低速無人系統(tǒng)定位導航通用指標及測試方法

裴 凌，劉海春，趙 澎，朱亞夫，魯吉林，梁 霄

(1.上海交通大學，上海市北斗導航與位置服務重點實驗室，上海200240; 2.中國通信研究院華東分院，上海200002;3.上海北斗導航創(chuàng)新研究院，上海201702; 4.陸軍裝備部裝備項目管理中心，北京100071;5.上海華測導航技術有限公司，上海201702)

0 引言

近年來，隨著傳感器性能、移動計算能力、人工智能水平、系統(tǒng)集成度等方面的迅速提升，無人系統(tǒng)取得了長足的進步。以往僅僅限于實驗室探索研究或軍事用途的無人系統(tǒng)，目前正在快速進入大眾應用場景，為公共服務和個人生活帶來顛覆式改變。無人系統(tǒng)中最底層的核心技術包括：環(huán)境感知[1-2]、定位導航[3-5]、人機交互[6]和運動控制[7]。在無人機、自動駕駛農業(yè)機械、服務機器人、搬運機器人等無人系統(tǒng)中，智能的感知能力和魯棒的自主定位導航能力是近年來無人系統(tǒng)研究的熱點。從文獻檢索分析，研究領域對如何正確科學地評價無人系統(tǒng)的感知能力和定位導航能力并不夠重視，標準領域更是空白。

由于無人平臺存在多樣性，之前的研究往往針對特定的平臺，例如文獻[8]針對移動機器人的定位能力，基于克拉美羅界(Cramér-Rao Bound，CRB)理論，使用 Fisher’s 信息矩陣，在已知地圖模型與觀測模型的條件下，對移動機器人的靜態(tài)定位能力與動態(tài)定位能力進行評估；文獻[9]基于地圖上不同位置的視覺觀測，可在無需環(huán)境真值的條件下，對無人設備的建圖能力進行評估。無人系統(tǒng)的定位能力通常包括全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)、慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)、里程計、機器視覺、激光雷達、毫米波雷達等，并且有大量研究針對單一技術的測試評估，但無人系統(tǒng)通常使用至少兩種以上的定位技術來保障系統(tǒng)的可靠性。因此，融合定位導航是無人系統(tǒng)定位導航能力測試評估的重點。

由于融合定位沒有標準配置與技術方案，在不用組合定位技術手段時，測試評估方法存在差異[10-12]。此外，無人系統(tǒng)的導航任務也會因為場景需求的不同[13]，產生不同的評估指標要求。此外，隨著人工智能技術的發(fā)展，對無人系統(tǒng)感知能力的評估提出了新的要求。目標檢測、目標識別、場景識別、語義識別、場景理解等能力逐步成為智能無人系統(tǒng)的標準能力[14]。

1 研究背景

本文依托工信部行業(yè)標準：低速無人系統(tǒng)導航定位通用指標及測試方法，編號：2018-1798T-YD，同時參考國內外軍用或行業(yè)測試標準[15-19]，開展了相關研究。為了滿足大多數低速無人系統(tǒng)定位導航測試的共性需求，本文重點針對低速無人系統(tǒng)的定位導航與環(huán)境感知，分析通用的技術指標，研究通用的測試方法。

參考歐美以及日本等國家對低速機動車輛與無人機的定義，本文將地面低速無人系統(tǒng)定義為工作速度不大于30km/h的地面機器人、自動引導車、無人小巴、無人環(huán)衛(wèi)車等?？紤]到大型無人機等無人系統(tǒng)在非工作狀態(tài)，例如飛行途中速度較高。本文重點考慮無人機在實際作業(yè)狀態(tài)下的速度，例如旋翼類飛行速度不大于54km/h，固定翼類飛行速度不大于108km/h；包括消費級無人機、物流無人機(最后1km工作狀態(tài))、植保無人機、電力巡檢無人機等。水面及水下的無人系統(tǒng)不在本文的研究范圍之內。

從空間覆蓋情況劃分，本文所研究的定位導航包括室內定位導航、室內外無縫定位導航、室外定位導航。指標設計主要用于評估高度、速度、姿態(tài)、航向、位置、相對距離等無人系統(tǒng)定位導航所需的觀測質量。為了評估無人系統(tǒng)的定位導航能力水平，本文一方面選擇較為通用的功能指標，評估無人系統(tǒng)是否具備某一特定功能；另一方面選擇通用的性能指標，評估某一特定功能的水平。此外，本文提出了通用的無人系統(tǒng)測試方法，利用這些通用指標進行評價。

2 通用技術指標

無人系統(tǒng)通常具有不同的功能設計，也會因為任務不同，設定不同的性能指標。除非應用場景和任務體系確定，否則難以用一套相同的指標及指標要求對無人系統(tǒng)定位導航能力進行評估。對于不需要進行定量測試的無人系統(tǒng)，僅需進行二值化的定性測試，即測試是否具備某項功能。對于環(huán)境感知與定位導航而言，需要進行的功能測試包括成像功能、地圖輸出功能、傳感器標定功能、定位導航數據通信功能等。作為無人系統(tǒng)感知導航能力的測試評估，位姿測量、環(huán)境感知、規(guī)劃控制的定量化性能測試尤為重要。

本文采用準確度來表示測量值與標定值的接近程度[20]，或者是實驗值與公認參考值之間的接近程度；用精度表示最小的度量單位。將準確度和精度合稱為精確度，即用最小的度量單位，重復測量多次所獲得的準確度。此外，考慮到無人系統(tǒng)智能感知水平，本文引入了部分人工智能領域的典型指標，例如均并交比(Mean Intersection over Union， MIoU)、P-R曲線等?？紤]到無人系統(tǒng)定位導航誤差隨時間漂移的特點，引入了閉環(huán)差等指標。測試方法則從功能測試與性能測試兩個維度進行評估。

2.1 位姿測量

位姿測量重點評估無人系統(tǒng)自身空間位置姿態(tài)(通常為坐標、姿態(tài)、速度等)與其真實值之間的接近程度[21]。采用準確度來表示測量值與標定值的接近程度。本文涉及的測量對象包括與無人系統(tǒng)自身位姿估計相關的：距離、姿態(tài)、位置、航向、速度和高度。

1)測距精確度

測距是指測量無人系統(tǒng)自身到空間中某一點間連線的長度，是測量工作中最基本的任務之一。通過重復測試，比對無人系統(tǒng)測距結果與被標定真值，確定測距精確度。

2)定向精確度

定向精確度主要檢測無人系統(tǒng)通過單一傳感器或多傳感器融合對目標相對無人系統(tǒng)自身朝向測量的精確程度。通過重復測試，比對無人系統(tǒng)測量的目標方向與被標定真值，評估測向精確度。

3)測速精確度

測速精確度主要檢測無人系統(tǒng)通過單一傳感器或多傳感器融合對自身的運動速度測量的精確程度。通過重復測試，比對無人系統(tǒng)測量速度與被標定真值，確定測速精確度。

4)定高精確度

定高精確度主要檢測待測無人系統(tǒng)通過單一傳感器或多傳感器融合對自身高度測量的精確程度。通過重復測試，比對無人系統(tǒng)測量高度與被標定真值，確定測高精確度。

5)定姿精確度

定姿是指是指無人系統(tǒng)載體坐標系與地面慣性坐標系之間的夾角，也稱歐拉角，歐拉角是表達姿態(tài)的最直觀的一種方式。一般定義載體的右、前、上3個方向構成右手系，歐拉角是一個三維向量，其值分別代表物體繞坐標系3個軸(x、y、z軸)的旋轉角度, 包括：圍繞x軸旋轉的俯仰角(pitch)、圍繞y軸旋轉的滾轉角Φ(roll)、圍繞z軸旋轉的偏航角(yaw)。通過重復測試，比對無人系統(tǒng)的姿態(tài)測量結果與被標定真值，確定姿態(tài)精確度。

6)定位精確度

無人系統(tǒng)定位就是確定相對于給定坐標參考系中無人系統(tǒng)的位置，又被稱為位置估計。定位的目標是無人系統(tǒng)根據給定的環(huán)境感知信息和自身運動信息，確定自身在坐標參考系中的位置。定位可以分為局部定位和全局定位，重點測試：位置跟蹤(position tracking)、全局定位(global location)和綁架問題(kidnapped problem)。同時定位精確度也受環(huán)境影響，環(huán)境可分為靜態(tài)環(huán)境(static environments)和動態(tài)環(huán)境(dynamic environments)。通過重復試驗，比對無人系統(tǒng)測量位置信息與被標定真值，評估定位精確度。

2.2 導航能力

導航能力是按照要求的精度,沿著預定的路線在指定的時間內正確地引導無人系統(tǒng)至目的地的能力[24]。其中，最為通用的導航能力包括：規(guī)劃能力、控制能力、避障能力和越障能力。本文歸納為規(guī)劃控制能力和障礙應對能力兩類能力指標。

1)規(guī)劃控制能力

規(guī)劃控制能力主要是無人系統(tǒng)將自身導航至指定位置的能力。其中規(guī)劃是指為無人系統(tǒng)規(guī)劃合理運動路徑的功能與水平。根據路徑規(guī)劃的范圍，可分為全局的路徑規(guī)劃和局部的路徑規(guī)劃[25]。

a)全局的路徑規(guī)劃指在已知全局地圖的情況下，從無人系統(tǒng)當前位置規(guī)劃出一條到目的地的全局路徑。

b)局部的路徑規(guī)劃指根據環(huán)境感知的信息(路徑及障礙物信息)，在換道、轉彎、躲避障礙物等情況下，實時規(guī)劃出一條安全、平順的運動路徑。

控制能力則是指無人系統(tǒng)控制自身按照規(guī)劃的全局路徑或者局部路徑行進的水平。

2)障礙應對能力

避障能力是指無人系統(tǒng)在路徑規(guī)劃過程中，通過傳感器感知到在其規(guī)劃路徑上存在靜態(tài)或動態(tài)障礙物時，依據局部路徑規(guī)劃，繞過障礙物[26]，繼續(xù)執(zhí)行全局路徑規(guī)劃的能力。越障能力主要是對無人系統(tǒng)(主要為無人小車)在非平坦路面上行駛時，翻越障礙物的能力。

2.3 環(huán)境感知

無人系統(tǒng)環(huán)境感知，是利用多種不同類型和特性的傳感器對環(huán)境進行測量建模，如紅外傳感器、激光傳感器、可見光相機、超聲傳感器等。與傳統(tǒng)意義上的機器人視覺不同，無人系統(tǒng)環(huán)境感知更側重于地圖的構建、目標的識別與檢測、場景的語義分割與理解。

1)環(huán)境地圖構建

無人系統(tǒng)環(huán)境感知單元采集周圍的環(huán)境信息，并使用幾何和拓撲屬性將它們表征在地圖中，包括互聯區(qū)域和受限區(qū)域，其目標是地圖表征和地圖創(chuàng)建。以視覺/激光即時定位與地圖構建(Simulta-neous Localization and Mapping，SLAM)為例，無人系統(tǒng)在環(huán)境中運動，不需要任何先驗知識，利用視覺或激光來感知周圍環(huán)境信息，并提取穩(wěn)定的圖像或點云特征來表征實際物理空間，以此作為自然路標，構建環(huán)境的幾何地圖。同時通過與當前時刻之前所創(chuàng)建的環(huán)境地圖(自然路標庫)中的路標進行匹配，估計無人系統(tǒng)當前位置和姿態(tài)并更新自然路標庫，從而實現同步定位與建圖的過程。

2)目標檢測識別

無人系統(tǒng)在運動或靜止的條件下對指定的目標物體進行檢測與識別。首先是檢測，通過算法盡可能搜索圖像或點云中某一區(qū)域內存在的目標，進一步地，輸出目標的形狀、位置、方位、速度、顏色等信息。而目標識別類似于目標分類，判斷當前找到的區(qū)域內目標具體屬于哪種類別，根據前面目標檢測的輸出信息，識別目標的類型。

3)場景語義分割

語義指的是圖像或點云的內容含義，即對圖像或點云意思的理解。語義分割是指對給定圖像或點云中的每個像素或體素都做分類[23]，將圖像或點云數據作為輸入，并將它們轉換為具有感興趣區(qū)域突出顯示的掩模，其中圖像或點云中的每個像素或體素根據其所屬的感興趣對象被分配類別唯一標識。

3 典型試驗條件

3.1 室內外測試環(huán)境條件

為了滿足定位導航通用測試的需求，需要進行室內外測試。表1和表2為室內外測試環(huán)境條件的基本參數建議。

表1 室內測試環(huán)境條件

表2 室外測試環(huán)境條件

3.2 測試用設備性能指標

為了提供準確和令人信服的測試結果，需要對于室內外所使用到的測試設備的精度參數給出一定的約束，具體的設備與指標約束如表3所示。

表3 室內外測試設備精度要求

3.3 測試場條件

除了滿足上述測試環(huán)境條件，且安裝并配備測試用設備以外，為了更好地進行測試，建議對測試場地作出如下限定：

1)測試場地的正常地面相對平坦，通過在正常地面上設置道具模擬坡地、縫隙、沙石地、減速帶等特定的道路特征；

2)通用的測試場地環(huán)境以及測試道具應避免玻璃以及反光材料，若特定的測試需要可添加相應材質的道具；

3)通用的目標物形狀需選擇規(guī)則性物體，目標物顏色選擇識別度較高的紅色、綠色、藍色物體，若特定場景下需要不規(guī)則物體或其他顏色，則添加相應的道具。

3.4 真值獲取

無人系統(tǒng)的相關指標測試中，測量值真值的獲取尤為重要。真值表示一個物理量在一定條件下所呈現的真實數值，是一個理想化的概念。隨著科學技術的進步，可供實際使用的測量參考標準可以越來越逼近而絕不能等于理想的理論真值。表4列舉了幾種主流的無人系統(tǒng)測試中的真值獲取技術。

表4 高精度定位技術對比

4 通用測試方法

通用測試方法包括功能測試和性能測試。功能測試主要指的是針對待測無人系統(tǒng)是否具備相關功能輸出進行測試，主要包括成像功能、地圖輸出功能、傳感器標定功能、定位導航數據通信功能等。性能測試主要涵蓋定位導航過程中所涉及的目標和自身的位姿、導航能力、環(huán)境感知相關的單項能力及綜合能力的評估。具體指標如表5所示。

表5 功能、性能指標

下面將舉例對3個測試類別的測試方法做簡要介紹。

4.1 位姿測量

如圖1所示，將待測無人系統(tǒng)置于光學運動捕捉系統(tǒng)的可測范圍內，放置反光球設備并完成相應的設置；啟動待測無人系統(tǒng)，完成時間同步，獲取已有的地圖信息，標定無人系統(tǒng)所在地圖坐標系與光學運動捕捉系統(tǒng)坐標系的初始轉換關系[R|T]；

1)使待測無人系統(tǒng)處于靜止狀態(tài)，記錄N次定位位姿，基于下式計算靜態(tài)定位位置誤差值Esp和姿態(tài)誤差值Esθ

(1)

(2)

(3)

(a)放置放光球的待測無人系統(tǒng)

(b)光學運動捕捉系統(tǒng)標定系統(tǒng)單元

(c)光學運動捕捉系統(tǒng)與UWB標定系統(tǒng)覆蓋的測試場圖1 測試環(huán)境Fig.1 Test environment

2)使待測無人系統(tǒng)處于運動狀態(tài)，記錄N次定位位姿，同樣依據式(1)～式(3)計算動態(tài)位置誤差值Edp和姿態(tài)誤差值Edθ。

4.2 導航能力

1)規(guī)劃控制能力

(4)

(a)規(guī)劃軌跡示意圖

(b)測試場景

(c)實際測試軌跡圖2 規(guī)劃控制能力測試場景Fig.2 Planning and control capability test scenario

基于式(5)，可估計待測系統(tǒng)的最終停止位姿的協方差矩陣，即漂移誤差的協方差，作為可達性誤差的判定標準。

(5)

除了可達性之外，對于規(guī)劃能力評估，可以利用L1或L2范數等指標，對特定場景中路徑的理論最優(yōu)與規(guī)劃路徑之間的距離進行比較評估。同理，比較規(guī)劃路徑與實際行進路徑之間的距離，可以用于評估控制能力。此外，窄道通過性可以進一步評估無人系統(tǒng)在狹窄路徑中的精確控制水平。

2)越障能力

(6)

若因超時等原因無法到達目標點，則該段評分與后續(xù)路段的評分皆為0。被測系統(tǒng)的最終得分為所有路段評分之和，即

S=∑Si

(7)

3)避障能力

避障能力是無人系統(tǒng)通過感知周遭包含的靜態(tài)、動態(tài)、已知和未知障礙物，規(guī)劃最優(yōu)路徑，并實時跟隨最優(yōu)路徑行進的能力。避障能力測試包括：

? 靜態(tài)環(huán)境測試

圖3 靜態(tài)環(huán)境避障能力測試場景Fig.3 Obstacle avoidance test in static environment

(8)

重復該實驗M次并記第i次實驗的平均位姿誤差為e(i)，記最大允許的平均位姿誤差為emax，則被測系統(tǒng)的最終評分為

(9)

? 動態(tài)環(huán)境與靜態(tài)環(huán)境混合測試

首先確定被測系統(tǒng)標稱通過距離和最大運動速度。然后在此空間內放置靜止障礙物和動態(tài)障礙物，確保任意障礙物之間的可通過距離大于被測系統(tǒng)的標稱通過距離；動態(tài)障礙物(如無人機、無人車、行人)按照既定軌跡運動，并滿足：當被測系統(tǒng)運動到動態(tài)障礙物附近時，任意2個動態(tài)障礙物之間、動態(tài)障礙物和靜態(tài)障礙物之間的間隔距離足夠被測系統(tǒng)從靜止狀態(tài)啟動并穿越動態(tài)障礙物移動區(qū)域。測試期間要求被測系統(tǒng)與障礙物無碰撞，若未發(fā)生碰撞則記成功；若發(fā)生碰撞則終止當次測試并記為失敗。

4.3 環(huán)境感知

環(huán)境感知是無人系統(tǒng)理解自身所處環(huán)境的重要技術之一，主要從執(zhí)行時間、內存及顯存占用和精確度3個方面對環(huán)境感知算法進行評估。

(10)

5 結語

目前,國內機器人、無人送貨車、自動引導車、無人機等低速無人系統(tǒng)定位導航測評缺乏標準化測試環(huán)境和測試方法，測試指標簡單，難以量化測試。雖然國內外部分研究機構具備某些單項指標的測試方法，但是對于系統(tǒng)性的測試缺乏標準化的測試方法和實驗環(huán)境，尤其是智能無人系統(tǒng)在復雜環(huán)境中的環(huán)境感知、定位導航、動態(tài)規(guī)劃、運動控制等技術指標與能力測評水平低、測試環(huán)境簡單、標定精度不高、指標單一、定量分析困難，統(tǒng)一、公開、規(guī)范的測試方法仍屬空白。因此，亟需制訂相關標準，確定適用對象與范圍，明確技術指標系統(tǒng)，定義測試場景，規(guī)范測試方法。本文通過從功能指標和性能指標2個方面，為各相關行業(yè)對低速無人系統(tǒng)的使用、評估、測試分析及要求，提供統(tǒng)一通用的測試分析方法。