淺談無(wú)人車環(huán)境感知技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)

周魁喜

摘 要：無(wú)人車是指無(wú)需人員操控的集環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、自動(dòng)控制等功能于一身的地面自主移動(dòng)車輛系統(tǒng)，可輔助或代替人類在復(fù)雜地形條件下完成既定任務(wù)。無(wú)人車技術(shù)是當(dāng)今前沿科技的重要發(fā)展方向，它是一個(gè)國(guó)家計(jì)算機(jī)科學(xué)、模式識(shí)別和智能控制技術(shù)發(fā)展水平的體現(xiàn)，也是衡量一個(gè)國(guó)家科研實(shí)力和工業(yè)水平的重要標(biāo)志。無(wú)人車環(huán)境感知技術(shù)是無(wú)人車其它技術(shù)研究的前提條件，本文簡(jiǎn)要介紹了無(wú)人車環(huán)境感知技術(shù)的概念、基本分類及發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：無(wú)人車；環(huán)境感知；傳感器；發(fā)展趨勢(shì)

二十一世紀(jì)以后，隨著信息技術(shù)、智能控制技術(shù)、仿真技術(shù)等的飛速發(fā)展，無(wú)人駕駛技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用得到了極大的推動(dòng)。20世紀(jì)80年代，美國(guó)開發(fā)了一種可以在校園道路上自由行駛的8輪無(wú)人駕駛車輛。上世紀(jì)90年代末，美國(guó)國(guó)防部開始開發(fā)無(wú)人駕駛汽車，并成功研制了DEMOIII無(wú)人駕駛車。該車采用CCD、激光雷達(dá)、微波等多傳感器融合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的感知和障礙物的檢測(cè)。

我國(guó)無(wú)人駕駛汽車的研究工作相對(duì)滯后，大多采用校企合作的方式。1992，中國(guó)國(guó)防部成功研制了第一輛真正的無(wú)人駕駛汽車。該車采用雙目視覺(jué)技術(shù)檢測(cè)車道線和交通標(biāo)志。2015，百度無(wú)人駕駛車在北京完成了全自動(dòng)駕駛測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了車輛減速、車道變換、上下坡道等操作，完成了不同道路場(chǎng)景的切換。

一、 環(huán)境感知的概念

無(wú)人駕駛車輛的環(huán)境感知是指通過(guò)在平臺(tái)上安裝的環(huán)境感知傳感器獲取的環(huán)境信息，而綜合決策控制系統(tǒng)所能理解的環(huán)境是自主路徑規(guī)劃和決策前提。所使用的傳感器包括激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、可見光相機(jī)和紅外攝像機(jī)。根據(jù)傳感器的性能指標(biāo)，可以滿足傳感器的裝配方案，滿足建模要求。

二、 環(huán)境感知系統(tǒng)的組成

環(huán)境傳感系統(tǒng)一般包括傳感器、傳感器數(shù)據(jù)處理和多傳感器數(shù)據(jù)融合3個(gè)子系統(tǒng)。傳感器系統(tǒng)通常使用相機(jī)、激光雷達(dá)、超聲波傳感器、微波雷達(dá)和其他車輛傳感器來(lái)感知環(huán)境。在各種光照和天氣條件下，單一傳感器難以滿足環(huán)境意識(shí)的需要。多傳感器融合可以將空間和時(shí)間之間的互補(bǔ)和冗余信息結(jié)合起來(lái)，結(jié)合一些優(yōu)化準(zhǔn)則，提煉和產(chǎn)生觀測(cè)環(huán)境的一致性解釋或描述，以及無(wú)人地面平臺(tái)的自適應(yīng)路徑規(guī)劃，為自主導(dǎo)航提供了必要和可靠的信息。多傳感器融合技術(shù)應(yīng)用于大多數(shù)無(wú)人飛行器系統(tǒng)中，如視覺(jué)傳感器具有良好的角分辨力，但無(wú)法獲得距離信息，雷達(dá)分辨力差的測(cè)距設(shè)備可以獲得準(zhǔn)確的距離信息和深度信息。

三、 感知技術(shù)的分類

（一）微波雷達(dá)

微波雷達(dá)應(yīng)用于上世紀(jì)60年代的汽車防撞系統(tǒng)中。其中最具代表性的是福特和伊頓共同開發(fā)的Vorad微波車輛雷達(dá)防撞系統(tǒng)。該系統(tǒng)可檢測(cè)出左右目標(biāo)，在有危險(xiǎn)時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，并可與汽車制動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制動(dòng)。它是當(dāng)今世界上最成功的汽車?yán)走_(dá)防撞系統(tǒng)。然而，與毫米波雷達(dá)相比，微波雷達(dá)具有分辨率低、體積大等缺點(diǎn)，使得其在汽車防撞系統(tǒng)中的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于毫米波雷達(dá)。

（二）毫米波雷達(dá)

毫米波雷達(dá)的波長(zhǎng)為1～10毫米。它位于微波和遠(yuǎn)紅外波重疊的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。因此，它具有兩種光譜特征。毫米波的理論和技術(shù)是微波向高頻的延伸和光波向低頻的發(fā)展。毫米波雷達(dá)通過(guò)在頻域中在24GHz到300 GHz發(fā)射具有一定斜率的連續(xù)調(diào)頻信號(hào)來(lái)感知周圍環(huán)境信息。當(dāng)檢測(cè)到前方障礙物時(shí)，將具有相同斜率的信號(hào)反射回來(lái)并反射信號(hào)，并通過(guò)混頻器獲得頻率信號(hào)，從而計(jì)算目標(biāo)障礙物的速度、距離和角度值。毫米波雷達(dá)具有毫米波波長(zhǎng)，對(duì)煙霧和煙霧有很強(qiáng)的穿透能力。同時(shí)毫米波雷達(dá)具有體積小、重量輕、穿透能力強(qiáng)、適應(yīng)各種氣象條件等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于需要環(huán)境感知和障礙物的無(wú)人飛行器等移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中。沈陽(yáng)自動(dòng)化與納米技術(shù)研究所也開展了基于毫米波雷達(dá)的汽車防撞系統(tǒng)的研究。

（三）超聲波傳感器

超聲波傳感器通過(guò)發(fā)送一系列高于20000 Hz的波頻來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的感知，并通過(guò)計(jì)算聲發(fā)射和接收的時(shí)間間隔來(lái)獲得被檢測(cè)目標(biāo)的距離信息。超聲波傳感器體積小、響應(yīng)快、價(jià)格低廉，廣泛應(yīng)用于各種移動(dòng)機(jī)器人中。它是移動(dòng)機(jī)器人中最常用的測(cè)距傳感器之一。然而，超聲波傳感器發(fā)出的聲信號(hào)向兩側(cè)衰減，發(fā)散到扇形區(qū)域，無(wú)法定位目標(biāo)的特定位置，超聲波傳感器的檢測(cè)距離較短，測(cè)量誤差較大。當(dāng)使用多個(gè)超聲波傳感器定位目標(biāo)時(shí)，容易產(chǎn)生聲波的交叉接收，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)的混亂，增加了特征匹配的難度。

（四）紅外傳感器

紅外線測(cè)距是使用調(diào)制紅外光的精確測(cè)距。它是傳播過(guò)程中的紅外擴(kuò)散原理。由于紅外線可以穿透物體，折射率很小，所以高精度測(cè)距將考慮紅外的應(yīng)用。紅外測(cè)距儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、數(shù)據(jù)處理方便、測(cè)量范圍精度高、抗干擾能力強(qiáng)、幾乎不受被測(cè)物體尺寸和位置影響、廉價(jià)、安全、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，還存在測(cè)距距離短、測(cè)距精度低、方向性差等缺點(diǎn)。

（五）激光測(cè)距傳感器

激光傳感器通過(guò)掃描扇區(qū)來(lái)感知該區(qū)域中的障礙物。它利用飛行時(shí)間法測(cè)距，將激光脈沖發(fā)射的激光發(fā)射器分為兩個(gè)通道，一個(gè)進(jìn)入接收器，另一個(gè)從鏡面到被測(cè)物體的表面，反射光通過(guò)反射鏡返回到接收器。通過(guò)測(cè)量發(fā)射脈沖與反射脈沖之間的時(shí)間間隔和光的乘積來(lái)測(cè)量被測(cè)量的障礙物之間的距離。

激光雷達(dá)實(shí)際上是一種在光學(xué)波段（特殊波段）工作的雷達(dá)。具有明顯的優(yōu)勢(shì)：

（1）分辨率很高；

（2）較強(qiáng)的抗干擾能力；

（3）獲取的信息量豐富；

（4）整天工作。

因此，激光雷達(dá)廣泛應(yīng)用于無(wú)人值守地面系統(tǒng)的環(huán)境地圖構(gòu)建、自主定位、避障、軌跡跟蹤和導(dǎo)航等領(lǐng)域。

（六）視覺(jué)傳感器

視覺(jué)系統(tǒng)由于信息量大、采樣周期短、磁場(chǎng)和傳感器干擾小、光質(zhì)量好、能耗小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在許多無(wú)人地面系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。視覺(jué)傳感器將場(chǎng)景的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。目前，用于獲取圖像的視覺(jué)傳感器主要是數(shù)字/工業(yè)相機(jī)。常見的圖像采集傳感器包括單目視覺(jué)、雙目立體視覺(jué)、多視點(diǎn)立體視覺(jué)等。

（1）單目相機(jī)對(duì)環(huán)境信息的感知較弱，在攝像機(jī)前僅獲得二維環(huán)境信息。

（2）雙目攝像機(jī)的視覺(jué)感知能力強(qiáng)于單目攝像機(jī)，能夠在一定程度上感知到三維環(huán)境信息，但距離信息感知不夠準(zhǔn)確。

（3）全景相機(jī)具有較強(qiáng)的感知環(huán)境信息的能力，能夠在360度范圍內(nèi)感知二維環(huán)境信息。獲得的信息量大，外部環(huán)境更容易表達(dá)。

視覺(jué)傳感器的缺點(diǎn)是感知距離信息差，難以克服光變化和陰影所造成的干擾。視覺(jué)圖像處理需要較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間。圖像處理過(guò)程復(fù)雜，動(dòng)態(tài)性能差，難以適應(yīng)實(shí)時(shí)性高的要求。

四、 感知技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，無(wú)人地面車輛系統(tǒng)的環(huán)境意識(shí)系統(tǒng)在道路檢測(cè)和障礙識(shí)別方面取得了令人矚目的進(jìn)展，特別是在結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境中，如車道保持輔助系統(tǒng)。但在城市道路、非結(jié)構(gòu)化道路、室外環(huán)境和惡劣天氣中，地面車輛系統(tǒng)的感知面臨諸多問(wèn)題。

1）城市環(huán)境

在城市道路中，道路交叉口檢測(cè)、道路標(biāo)志和交通信號(hào)識(shí)別和行人識(shí)別是環(huán)境意識(shí)系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)。由于復(fù)雜背景、光照變化和拍攝角度的影響，很難實(shí)現(xiàn)精確、實(shí)時(shí)的地標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別。

2）野外環(huán)境

城市環(huán)境中道路的幾何描述可以解釋道路的可行性，但是地形必須在野外進(jìn)行分析，包括對(duì)三維地形幾何特征的描述、地形覆蓋、檢測(cè)和可能的障礙分類。復(fù)雜場(chǎng)環(huán)境中的各種類型的水障礙，作為該領(lǐng)域最常見的障礙類型之一，對(duì)無(wú)人駕駛車輛的自主導(dǎo)航構(gòu)成了極大威脅。在障礙物檢測(cè)領(lǐng)域中，凹形障礙物的檢測(cè)也是一個(gè)難點(diǎn)。

3）不同天氣和光照條件下的環(huán)境感知

在全天候條件下，環(huán)境感知仍存在許多問(wèn)題。從理論上講，激光雷達(dá)和雷達(dá)不受天氣和光照條件的影響，前視紅外雷達(dá)也具有良好的夜間性能。然而，作為環(huán)境感知系統(tǒng)的重要組成部分，視覺(jué)系統(tǒng)在霧天和夜間性能等特殊天氣條件下不好。在這種情況下，對(duì)環(huán)境的認(rèn)識(shí)還需要進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 基于多特征的前方車輛檢測(cè)與跟蹤方法研究[D]. 張玲增.江蘇大學(xué) 2010