“八大神器”让自动驾驶,眼观六路耳听八方

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每一辆无人驾驶车辆与生俱来三个哲学问题。

我在哪?我要去哪?我怎么去?

回答这三个问题,需要神器助力。

一、摄像头和相机(Camara)

视觉摄像头常对光照和天气敏感,热成像相机则对白天与黑夜变化“感受精准”。相机能捕捉环境里的详细纹理信息。

二、LiDAR 激光雷达(LiDAR)

比起相机,激光雷达能以3D点云的方式提供环境中准确的,更进一步的深度信息,而且受强弱光照和雨雪霜降天气影响相对较小。但是,点云对于遥远目标又不是十分有效。新型的flash LiDAR弥补了无法捕捉环境目标的详细纹理的缺陷。激光雷达提供环境的点云数据,每个点都有xyz坐标和反射强度信息。

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LiDAR激光雷达发出快速的激光信号,从遇到的障碍物反弹回来。信号弹回后,传感器会收集信号弹回所花费的时间,以确定其位置与前方可能遇到的障碍物之间的距离。

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三、雷达(RADAR)

雷达已经在飞机和战舰上用于军事用途已有多年了。RADAR全称为Radio Detection And Ranging,即用无线电波探测和定位物体。

雷达的主要区别在于它使用无线电波而不是激光来感测物体。这使雷达能够直接测量周围物体的速度。测速和测距准确性高,更少出现信号干扰,且不受光照和天气影响。车身360°全覆盖的雷达系统中。

当雷达波在空中传播时,与光波相比损失的功率更少,这意味着雷达可以在更长的距离上工作。

盲区探测、车道保持和变道辅助、后置雷达碰撞报警或防撞保护、泊车辅助是短程雷达的功劳。

刹车辅助、紧急制动、自动距离控制则是中长程雷达功劳。

四、超声波传感(Ultrasonic)

通过使用高频声波检测物体的位置和距离,超声波传感器通常可以在其他类型的传感器不足的情况下工作。

超声波传感器可以检测相邻车道上的汽车以进行“盲点检测”,并在有人处于盲区时提醒司机。多用于检测低速场景下的目标,例如停车场停车的时候。

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五、全球导航卫星系统(GNSS)

这个都很熟悉,就不赘述了。值得一提的是,GNSS RTK(卫星导航实时动态定位)的定位精度很高。RTK技术与IMU数据适当融合后,可将GPS定位精度提高100倍,直接从米级精度提高到厘米级精度。

也有喷洒农药的无人机依靠RTK定位,是因为RTK主要用于农业、土地调查等。“可跨地域扩展的新型RTK软件”可为自动驾驶汽车服务,该软件经济实惠,易于集成,并优化补充了自动驾驶汽车传感器融合定位导航功能。

六、高精地图(HD Map)

结合定位系统可以进行路径规划。比如国内的高德地图就有高精定位和高精地图的一体化解决方案。

据高盛预计,高精地图市场细分领域在2020年规模将达到21亿美元,到2025年扩大到94亿美元。

百度地图采集制作并完成了中国30万公里的高速、环路,高精地图,亿万公里ADS的数据采集,其Apollo(阿波罗)高精地图可实现精度在0.1~0.2米,定位精度达到8厘米,也就是一个拳头的宽度。

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特斯拉用“车队学习网络”(Fleet Learning Network)策略,调动量产车把测绘任务以“众包”的形式进行数据采集,可以说所有在路上跑的特斯拉车型都是实时数据在线的,他们通过在7.0系统固件中的测试版自动驾驶辅助功能,调用全车所有的传感器来收数据,所有的数据(不包含隐私信息)都会上传给中央处理器。

七、惯性测量单元(IMU)

为了能让无人驾驶系统更高频率地获取定位信息,就必须引入频率更高的传感器。这就是IMU(Inertial Measurement Unit)惯性测量单元。陀螺仪和加速度计是IMU的主要元件,其精度直接影响到惯性系统的精度。

手机上也有IMU,但是是低配,因为成本和精度都不高,记个行走的步数没有什么问题,高端的就是宇航级别的产品,导弹、宇宙飞船、航天飞机都用,短时间内推算精度高,误差小,算不错。

工作原理是:从GPS得到的经纬度信息作为输入信号传入IMU,再通过串口线与控制器的连接,以此获取更高频率的定位结果。

学术上的语言是:测量在惯性参考系的加速度,将它对时间进行积分,且把它变换到导航坐标系中,就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息,以牛顿力学定律为基础。

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一般GPS+IMU就能给出定位输出,是钢筋混凝土一般的合作伙伴。有了GPS+IMU,车辆每走一小步,便能重新进行方向盘转角的计算。IMU价格从几百、几千到几万元都有,那要看自动驾驶汽车需要的定位精度。

“长江长江,我是黄河,你在哪?”“黄河,你好,GPS+IMU告诉我,我在长江。”

八、里程计(Odometer)

实用当中,里程计主要用于在没有任何其他全局定位信息下,允许车辆仅使用里程计递推自己位置。假设车辆控制允许最大误差是0.3m,那么1%的里程计允许你前进30米。自动驾驶定位要求是能够提供绝对位置,而里程计(odometry)是提供相对位置,相对位置做得再好也有误差,这时候便需要定位(localization)修复误差。

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每种技术都有自己的优势和劣势,相辅相成,单独使用时,没有传感器是完全可靠的。

自动驾驶系统,分为感知、决策、规划、控制这几大层次,其中各个层次下又可以继续划分出多个子模块。这样的话,一般无人驾驶软件由3个大的系统构成:

第一,类似司机的眼睛和耳朵。

感知层,比如依靠激光雷达、毫米波雷达以及摄像头。

第二,类似司机的大脑。

判断决策层,获取到信息以后,系统需要去判断,刹车、左转、停车。

第三,类似司机的手脚,

执行层,判断后执行指令。将决策获得信息转化成刹车、油门和转向信号,控制车辆按照预期行驶。

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感知可以细分为两种:“传感”和“感知”。“传感”获得的是传感器的原始数据,比如图片,而“感知”是从图片里处理出的有用信息(图里有几个人,几个标志牌,几条车道线)。

虽然随着深度学习的成功,在感知层面使用深度学习算法已经是自动驾驶的“常规动作”,但在决策规划控制的时候,人工智能深度学习算法不能包打天下。

“八大神器”还要分为两类,自车感知和外部感知。摄像头,雷达,GPS等每时每刻获得的信息是自车感知。定位,地图相当于你告诉汽车在哪里。比如坐标北京朝阳区东南三环华威桥上,这是外部感知。

由此可以看出,让自动驾驶眼观六路耳听八方的“八大神器”在为感知层提供数据,这背后还需要强大的计算能力作为支撑,是自动驾驶万里长征才起步,为人类进化到自动驾驶时代做数据储备。(完)

《亲爱的数据》出品

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