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安防展覽網(wǎng) 視點(diǎn)跟蹤】自動(dòng)駕駛汽車(chē)通過(guò)
傳感器取得外部環(huán)境信息。在自動(dòng)駕駛的江湖里，各類(lèi)傳感器應(yīng)運(yùn)而生。
ITS
智能交通了解到四類(lèi)傳感器分別是
攝像頭、LiDAR、毫米波雷達(dá)、超聲波。作為自動(dòng)駕駛不可或缺的傳感器，始終在其中扮演著重要的角色。
以2020年前后為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，世界各國(guó)的汽車(chē)制造商正在為實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的自動(dòng)駕駛而展開(kāi)研發(fā)竟?fàn)?。自?dòng)駕駛汽車(chē)?yán)脭z像頭以及毫米波雷達(dá)、LiDAR(激光雷達(dá)，英文全稱(chēng)為 Laser Imaging Detection and Ranging)、超聲波雷達(dá)等多種傳感器采集信息，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛周?chē)鸂顩r的感知。
通過(guò)感知與“事故”相關(guān)聯(lián)的風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算機(jī)計(jì)算出規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的路徑，在人不介入的情況下，將該計(jì)算結(jié)果直接通過(guò)車(chē)CAN(Controller Area Network)網(wǎng)絡(luò)通信等傳遞給控制系統(tǒng)，以控制車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)。
攝像頭
可見(jiàn)光、近外線(xiàn)、運(yùn)用紅外線(xiàn)的應(yīng)用，由于單目像頭難以對(duì)物體距離進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)多臺(tái)攝像頭利用三角測(cè)原理實(shí)觀距離測(cè)量的立體視覺(jué)方法得到廣泛應(yīng)用。有如 OpenCV等可供使用的計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)，今后OpenVN等硬件加速器也可獲得有效使用，由于遠(yuǎn)紅外線(xiàn)可感知溫度分布，可用于夜間行人探測(cè)等領(lǐng)域。
今后攝像頭可感知光線(xiàn)的波長(zhǎng)范圍將擴(kuò)大可見(jiàn)光逐步材大至還紅外線(xiàn)、遠(yuǎn)紅外線(xiàn)，將現(xiàn)對(duì)人隨著感知圍從可眼所不可見(jiàn)物體的感知。同時(shí)，HDR(高動(dòng)態(tài)范圍成像)技術(shù)也將得到應(yīng)用。通過(guò)拍攝曝光度不同的一組照片，可以以此合成近似于人眼所見(jiàn)的圖像。該技術(shù)在智能手機(jī)上已得到普及，將來(lái)也將被運(yùn)用于汽車(chē)領(lǐng)域。
如果使用多目立體攝像頭，可在一定程度上實(shí)現(xiàn)深度、距離的感知。富士重工的“ Eyesight"等設(shè)備通過(guò)使用雙目攝像頭，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物體在三維層面的認(rèn)知。此外，一些公司也開(kāi)發(fā)了通過(guò)使用攝像頭陣列，在一定程度上實(shí)現(xiàn)立體視覺(jué)的系統(tǒng)。該理念認(rèn)為將多個(gè)攝像頭并列，將實(shí)現(xiàn)更高的感知精度。
通過(guò)攝像頭拍攝車(chē)內(nèi)的情況也是有必要的。例如，車(chē)內(nèi)攝像頭可以感知駕駛員在駕駛車(chē)輛時(shí)的視線(xiàn)位置。瑞典Tobi公司正在對(duì)此展開(kāi)研發(fā)，并計(jì)劃實(shí)現(xiàn)車(chē)用。該技術(shù)通過(guò)面部識(shí)別，并在此基礎(chǔ)上監(jiān)控眼球運(yùn)動(dòng)，對(duì)眼球注視方向進(jìn)行計(jì)算測(cè)量。當(dāng)前，該技術(shù)已作為個(gè)人計(jì)算機(jī)的輸入終端獲得了應(yīng)用。將視線(xiàn)位置作為光標(biāo)所處位置，通過(guò)按壓鼠標(biāo)按鈕，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊操作。
此前該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要佩戴特制眼鏡，并使用其內(nèi)藏傳感器，通過(guò)判斷眼球黑白結(jié)合部的反射光差異實(shí)現(xiàn)對(duì)眼球運(yùn)動(dòng)的感知。目前已實(shí)現(xiàn)通過(guò)安裝在一定距離之外(例如安裝于顯示器)的攝像頭，在面部識(shí)別的基礎(chǔ)上對(duì)視線(xiàn)進(jìn)行認(rèn)知。
該技術(shù)在今后可被用于對(duì)疲勞駕駛等現(xiàn)象的識(shí)別。通過(guò)該技術(shù)，當(dāng) Level3的自動(dòng)駕駛汽車(chē)欲將控制權(quán)交還駕駛員時(shí)，需事先提前多久給出通知，以便駕駛員有充裕的準(zhǔn)備時(shí)間接管車(chē)輛，通過(guò)該技術(shù)也將可能得到判明。目前Tobii公司及英特爾公司正在出資開(kāi)發(fā)該技術(shù)。
毫米波雷達(dá)
當(dāng)前使用的毫米波雷達(dá)有24GHz、60GHz、76GHz等多種規(guī)格。與使用可見(jiàn)光、紅外線(xiàn)、激光等光源的傳感器相比，米波達(dá)波長(zhǎng)要長(zhǎng)，可穿透雨、雪、霧，不容易受壞天氣的影響。傳感器有堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，防污性能強(qiáng)。不僅可測(cè)距，還可以利用多普勒效應(yīng)測(cè)量相對(duì)速度。
由于空間解析能力低，在自動(dòng)駕駛中常作為輔助傳感器用于相對(duì)速度測(cè)量等功能。
76GHz頻段為當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)(日本國(guó)內(nèi)限定為60GHz)，24GHz頻段預(yù)計(jì)將來(lái)將逐漸作廢。歐洲將于2013年作廢(24.25～26.65GHz為2018年)，此后將轉(zhuǎn)至采用79GHz頻段。當(dāng)前正在對(duì)79GHz頻段在上的頻率分配展開(kāi)討論，與60GHz/76GHz頻段相比，可獲得使用的頻率范更廣，79GHz在距離、速度、角度探測(cè)精度上的優(yōu)勢(shì)已得到了確認(rèn)。76GHz用于前方遠(yuǎn)距離探測(cè)，79GHz用于車(chē)輛周邊環(huán)境高分辨率監(jiān)測(cè)，兩者共存。
由于頻率不同的毫米波雷達(dá)各有其特性，并且在其他用途上使用的相同頻率雷達(dá)可能彼此間將發(fā)生干涉，因此需要探討如何對(duì)超聲波雷達(dá)的使用場(chǎng)合進(jìn)行限制。例如，76GH2雷達(dá)在普通道路上可能會(huì)對(duì)其他服務(wù)造成干涉，因此只能運(yùn)用于高速公路上使用。
對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車(chē)而言，雷達(dá)在高速公路及普通道路上都得使照因此必須選定任何場(chǎng)所均能使用的、不運(yùn)用于其他服務(wù)的專(zhuān)用頻率帶，并根據(jù)近距離(40m以?xún)?nèi))識(shí)別、遠(yuǎn)距離(100~200m)識(shí)別、視野角測(cè)量等不同用途進(jìn)行區(qū)分使用。
此外，如果不對(duì)各頻段用途進(jìn)行統(tǒng)一定義，則可能出現(xiàn)自動(dòng)駕駛用雷達(dá)頻段在不同國(guó)家各不相同的情況。
IiDAR
LiDAR使用發(fā)射器發(fā)射激光束，并通過(guò)接收器對(duì)遇障礙物后返回的激光束進(jìn)行探測(cè)。LiDAR: Laser Imaging Detection and Ranging(激光成像探測(cè)與測(cè)量)或Lght Detection and Raging(光線(xiàn)探測(cè)與測(cè)量)。
通過(guò)發(fā)射激光脈沖，計(jì)算散射光從發(fā)射到遇障礙物返回的時(shí)間間隔( Time of Flight，下行時(shí)間)，可對(duì)三維空間內(nèi)的物體形狀及距離進(jìn)行有效感知，可在較長(zhǎng)距離內(nèi)(當(dāng)前車(chē)用長(zhǎng)距離為120m)實(shí)現(xiàn)感知。使用對(duì)人體無(wú)影響的Cass1激光，晝夜均可使用。與在機(jī)器人上的應(yīng)用相比，需要考慮遠(yuǎn)距離測(cè)量及存在多個(gè)被測(cè)對(duì)象等問(wèn)題。
通過(guò)測(cè)量光線(xiàn)發(fā)射、返回的時(shí)間差，使用TOF(Txsd Flihgt，飛行時(shí)間)原理可以測(cè)量物體的距離。根據(jù)物體形的不同，反射光將被發(fā)散，某些時(shí)候僅有微量的光線(xiàn)被接收器接收。通過(guò)接收到的微弱反射信號(hào)，可以了解物體所處的方位及距離。當(dāng)前，運(yùn)用以上原理的設(shè)備有 Velodyne公司的“HDL-64e”“HDL-32e”等，價(jià)格均十分昂貴。
隨著今后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，激光雷達(dá)發(fā)射器等半導(dǎo)體在實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的同時(shí)，價(jià)格也將下降。此外，測(cè)量用 LiDAR與感知車(chē)輛周邊異常情況的LiDAR在技術(shù)參數(shù)上是不同的。常規(guī)攝像頭無(wú)法感知夜間環(huán)境，而LiDAR不論晝夜均可使用。
超聲波
超聲波在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的運(yùn)用并不廣泛。
波長(zhǎng)比可見(jiàn)光長(zhǎng)1萬(wàn)倍，成像模糊，通常使用的超聲波:40kHz，波長(zhǎng)8.5mm左右(分辨能力的上限)。衰減嚴(yán)重，在空氣中傳播時(shí)，聲波的波長(zhǎng)持續(xù)變化，能量以熱的形式被散發(fā)，高頻減嚴(yán)重，可到達(dá)距離短。無(wú)類(lèi)似光學(xué)透鏡的成像元件。
在完全黑暗以及波霧、濃煙等光學(xué)傳感器無(wú)法使用的環(huán)境下，也可對(duì)物體成像。在橫向及縱向上具備一定的空間解析能力。通過(guò)多普勒效應(yīng)可探測(cè)物體的速度，價(jià)格相對(duì)較低。
使用超聲波可對(duì)車(chē)輛周邊約40cm范圍內(nèi)的物體實(shí)現(xiàn)感知。可在車(chē)輛車(chē)泊車(chē)時(shí)，或需無(wú)碰撞安全通過(guò)狹窄道路時(shí)使用。超聲波的優(yōu)點(diǎn)可總結(jié)如下:低價(jià);不使用光線(xiàn)也可對(duì)物體進(jìn)行成像:在縱向、橫向上具備一定的空間解析能力:通過(guò)多普勒效應(yīng)可探測(cè)物體的速度等。
結(jié)束語(yǔ)
20世紀(jì)90年代后半期，將攝像頭和毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)融合的技術(shù)已在車(chē)輛上得到了較廣泛的運(yùn)用。在2001年款的日產(chǎn)shima上，也使用了攝像頭及雷達(dá)對(duì)物體進(jìn)行感知。今后，為實(shí)現(xiàn)高度駕駛輔助及自動(dòng)駕駛，傳感器融合將變得愈發(fā)重要。
LiDAR可很好地分辨物體的距離及形狀。由于攝像頭可以辨色,可用于文字識(shí)別，雷達(dá)則可以感知距離。通過(guò)對(duì)攝像頭、LiDAR或雷達(dá)的整合，可以實(shí)現(xiàn)從多數(shù)信號(hào)燈中識(shí)別出哪個(gè)是近的等類(lèi)似功能。通過(guò)使用各傳感器掃描同一物體，將各傳感器的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，可以比僅使用單一傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)物體更為正確的感知。
未來(lái)的自動(dòng)駕駛已經(jīng)開(kāi)啟，離我們不遠(yuǎn)。(原標(biāo)題：自動(dòng)駕駛遍地開(kāi)花 | “四足鼎立”的傳感器)
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