傳感器的融合成了無(wú)人駕駛領(lǐng)域的趨勢(shì)

隨著科技的發(fā)展,時(shí)代的進(jìn)步,無(wú)人駕駛技術(shù)逐漸興起，傳感器的融合成了無(wú)人駕駛領(lǐng)域的趨勢(shì)。同時(shí)無(wú)人駕駛的發(fā)展熱潮，拉動(dòng)了諸多技術(shù)創(chuàng)業(yè)者的紛紛涉足。近段時(shí)間以來(lái)，國(guó)內(nèi)車(chē)企關(guān)于無(wú)人駕駛汽車(chē)的研發(fā)和測(cè)試捷報(bào)頻傳。先是吉利汽車(chē)宣布將在2022年亞運(yùn)舉辦期間，在特定區(qū)域內(nèi)使用完全無(wú)人駕駛的車(chē)輛。隨后再有報(bào)道稱，百度宣稱其新一代無(wú)人巴士車(chē)阿波龍二代將很快推出。而就在不久前，百度與中國(guó)一汽紅旗共同打造的國(guó)內(nèi)首批量產(chǎn)自動(dòng)駕駛出租車(chē)在湖南長(zhǎng)沙展開(kāi)了上路測(cè)試。有消息稱，長(zhǎng)沙市民有望在年底之前率先體驗(yàn)到中國(guó)首批自動(dòng)駕駛出租車(chē)。無(wú)疑無(wú)人駕駛技術(shù)是一種解放人類雙手和提高生產(chǎn)力效率的科技創(chuàng)新。

本文工釆網(wǎng)小編將著重介紹激光雷達(dá)傳感器在無(wú)人駕駛中的作用及市場(chǎng)趨勢(shì)。

無(wú)人駕駛的底層支撐可以分為三部分，即：傳感器、高精地圖和計(jì)算平臺(tái)。在傳感器方面，主流的傳感器分為：毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)和攝像頭。其作用如下：

攝像頭：直接識(shí)別可見(jiàn)光，價(jià)格適中，技術(shù)成熟，可以識(shí)別行人、車(chē)輛、路標(biāo)等物體，但易受視野、夜晚暗光、雨雪天氣等因素影響。

激光雷達(dá)：探測(cè)角度廣，精度高，厘米級(jí)精度的激光雷達(dá)結(jié)合高精地圖可以實(shí)現(xiàn)高精度自定位和物體識(shí)別跟蹤，定位可以精確到具體車(chē)道，但是價(jià)格昂貴，使用壽命較短。

毫米波雷達(dá)：測(cè)距離遠(yuǎn)，可以在雨雪天氣等各種惡劣環(huán)境中穩(wěn)定工作，但是精度不高。

無(wú)人駕駛用于控制的傳感器要么是攝像頭，要么是激光雷達(dá)，這是業(yè)界已經(jīng)達(dá)成的共識(shí)。那何謂激光雷達(dá)？在無(wú)人機(jī)駕駛中的作用是什么？

激光雷達(dá)的工作原理是利用可見(jiàn)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(lái)探測(cè)物體。激光雷達(dá)可以探測(cè)白天或黑夜下的特定物體與車(chē)之間的距離。由于反射度的不同，也可以區(qū)分開(kāi)車(chē)道線和路面，但是無(wú)法探測(cè)被遮擋的物體、光束無(wú)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(wú)人駕駛運(yùn)用中擁有兩個(gè)核心作用。3D建模進(jìn)行環(huán)境感知。通過(guò)雷射掃描可以得到汽車(chē)周?chē)h(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(cè)出周?chē)能?chē)輛和行人。

激光雷達(dá)在無(wú)人駕駛中的具體應(yīng)用

1.定位

定位在無(wú)人駕駛中十分鐘重要，只有有了實(shí)時(shí)的位置信息，系統(tǒng)才能做出下一步判讀，決定向何處進(jìn)發(fā)，以及如何前往。現(xiàn)在定位的方式有許多種。如載波相位差分技術(shù)（RTK），但 RTK 還是會(huì)受信號(hào)的干擾。特別是在一些城市、建筑和樹(shù)比較多的地方，以及進(jìn)隧道、出隧道，它的信號(hào)容易中斷。同時(shí)，也有用攝像頭等傳感器感知外部環(huán)境、構(gòu)建環(huán)境模型并利用該模型確定車(chē)輛所在的位置的方式，但其對(duì)環(huán)境的依賴比較強(qiáng)，比如逆光或雨雪天氣下，這種定位容易失效。而激光雷達(dá)是依靠將車(chē)輛的初始位置與高精地圖信息進(jìn)行比對(duì)來(lái)獲得精確位置。首先，GPS、IMU和輪速等傳感器給出一個(gè)初始（大概）的位置。其次，將激光雷達(dá)的局部點(diǎn)云信息進(jìn)行特征提取，并結(jié)合初始位置獲得全局坐標(biāo)系下的矢量特征。最后，將上一步的矢量特征跟高精地圖的特征信息進(jìn)行匹配，得出精確的全球定位。所以，在定位方面，無(wú)論是從精度上還是穩(wěn)定性上來(lái)說(shuō)，運(yùn)用激光雷達(dá)都有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。而其唯一的缺點(diǎn)便在于目前激光雷達(dá)的生產(chǎn)成本較高，另一方面往固態(tài)方向上進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，朝著固態(tài)的低成本和可量產(chǎn)化的方向去發(fā)展，許多國(guó)內(nèi)外廠家都在加速創(chuàng)新，在不久的將來(lái)成本將不會(huì)成為一個(gè)十分棘手的問(wèn)題。

2.障礙物的檢測(cè)和分類

對(duì)于障礙物檢測(cè)和分類來(lái)講，目前有應(yīng)用視覺(jué)和激光雷達(dá)，這兩者并沒(méi)有沖突。激光雷達(dá)不依賴光照，它的視角是 360度，計(jì)算量比較小，可以實(shí)時(shí)掃描，目前普遍用的是 100毫秒以內(nèi)的。激光雷達(dá)在掃描的過(guò)程中，先識(shí)別障礙物，知道這個(gè)障礙物在空間中的位置，再根據(jù)存在的障礙物做分類。比如車(chē)、人，我們將這些障礙物分割成為獨(dú)立的個(gè)體，通過(guò)分割出來(lái)獨(dú)立的個(gè)體再去匹配，從而進(jìn)行障礙物的分類和物體的跟蹤。而跟蹤的過(guò)程，首先是分割點(diǎn)云，通過(guò)點(diǎn)云做關(guān)聯(lián)目標(biāo)，我們知道上一楨和下一楨是否屬于同一個(gè)物體，再進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，輸出目標(biāo)跟蹤信息。

3.用于先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）

先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driver Assistance System），簡(jiǎn)稱ADAS，是利用安裝于車(chē)上的各式各樣的傳感器， 在第一時(shí)間收集車(chē)內(nèi)外的環(huán)境數(shù)據(jù)， 進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)物體的辨識(shí)、偵測(cè)與追蹤等技術(shù)上的處理， 從而能夠讓駕駛者在最快的時(shí)間察覺(jué)可能發(fā)生的危險(xiǎn)， 以引起注意和提高安全性的主動(dòng)安全技術(shù)。如果激光雷達(dá)能有效控制成本，ADAS等級(jí)數(shù)較低的駕駛輔助功能也需要用激光雷達(dá)。其原因在于，基于攝像頭的ADAS和無(wú)人駕駛系統(tǒng)，或者單獨(dú)使用毫米波的局限性很大。首先是視場(chǎng)角的問(wèn)題，為了保證足夠的探測(cè)距離，視場(chǎng)角的角度不可太大，而這就導(dǎo)致車(chē)輛有非常大的橫向盲區(qū)。對(duì)此現(xiàn)象，有些公司設(shè)計(jì)了多攝像頭來(lái)解決此類問(wèn)題，但效果并不理想，同樣的多目攝像頭會(huì)有重疊區(qū)域，還會(huì)增加處理數(shù)據(jù)的難度。其次是低速問(wèn)題，事實(shí)證明，在低速情況下，攝像頭的表現(xiàn)不盡人意，甚至對(duì)一下移動(dòng)緩慢或靜止的目標(biāo)都很難識(shí)別。所以激光雷達(dá)在ADAS方面有著很大的潛力。

激光雷達(dá)的行業(yè)趨勢(shì)

市場(chǎng)需求：L3級(jí)以上無(wú)人駕駛的必備傳感器

激光雷達(dá)是高精度的傳感器，但是有與過(guò)于昂貴，無(wú)人駕駛業(yè)界對(duì)激光雷達(dá)的存廢之爭(zhēng)一直沒(méi)有停止過(guò)。非激光雷達(dá)陣營(yíng)主要是以特斯拉為代表的的傳統(tǒng)車(chē)企，他們傾向于漸進(jìn)式路線，從ADAS輔助駕駛逐漸升級(jí)過(guò)度到自動(dòng)駕駛，以端到端的深度學(xué)習(xí)砍掉傳統(tǒng)的激光雷=雷達(dá)，激光雷大陣營(yíng)主要是以谷歌為代表的科技公司，他們傾向于一步到位路線，以激光雷達(dá)為主傳感器，等技術(shù)方案成熟成本下降后，再大規(guī)模商用。

未來(lái)發(fā)展方向：固態(tài)激光雷達(dá)

Velodyne是激光雷達(dá)的鼻祖，先后推出了64線、32線機(jī)械式激光雷達(dá)和16線混合固態(tài)激光雷達(dá)。“混合固”為Velodyne首創(chuàng)概念，是指外形上不存在可見(jiàn)的旋轉(zhuǎn)部件，但為了360全視角其內(nèi)部實(shí)際上仍然存在一些機(jī)械式旋轉(zhuǎn)部件，只是做的非常小巧可以內(nèi)藏而已。下面工釆網(wǎng)小編簡(jiǎn)單介紹一下固態(tài)激光雷達(dá)探測(cè)原理：TOF飛行時(shí)間法原理如下圖：

激光雷達(dá)常用的探測(cè)原理是飛行時(shí)間法，就是通過(guò)給目標(biāo)連續(xù)發(fā)送光脈沖，然后用傳感器接收從物體返回的光，通過(guò)探測(cè)光脈沖的飛行往返時(shí)間來(lái)得到目標(biāo)物距離。

對(duì)于固態(tài)激光雷達(dá)產(chǎn)品的應(yīng)用工采網(wǎng)提供一款固態(tài)面陣激光雷達(dá)測(cè)距傳感器- CE30-A，CE30使用時(shí)間飛行法（TOF, Time of Flight）進(jìn)行測(cè)距，它會(huì)發(fā)射出經(jīng)過(guò)調(diào)制的近紅外光，光線遇物體后反射并再次被 CE30接收。CE30通過(guò)計(jì)算光線發(fā)射和接收的相位差與時(shí)間差，來(lái)?yè)Q算被拍攝景物的距離。

固態(tài)面陣激光雷達(dá)測(cè)距傳感器 CE30-A 參數(shù)：