知道在什么位置存在什么物體/行人之外，進(jìn)而像車輛發(fā)出減速剎車等指令來(lái)避免事故這一功能之外，是以圖像識(shí)別為基礎(chǔ)，能夠理解當(dāng)前的駕駛場(chǎng)景，并學(xué)會(huì)處理突發(fā)事件。

視覺(jué)傳感器工作流程

如果說(shuō)激光雷達(dá)的難度在于如何讓其性能能夠滿足自動(dòng)駕駛導(dǎo)航的需求，那么攝像頭的難度則在于從感知拔高到認(rèn)知的這一過(guò)程。

以人眼來(lái)進(jìn)行類比的話，人類駕駛員在看到行人或車輛之后，會(huì)基于看到的景象對(duì)行人或車輛的下一步行動(dòng)有個(gè)預(yù)判，并根據(jù)預(yù)判來(lái)控制車輛。自動(dòng)駕駛車同樣需要這個(gè)「預(yù)判」的過(guò)程，而攝像頭就起到觀察的作用。自動(dòng)駕駛汽車必須能夠?qū)噧?nèi)人員、車外行人、車附近人們的行為進(jìn)行觀察、理解、建模、分析和預(yù)測(cè)。

這個(gè)從觀察到預(yù)測(cè)的過(guò)程同樣適用于道路上的其他車輛，不過(guò)，如何獲取駕駛場(chǎng)景的整體含義，如何處理突發(fā)的場(chǎng)景和目標(biāo)，如何針對(duì)特定目標(biāo)（行人或車輛）準(zhǔn)確進(jìn)行短時(shí)或長(zhǎng)時(shí)的行為分析，以及如何對(duì)周邊的人或車輛進(jìn)行行為預(yù)測(cè)并決策，這些技術(shù)都有待于進(jìn)一步的深入研究。

車云小結(jié)

傳感器和算法的研究和相應(yīng)的工程技術(shù)正在快速發(fā)展，它們可以使自動(dòng)駕駛汽車預(yù)測(cè)人和車輛的不確定行為，并快速響應(yīng)以避免車輛、財(cái)產(chǎn)的損失，更重要的是能夠保護(hù)珍貴的生命。

當(dāng)然，自動(dòng)駕駛的傳感器并不只是激光雷達(dá)與攝像頭兩類，毫米波雷達(dá)與超聲波雷達(dá)，以及目前還并沒(méi)有為自動(dòng)駕駛所用的聲音傳感器，下篇文章將繼續(xù)介紹。