如何采用測(cè)距傳感器實(shí)現(xiàn)車輛之間的相對(duì)定位

1 摘要

未來駕駛輔助系統(tǒng)將依賴于準(zhǔn)確、可靠和連續(xù)的其他道路交通參與者的位置信息，這些交通參與者包括：行人、自行車和其他車輛。通常解決這一問題的方案是采用車載的測(cè)距傳感器。雷達(dá)、激光雷達(dá)和基于視覺的系統(tǒng)能夠檢測(cè)到視線內(nèi)的物體。與這些非協(xié)作式傳感器相反的是，協(xié)作式傳感器遵循的策略是所有的道路參與者主動(dòng)地提供估計(jì)的相對(duì)位置信息?？梢允褂没谲囓囃ㄓ嵉膮f(xié)作式方法彌補(bǔ)車載測(cè)距傳感器檢測(cè)范圍、視角和設(shè)施堵塞的缺陷。協(xié)作式策略和非協(xié)作式策略的融合從定位的準(zhǔn)確性和魯棒性角度來考慮似乎都能夠得到最大的益處。本文給讀者提供一個(gè)關(guān)于不同車輛相對(duì)定位技術(shù)的綜合性概述。

2 引言

用于車輛相對(duì)定位的測(cè)距傳感器和技術(shù)可以概括為下圖，首先分為兩大類：非協(xié)作式定位和協(xié)作式定位。非協(xié)作式定位包括：雷達(dá)、激光掃描儀、視覺和TOF攝像機(jī)；協(xié)作式定位包括：基于轉(zhuǎn)發(fā)器的測(cè)距（根據(jù)射頻信號(hào)直接估算相對(duì)距離）和基于GNSS的相對(duì)定位（通過通訊的方式傳遞GNSS測(cè)得的位置相關(guān)信息，包括GNSS解算得到的位置和原始的GNSS信息，如偽距）。具體對(duì)各個(gè)定位技術(shù)的介紹請(qǐng)參見原文，限于篇幅，本譯文只進(jìn)行部分翻譯，著重于定位需求的分析以及對(duì)各個(gè)定位技術(shù)的評(píng)價(jià)。

3 需求分析

3.1 精度（Accuracy）

一般來講，測(cè)量系統(tǒng)的精度可以定義為測(cè)量值和真實(shí)值的接近程度。在定位系統(tǒng)中采用測(cè)量值和真值的差值來定量描述該接近程度。通常定位系統(tǒng)中的精度指的是三維的定位精度，然而在車輛應(yīng)用當(dāng)中由于車輛是在道路上行駛的，一般不太關(guān)注垂直的車輛位置，因此一般采用二維的位置精度。定位的精度一般定量的描述為均方根誤差（RMSE，Root Mean Squared Error）或者其它慣例比如95%置信區(qū)間。當(dāng)評(píng)價(jià)車輛相對(duì)定位系統(tǒng)的精度時(shí)，通常將沿軌跡方向和垂直軌跡方向的精度區(qū)分對(duì)待。尤其是對(duì)于車載測(cè)距傳感器，需要區(qū)別對(duì)待測(cè)距精度和測(cè)量角度的精度。

同測(cè)得的相對(duì)位置和相對(duì)速度信息一樣，當(dāng)前測(cè)量結(jié)果的不確定性信息對(duì)于駕駛輔助應(yīng)用也是有用的。根據(jù)目標(biāo)車輛檢測(cè)距離、視角、目標(biāo)物體的材質(zhì)以及環(huán)境條件的不同，傳感器的精度也會(huì)有所不同。理想的相對(duì)定位系統(tǒng)應(yīng)該能夠提供沿軌跡和垂直軌跡方向的高精度、無偏差的相對(duì)位置和速度信息，還包括當(dāng)前估計(jì)的不確定性。Shladover and Tan 指出1m的定位精度在碰撞預(yù)警可接受的邊緣，而50cm的精度會(huì)顯著的提升系統(tǒng)的性能。

3.2 可靠性（Reliability）

特別是對(duì)于安全關(guān)鍵應(yīng)用（safety-critical applications），系統(tǒng)的可靠性是非常重要的因素。一個(gè)系統(tǒng)可能精度很高，但是如果不夠可靠也不行。在系統(tǒng)工程中，可靠性也稱為完整性。完整性給出了“可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)提供信息的正確性進(jìn)行的信任度量”。完整性還包括在超過特定參數(shù)的誤差極限時(shí)提供警報(bào)的能力。完整性分析產(chǎn)生特定參數(shù)的置信區(qū)間，即所謂的保護(hù)級(jí)別，以及完整性風(fēng)險(xiǎn)，即測(cè)量不包含在保護(hù)級(jí)別內(nèi)的概率。雖然在民用航空中對(duì)所有相關(guān)的操作部件施加了嚴(yán)格的完整性要求，但在公路運(yùn)輸領(lǐng)域才剛剛開始特別考慮完整性。道路車輛功能安全標(biāo)準(zhǔn)（ISO 26262）定義了所謂的汽車安全完整性等級(jí)，以量化車輛內(nèi)部的每個(gè)功能，軟件和硬件組件相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)以及與安全關(guān)鍵應(yīng)用相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 可用性（Availability）

定位系統(tǒng)盡可能地可用是非常重要的，多種原因會(huì)導(dǎo)致可用性降低。基于GNSS的定位系統(tǒng)可能在衛(wèi)星視線完全阻塞的情況下不可用，例如在隧道中。不僅是GNSS，任何類型的基于無線電的定位系統(tǒng)都可以通過干擾信號(hào)而變得不可用?；谝曈X的測(cè)距系統(tǒng)可能不適用于霧、大雨或夜間等條件。

只有當(dāng)各車輛配備有所需的定位和通信設(shè)備時(shí)協(xié)作式方法才可用。在早期開發(fā)階段，較低的滲透率將產(chǎn)生事實(shí)上的低可用性。因此為了給安全系統(tǒng)提供連續(xù)的操作，對(duì)可用性的要求應(yīng)達(dá)到接近100％。

3.4 檢測(cè)范圍和視場(chǎng)（Detecting Range and Field of View）

激光掃描儀和視覺等測(cè)距系統(tǒng)具有視線特性，這意味著它們只能測(cè)量可以直接看到的相鄰障礙物的位置，并且很容易被其他車輛，建筑物或周圍的地形所阻擋。這些系統(tǒng)還受到它們有限的發(fā)射功率或傳感器靈敏度的限制。此外其視野也有限，由它們掃描環(huán)境的方位角和仰角的張角所定義，為了克服這種限制，需要在車輛周圍放置多個(gè)傳感器以獲得360度的環(huán)境視圖。而利用V2V通信和全向天線，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的全方位感知。

3.5 維度（Dimension）

空間中的位置是三維分量，因此它是一種相對(duì)的位置坐標(biāo)。許多相對(duì)定位系統(tǒng)單獨(dú)使用僅能夠測(cè)量一維或二維的相對(duì)位置?；贕NSS的協(xié)作式解決方案能夠在車輛之間提供完整的3D相對(duì)位置。

3.6 目標(biāo)分辨和識(shí)別（Target Resolution and Identification）

目標(biāo)的分辨指的是分辨不同對(duì)象的能力。量化目標(biāo)的數(shù)量并隨著時(shí)間的推移對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤對(duì)于駕駛輔助系統(tǒng)來說非常重要。臨近的目標(biāo)可能會(huì)被車載測(cè)距傳感器錯(cuò)誤地合并為一個(gè)單獨(dú)的對(duì)象。系統(tǒng)檢測(cè)和跟蹤目標(biāo)的最大數(shù)量會(huì)受到測(cè)距傳感器內(nèi)部處理能力以及車載處理能力的限制。根據(jù)道路環(huán)境的不同，為獲得與安全相關(guān)的應(yīng)用所需的對(duì)物體的辨識(shí)，將需要跟蹤多達(dá)100個(gè)目標(biāo)。另外，隨著時(shí)間的推移對(duì)目標(biāo)的明確識(shí)別是對(duì)于相對(duì)定位解決方案的進(jìn)一步要求，即在檢測(cè)和跟蹤中斷時(shí)為同一目標(biāo)提供相同的ID。

3.7 系統(tǒng)延遲（System Delay）

安全相關(guān)的駕駛輔助應(yīng)用，通常具有需要快速響應(yīng)和高動(dòng)態(tài)的特性。警報(bào)系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出警報(bào)并且控制系統(tǒng)能夠平穩(wěn)地響應(yīng)相對(duì)位置的變化是十分重要的。為此，來自相對(duì)位置設(shè)備的信息必須在短時(shí)間內(nèi)處理并以足夠高的速率輸出。在隊(duì)列行駛中，追求快速可靠地控制車輛的速度和轉(zhuǎn)向。雖然今天的ACC應(yīng)用需要10 Hz到20 Hz的更新速率，但未來的碰撞檢測(cè)和預(yù)碰撞應(yīng)用需要高達(dá)50 Hz的更新速率。

測(cè)量的輸出頻率是一個(gè)重要因素。測(cè)量的延遲（即從物理事件發(fā)生直到輸出到應(yīng)用程序所經(jīng)過的時(shí)間）也是很重要的，因?yàn)樗鼘?dǎo)致前向碰撞預(yù)警（FCA）障礙物檢測(cè)的延遲或者在隊(duì)列應(yīng)用中控制的不穩(wěn)定。例如，雷達(dá)傳感器和激光掃描儀對(duì)速度變化不敏感，它們只能通過對(duì)連續(xù)測(cè)量量的觀測(cè)來估計(jì)加速度，并因此受到延遲增加的影響。直接傳輸車輛傳感器信息的協(xié)作式解決方案將克服該限制。然而，V2V通信將引入傳播和通信系統(tǒng)的延遲。

3.8 非技術(shù)方面的要求（Non-Technical Requirements）

在評(píng)估某個(gè)相對(duì)定位系統(tǒng)的適用性時(shí)，還應(yīng)考慮其他非技術(shù)要求或限制。比如在商用客貨運(yùn)車輛中，價(jià)格起著重要作用。某種相對(duì)定位解決方案的成本不僅是在汽車中裝載該設(shè)備的直接價(jià)格，還需要考慮二次成本，包括安裝和維護(hù)成本，處理能力，重量和功耗，以及所產(chǎn)生的噪音和熱量。在使用基于基礎(chǔ)設(shè)施通信（例如蜂窩通信）的協(xié)作式解決方案中，可以預(yù)期運(yùn)行成本會(huì)以月費(fèi)或年費(fèi)的形式以維持基礎(chǔ)設(shè)施和使用許可頻帶。

4 結(jié)論

本文對(duì)不同協(xié)作式和非協(xié)作式的測(cè)量相對(duì)位置的傳感器和用于當(dāng)前駕駛輔助系統(tǒng)以及未來自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的技術(shù)做了總結(jié)，并列于下表中。上文所述的需求分析也在增加在了表中來定量的衡量以上的各種技術(shù)，通過采用5個(gè)符號(hào)（++，+，o，-，--）來表明傳感器在某一方面的性能的優(yōu)劣（++最好，--最弱，o表示性能中等）。

在線的測(cè)距傳感器比如雷達(dá)傳感器和激光掃描儀能夠提供較高的距離精度，但雷達(dá)傳感器側(cè)向的分辨率較低，激光掃描儀能夠提供較高精度的側(cè)向距離。兩者均能夠?yàn)榘踩嚓P(guān)應(yīng)用提供可接受的更新頻率（》10Hz），但是只有雷達(dá)能夠直接提供相對(duì)速度信息?；谝曈X的系統(tǒng)只能估計(jì)近距離車輛的距離，并且必須使用有關(guān)物體和背景的附加信息來估計(jì)距離更遠(yuǎn)車輛的距離信息。只能通過比較連續(xù)圖像的信息來獲得相對(duì)速度。激光掃描儀和攝像頭系統(tǒng)由于依賴可見光導(dǎo)致可用性較低，并因此對(duì)不理想的照明和氣候條件敏感。最終由激光掃描儀或攝像機(jī)支持的雷達(dá)傳感器是用于安全關(guān)鍵的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)相對(duì)定位非常適合的方法。

基于雷達(dá)和視覺的解決方案在縱向和橫向性能方面能夠相互補(bǔ)充。雷達(dá)傳感器的帶寬增加將使得回波信號(hào)中能包含更多的細(xì)節(jié)信息。雷達(dá)傳感器的研究方向?yàn)楦鼜?qiáng)大、更精確的檢測(cè)和跟蹤算法。此外，用于基于視覺的車輛跟蹤系統(tǒng)的圖像處理算法將繼續(xù)發(fā)展以降低錯(cuò)誤檢測(cè)率和道路物體的錯(cuò)誤分類。

關(guān)于成本，雷達(dá)傳感器在過去十年中價(jià)格下跌，預(yù)計(jì)基于視覺的系統(tǒng)也會(huì)發(fā)生同樣的情況，因?yàn)橄鄼C(jī)技術(shù)已經(jīng)在消費(fèi)市場(chǎng)中占據(jù)了一席之地，并且該技術(shù)已經(jīng)成熟，可以引入汽車領(lǐng)域。而激光掃描儀由于其機(jī)械部件的存在，可能需要更多的時(shí)間才能夠具有足夠的吸引力以便找到市場(chǎng)。

所有非協(xié)作式方法都具有視線特征，并且容易被障礙物阻擋，例如其他車輛或者在彎曲的鄉(xiāng)村道路以及城市環(huán)境中具有有限的范圍。此外，使用RSS（Received Signal Strength，信號(hào)接收強(qiáng)度），RTD（Round-Trip Delay，往返延遲）和TOA（Time-Of-Arrival，到達(dá)時(shí)間）測(cè)量的基于協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)器的方法在非視距條件下表現(xiàn)出太大的誤差。這被認(rèn)為是其應(yīng)用于車輛安全應(yīng)用的重要缺點(diǎn)，因?yàn)槠湫枰皶r(shí)地對(duì)車輛前方的動(dòng)態(tài)事件作出反應(yīng)。而基于V2V通信的協(xié)作式方法可以應(yīng)對(duì)達(dá)到幾百米的視線遮擋，通過車輛之間的定位信息交換來實(shí)現(xiàn)相對(duì)定位。在這里，不同的解決方案相互競(jìng)爭(zhēng)，以滿足高級(jí)駕駛輔助應(yīng)用的要求。獨(dú)立GNSS解決方案不滿足相對(duì)位置和相對(duì)速度的準(zhǔn)確性和可用性要求。GNSS與車載運(yùn)動(dòng)傳感器和慣性傳感器的融合用于絕對(duì)位置確定，提高了可用性和準(zhǔn)確性。使用GNSS載波相位解決方案可以實(shí)現(xiàn)厘米精確的相對(duì)位置，但是具有對(duì)衛(wèi)星視線阻塞的高靈敏度的缺點(diǎn)，導(dǎo)致有限的可用性并且僅保留用于開放天空?qǐng)鼍啊?/p>

盡管如此，基于GNSS的解決方案在城市峽谷或隧道等具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中的有限可用性和低精度仍然是未來基于V2V通信的合作方法需要解決的主要問題。高精度地圖將成為未來自動(dòng)駕駛汽車獲得準(zhǔn)確絕對(duì)位置坐標(biāo)定位的關(guān)鍵。通過使用車載感知傳感器，自動(dòng)駕駛車輛將能夠識(shí)別周圍的特征，并且可以得到自己的位置信息或與其他車輛共享這些信息，以便獲得自己與其他車輛的相對(duì)位置關(guān)系。

協(xié)作式和非協(xié)作式的融合是最有希望的相對(duì)位置估計(jì)方法。建議將具有高精度和對(duì)于照明與氣候條件具有良好魯棒性的雷達(dá)傳感器與具有擴(kuò)展全方位范圍和識(shí)別能力的V2V通信相結(jié)合。基于視覺的系統(tǒng)和雷達(dá)傳感器將來可以將最低級(jí)別的協(xié)作式技術(shù)提供的周圍道路使用者的信息納入其中用以改善車輛檢測(cè)和不同目標(biāo)的分辨率。對(duì)于協(xié)作式方法，若將GNSS的偽距和載波相位測(cè)量值進(jìn)行交換，并與運(yùn)動(dòng)傳感器和慣性傳感器信息結(jié)合將能夠提供最高的準(zhǔn)確性、可用性和魯棒性。
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