自动驾驶技术解读 | 自动驾驶汽车交通环境感知

文章来源:公安部交通管理科研所微发布 点击数:17 发布时间:2019-09-10
自动驾驶汽车是集感知、决策和控制等功能于一体的自主交通工具,其中,感知系统代替人类驾驶人的视、听、触等功能,融合摄像机、雷达等传感器采集的海量交通环境数据,精确识别各类交通元素,为自动驾驶汽车决策系统提供支撑。
自动驾驶技术解读 | 自动驾驶汽车交通环境感知

自动驾驶汽车是集感知、决策和控制等功能于一体的自主交通工具,其中,感知系统代替人类驾驶人的视、听、触等功能,融合摄像机、雷达等传感器采集的海量交通环境数据,精确识别各类交通元素,为自动驾驶汽车决策系统提供支撑。

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一.摄像机

自动驾驶汽车采用的视觉传感器主要是工业摄像机,具有较高的图像分辨率、传输能力和抗干扰能力,可分为单目、双目和三目摄像机等三类。

1、单目摄像机

单目摄像机是仅利用一套光学系统及固体成像器件连续输出图像的摄像机。结构和标定简单,可有效避免立体视觉中视场小、立体匹配困难等缺点,但在测量范围和测量距离方面有不可调和的矛盾,即摄像机视角越宽,精准探测距离越短;摄像机视角越窄,精准探测距离越长。

2、双目摄像机

双目摄像机建立在人类视觉研究基础上,不对外主动投射光源,仅依靠拍摄的2张图片获得场景深度信息实现三维场景重构。双目摄像机对硬件要求相对较低,但对环境亮度极其敏感且计算复杂度较高。

3、三目摄像机

三目摄像机通过不同焦距的摄像头实现不同范围场景全覆盖,即由宽视野摄像头完成近景感知任务、主视野摄像头完成中等距离场景感知任务、窄视野摄像头完成远景感知任务,既解决了单个摄像头无法频繁变焦的问题,同时也解决了不同距离下识别清晰度的问题。但由于多路图像数据处理比单路图像数据处理的难度更大,三目摄像机对芯片处理能力和硬件可靠性要求更高。

二.雷达

雷达能够主动探测周边环境,比视觉传感器受外界环境影响更小,是自动驾驶汽车的重要传感器之一。雷达通过向目标发射电磁波并接收回波,从而获取目标距离、方位、距离变化率等数据。根据电磁波波段,雷达可细分为激光雷达、毫米波雷达和超声波雷达等3类。

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1、激光雷达

激光雷达由激光探测、激光测距两部分组成,通过实时接收反馈保持对外界的敏锐感知力,具有分辨率高、抗有源干扰能力强、定向性好、测量距离远、测量时间短等优点。激光雷达可分为单线激光雷达和多线激光雷达。单线激光雷达通过单条扫描线旋转扫描,从而获取物体二维信息;多线激光雷达通过多条扫描线旋转扫描,从而获取物体三维空间的深度信息,能够测量物体基本特征和局部细节,测量精度高、可靠性强。

2、毫米波雷达

毫米波雷达指工作在30~300GHz频域的雷达,具有体积小、质量轻和空间分辨率高等优点,具有全天候、全天时等优秀特性,能够同时识别多个小目标,可以穿透雾、烟、灰尘等环境,精准测量目标的相对距离和相对速度,被广泛应用于自动驾驶汽车车间距离探测,但易受干扰。

3、超声波雷达

超声波雷达工作频率在20KHz以上,多用于精准测距,基本原理是通过测量超声波发射脉冲和接收脉冲的时间差,结合空气中超声波传输速度计算相对距离。常见的超声波雷达:安装于汽车前后保险杠上,用于测量汽车前后障碍物;安装于汽车侧面,用于测量侧方障碍物距离。

三.高精度定位

由于自动驾驶汽车无法像人类驾驶人一样能够准确感知障碍物、可行驶区域和交通标志标线等交通环境信息,因此需要全球卫星导航系统、惯性导航系统、高精地图等将自动驾驶汽车与周边交通环境有机结合,实现超视距感知,降低车载感知传感器计算压力。

1、全球卫星导航系统

车辆位置信息是自动驾驶汽车正常工作的前提条件,是自动驾驶系统保证安全行驶的参考基准。目前,车辆定位较多使用GPS、北斗、GLONASS和GALILEO等四大全球卫星导航系统。全球卫星导航系统能够给出较精确的定位信息,但当数据更新频率低、载体高速运动或受遮挡时,易丢失定位信号,导致误差增大甚至无法定位。

2、惯性导航系统

惯性导航系统是一种不易受到外部环境干扰的自主式导航系统,通过测量自动驾驶汽车的加速度和角速率,经分析处理即可获得自动驾驶汽车的速度、位置、姿态和航向等信息。惯性导航系统可以在卫星导航系统信号中断时提供连续定位输出,但具有误差累积效应,定位精度会随定位过程的进行而不断降低。

3、高精地图

通过融合激光雷达、惯性导航系统、车轮测距器等传感数据而形成的高精地图能够为自动驾驶汽车提供车道级导航服务,提供包括交通标志标线、防护设施、道路曲率、航向、坡度和横坡角等信息。结合自动驾驶汽车自身传感数据,可以有效实现宏观道路匹配、微观精确定位和全局环境感知,为自动驾驶汽车安全运行提供超视距辅助。

四.车联网

车联网通过车内、车与人、车与车、车与路、车与服务平台的全方位网络连接,从而提升车辆智能化水平和自动驾驶能力,构建汽车和交通服务新业态,为用户提供智能、安全、高效的综合服务。目前,车联网有两种技术解决方案,包括IEEE主导的DSRC技术解决方案和3GPP主导的LTE-V技术解决方案。

1、DSRC技术

DSRC(DedicatedShort Range Communications,专用短程通信技术)是高效的无线通信技术,由车载单元(OBU,On Board Unit)、路侧单元(RSU,Road Side Unit)和控制中心等组成,可以实现对特定范围内高速移动车辆的识别和实时数据传输。DSRC优势在于技术成熟,能够保证低延时和安全可靠性,能够满足自动驾驶汽车对网联通信系统稳定性和实时性的要求,但也存在覆盖范围小、传输速率低、易受建筑物遮挡、处理数据较慢、建设成本较高等不足。

2、LTE-V技术

LTE-V基于现有蜂窝移动通信支持(3G/4G),按照通信方式分为集中式(LTE-V-Cell)和分布式(LTE-V-Direct)两种。LTE-V-Cell以基站为分布中心,需要现有蜂窝网络支持,具有带宽大、覆盖广等通信特点,能够实现远距离通信;LTE-V-Direct独立于蜂窝网络,支持车辆与周边环境节点(含其它车辆)直接通信,具有低时延、高可靠的优势。

LTE-V起步较晚,目前仍处于研发测试阶段,但已形成可运营的完整网络体系,能够在高频段(5.9GHz)、高车速(250km/h)、大车流量等环境下提供可靠的通信能力,且在大容量、低时延、抗干扰和可管理等方面更为成熟。部署成本较低,可重复利用既有蜂窝网络的基础设施;覆盖范围广,可扩展至数百米以上的非视距范围。