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Self-Driving干貨鋪1：傳感器

2019-07-21 17:00:43·  來源：Vehicle攻城獅  
　
自動駕駛汽車包括五大核心部分：感知、傳感器融合、定位、規(guī)劃和控制，這五大部分涉及的內(nèi)容及相互之間的關(guān)聯(lián)樓主會在后續(xù)幾篇中逐步介紹，這篇樓主先從感知部分
自動駕駛汽車包括五大核心部分：感知、傳感器融合、定位、規(guī)劃和控制，這五大部分涉及的內(nèi)容及相互之間的關(guān)聯(lián)樓主會在后續(xù)幾篇中逐步介紹，這篇樓主先從感知部分說起。


感知作為系統(tǒng)輸入，是自動駕駛功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)搞清楚車輛周圍的環(huán)境。為了盡可能準(zhǔn)確真實(shí)的反應(yīng)環(huán)境信息，自動駕駛汽車需要各類傳感器的支持和配合，所配備的傳感器主要包括：GNSS（如GPS）、攝像頭、慣性測量單元IMU、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)等，除了上面這些我們可以實(shí)際摸得著的傳感器，還需要所謂的“高精度地圖”的支持。其中GPS和攝像頭這里就不再累贅，生活中我們經(jīng)常使用這兩種傳感器，也相信大家對其有直觀的認(rèn)識和體驗(yàn)。
 
01

高精度地圖

高精度地圖是專門服務(wù)于自動駕駛的，生活中我們經(jīng)常接觸的是傳統(tǒng)地圖，例如當(dāng)我們開車去某處時，地圖會推薦多條路徑以及每條路線花費(fèi)多長時間，當(dāng)我們獲得這些信息后，我們需要根據(jù)地圖提供的信息來決定是直行、左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)，在整個過程我們需要對駕駛環(huán)境進(jìn)行評估以及考慮各種交通管制，如限速標(biāo)志、紅綠燈等。


而無人駕駛車缺少我們?nèi)祟惞逃械囊曈X和邏輯能力，例如我們可利用所看到的東西和GPS在世界中確定自己的位置，我們也可輕松準(zhǔn)確的識別障礙物、其他車輛、行人或交通信號等信息。但對無人車來說上述這些可能是一件非常艱巨的任務(wù)，因此高精度地圖是無人駕駛技術(shù)不可或缺的一部分。

高精度地圖相比傳統(tǒng)地圖包含大量的駕駛輔助和周圍環(huán)境信息，最重要的是道路網(wǎng)的精確三維表征。例如交叉路口布局和路標(biāo)位置，高精度地圖還包含很多語義信息，例如地圖可能會報(bào)告交通燈上不同顏色的含義，也可指示道路的速度限制以及左轉(zhuǎn)車道開始的地方。



高精度地圖最重要的特征之一就是精度，我們常用的手機(jī)上的導(dǎo)航地圖只能達(dá)到米級，平時我們使用時可能感覺一兩米也沒什么，但當(dāng)我們設(shè)法把車停在路邊時一兩米的誤差就可能導(dǎo)致道路堵塞或發(fā)生碰撞。而高精度地圖能夠達(dá)到厘米級的精度，這對無人駕駛車的安全性至關(guān)重要，但高精度地圖無法實(shí)時都保證地圖處于最新狀態(tài)，試想周圍的環(huán)境是時刻變化的，例如車可能這會停在這下會就開走了，因此保持這些地圖的更新是一項(xiàng)重大的任務(wù)，需要耗費(fèi)人力物力不斷去驗(yàn)證和更新這些地圖

02

慣性測量單元IMU

慣性測量單元是定位的一種粗略輔助手段，在機(jī)器人定位中我們經(jīng)常采用慣性測量單元來進(jìn)行航跡推演實(shí)現(xiàn)粗略的定位。假設(shè)一輛車正以恒定速度直線行駛，在已知汽車初始位置、速度及行駛時間的情況下，我們很容易得到汽車當(dāng)前所處的位置。


同樣的上述問題，但只提供初始速度和加速度信息，此時基于初始位置，我們可計(jì)算得出汽車在任何時間點(diǎn)的車速和位置，而如何獲取汽車的加速度信息則正是慣性測量單元IMU應(yīng)該要做的。IMU我們也經(jīng)常接觸，小到手機(jī)、智能手表，大到導(dǎo)彈、宇宙飛船都會使用，不同領(lǐng)域所采用的區(qū)別在于成本和精度。

一個IMU包含了三個單軸的加速度計(jì)和三個單軸的陀螺，加速度計(jì)檢測物體在載體坐標(biāo)系統(tǒng)獨(dú)立三軸的加速度信號，而陀螺檢測載體相對于導(dǎo)航坐標(biāo)系的角速度信號，測量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態(tài)，在導(dǎo)航中有著很重要的應(yīng)用價值。

 IMU具有隨時間誤差累計(jì)的特性，因此一般無人車會采用“GPS+IMU”這種組合方式來實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的定位（關(guān)于定位樓主會在后續(xù)章節(jié)中討論），例如百度阿波羅采用一款NovAtel SPAN-IGM-A1的慣性測量單元。

 

它是一款衛(wèi)星導(dǎo)航GNSS和慣性導(dǎo)航深度融合的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，內(nèi)部封裝了OEM615 GNSS 板卡和慣性測量單元（IMU），在衛(wèi)星信號被阻斷時仍持續(xù)可用。

03

超聲波雷達(dá)Ultrasonic Sensors

超聲波傳感器是機(jī)器人、汽車等領(lǐng)域最常見的傳感器，還記得我們在學(xué)校玩單片機(jī)時經(jīng)常買的超聲波傳感器嗎？


對于車用級的超聲波傳感器，其模樣及其安裝位置一般都如下：


超聲波傳感器在汽車中應(yīng)用很廣泛，如果大家還對其比較陌生，那么“倒車?yán)走_(dá)”可能更通俗易懂寫。當(dāng)我們在倒車入庫時，車子移動過程中，我們在駕駛室內(nèi)常能聽到”滴滴滴“的聲音，這些聲音就是根據(jù)超聲波傳感器檢測到的距離反饋給我們的信息。對于倒車?yán)走_(dá)應(yīng)用，其一般安裝在汽車的前后保險(xiǎn)杠位置，來進(jìn)行前后障礙物的檢測。

超聲波（指20kHz以上的機(jī)械波）是一種特殊的聲波，具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。

超聲波傳感器通過時間差測量距離長度，首先超聲波發(fā)送器向外部的某個方向上發(fā)射超聲波信號并在發(fā)射信號的同時開始計(jì)時；超聲波在空氣中傳播，當(dāng)遇到障礙物時會立即返回并傳播回去并被接收器接收。超聲波在空氣中的傳播速度為340米/秒，定時器可以通過記錄時間t來測量從發(fā)射點(diǎn)到障礙物的距離長度，即s = 340t / 2。


超聲波能量消耗慢，介質(zhì)行進(jìn)距離長，穿透力強(qiáng)，測距方法簡單，成本低，而且在短距離測量中，超聲波傳感器具有很大的優(yōu)勢（一般探測距離在15~250cm或30~500cm之間，如博世車用超聲波傳感器的檢測范圍為20~450厘米）。因此在汽車會被廣泛采用，如BOSCH的APA自動泊車系統(tǒng)及Side View Assist系統(tǒng)都應(yīng)用了超聲波傳感器來進(jìn)行安全輔助駕駛。
 

但是，由于超聲波的傳輸速度容易受到天氣條件的影響（在不同的天氣條件下，超聲波的傳輸速度不同，傳播速度慢），因此其在高速測距方面存在一定的局限性。當(dāng)汽車高速行駛時，超聲波測距無法實(shí)時跟上車速，而且誤差很大。另一方面，超聲波當(dāng)在相對長的距離處測量目標(biāo)時，回波信號相對較弱，這會影響測量精度。

下面將會闡述無人駕駛中最重要的兩個傳感器：毫米波雷達(dá)Radar和激光雷達(dá)LiDar，到目前為止，自動駕駛汽車的感知主要依賴兩種方法：毫米波雷達(dá)傳感器結(jié)合攝像頭或激光雷達(dá)增強(qiáng)。無人駕駛車通過利用這兩類傳感器對靜態(tài)地圖進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)充，從而構(gòu)建所謂的“世界模型”，在自動駕駛競賽中，激光雷達(dá)與毫米波雷達(dá)的競爭日趨激烈。它甚至引起了汽車行業(yè)的一種競爭。雖然包括Waymo、Cruise和福特在內(nèi)的許多公司主要依靠激光雷達(dá)，但特斯拉則采用毫米波雷達(dá)結(jié)合攝像頭的技術(shù)，埃隆馬斯克也曾公開羞辱汽車的激光雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)，聲稱“傻瓜才用激光雷達(dá)”，當(dāng)然這句話只是為了博取噱頭，因就當(dāng)前自動駕駛來說單一感知系統(tǒng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，主流的做法則是各感知系統(tǒng)進(jìn)行相互融合和配合，提高系統(tǒng)冗余和不同狀況下的互補(bǔ)性。

04

毫米波雷達(dá)Radar

毫米波雷達(dá)，顧名思義，就是工作在毫米波頻段的雷達(dá)。毫米波是指長度在1~10mm的電磁波，對應(yīng)的頻率范圍為30~300GHz。目前，車載雷達(dá)頻段主要集中在在24GHz、77GHz和79GHz這3個頻段。其中，24GHz的波長是1.25cm（雖然24GHz的波長是1.25cm，但是目前業(yè)界也依然將其稱之為毫米波），77GHz的波長則更短，只有3.9mm。不同頻段的毫米波雷達(dá)具有不同的性能和成本，毫米波雷達(dá)由于具有出色的測距測速能力，因此被廣泛地應(yīng)用在自適應(yīng)巡航控制（ACC）、盲點(diǎn)檢測、輔助變道（LCA）等輔助駕駛應(yīng)用中。通常，為了滿足不同距離范圍的探測需要，一輛汽車上會安裝多顆短距、中距和長距毫米波雷達(dá)。其中24GHz雷達(dá)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)近距離探測（SRR），77GHz和79GHZ雷達(dá)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)距離的探測（MRR or LRR）。不同的毫米波雷達(dá)“各司其職”，在車輛前方、車身和后方發(fā)揮不同的作用。


24—24.25GHz頻段：目前大量應(yīng)用于汽車的盲點(diǎn)檢測、變道輔助。雷達(dá)安裝在車輛的后保險(xiǎn)杠內(nèi)，用于監(jiān)測車輛后方兩側(cè)的車道是否有車、可否進(jìn)行變道。這個頻段也有其缺點(diǎn)，首先是頻率比較低，另外就是帶寬（Band width）比較窄，只有250MHz。

77GHz頻段：這個頻段的頻率比較高，國際上允許的帶寬高達(dá)800MHz。這個頻段的雷達(dá)性能要好于24GHz的雷達(dá)，所以主要用來裝配在車輛的前保險(xiǎn)杠上，探測與前車的距離以及前車的速度，實(shí)現(xiàn)的主要是緊急制動、自動跟車等主動安全領(lǐng)域的功能。

79GHz—81GHz頻段：這個頻段最大的特點(diǎn)就是其帶寬非常寬，要比77GHz的高出3倍以上（能到3000MHz），這也使其具備非常高的分辨率，可以達(dá)到5cm。這個分辨率在自動駕駛領(lǐng)域非常有價值，因?yàn)樽詣玉{駛汽車要區(qū)分行人等諸多精細(xì)物體，對帶寬的要求很高。

正如前面所說，頻率越高波長越短，分辨率、精準(zhǔn)度就越高。所以，79GHz的毫米波雷達(dá)相信會成為汽車領(lǐng)域主流傳感器。


全球主要有四大毫米波雷達(dá)供應(yīng)商簡稱為ABCD，即Autoliv、Bosch、Continental和Delphi。Autoliv以24GHz盲點(diǎn)、變道輔助雷達(dá)為主；Bosch的毫米波雷達(dá)主要以77GHz為主，覆蓋的面比較廣，有長距（LRR）、中距（MRR）以及用于車后方的盲點(diǎn)雷達(dá)。Continental在毫米波雷達(dá)產(chǎn)品方面既有24GHz，也有77GHz，性能做得還不錯。Delphi以77GHz毫米波雷達(dá)為主，采用較為傳統(tǒng)的硬件方案，成本比較高，性能不俗。

毫米波雷達(dá)測距原理很簡單，就是把無線電波（毫米波）發(fā)出去，然后接收回波，根據(jù)收發(fā)的時間差測得目標(biāo)的位置數(shù)據(jù)和相對距離。根據(jù)電磁波的傳播速度，可以確定目標(biāo)的距離公式為：S=ct/2，其中s為目標(biāo)距離，t為電磁波從雷達(dá)發(fā)射出去到接收到目標(biāo)回波的時間，c為光速。

毫米波雷達(dá)測速是基于多普勒效應(yīng)（Doppler Effect）原理。所謂多普勒效應(yīng)就是，當(dāng)聲音、光和無線電波等振動源與觀測者以相對速度v運(yùn)動時，觀測者所收到的振動頻率與振動源所發(fā)出的頻率有不同。


到這已經(jīng)講了超聲波和毫米波雷達(dá)，那么這兩種波到底有什么區(qū)別呢？“超聲波”是超過人耳聽覺上限的“聲波”，即是一種人耳聽不到的“聲波”，“超聲波”的頻率超過20kHz，頻率范圍在20KHz~500KHz，它是由機(jī)械振動產(chǎn)生的，在空氣中傳播速度和聲音相同，每秒約340米，其方向性很好。

“電磁波”是由不斷變化的電場和磁場互相激發(fā)形成的，傳播速度和光速相等，每秒30萬公里。超聲波和電磁波（含“微波”在內(nèi)：“微波”的頻率，介于“超短波”和“毫米波”之間，屬于電磁波范疇。）的主要區(qū)別：1、振蕩源不同，2、傳播速度不同。所以，“電磁波”和“微波”都不屬于“超聲波”。

與激光雷達(dá)圖像相比，毫米波雷達(dá)圖像具有低精度和低分辨率。毫米波雷達(dá)無法正確判斷物體的形狀，換句話說，無論前方是鹿還是樹，對于毫米波雷達(dá)來說可能檢測出來的都是一個點(diǎn)而已，出于這個原因，毫米波雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)通常與攝像機(jī)和其他傳感器系統(tǒng)進(jìn)行配合。





05

激光雷達(dá)LiDar

激光雷達(dá)是光探測和測距的縮寫（Light Detection and Ranging）。該技術(shù)使用近紅外光掃描物體并創(chuàng)建環(huán)境的3D地圖，這就是它的工作原理。激光雷達(dá)傳感器的激光束被發(fā)射出去并再返回回來，根據(jù)收到的信息，激光雷達(dá)系統(tǒng)會創(chuàng)建一個看起來像陰影的點(diǎn)云，并反映物體的形狀和大小。


激光雷達(dá)的歷史可以追溯到20世紀(jì)60年代，隨著激光器的發(fā)明，激光驅(qū)動技術(shù)變得非常流行。如今，激光雷達(dá)技術(shù)有很多應(yīng)用，如測量大氣層中的云層、地形勘探等。


激光雷達(dá)技術(shù)是迄今為止最準(zhǔn)確的自動駕駛技術(shù)，它能掃描汽車周圍的環(huán)境并創(chuàng)建精確的3D圖像，能覆蓋車輛周圍環(huán)境的360度視圖。激光雷達(dá)傳感器可以識別各種物體，其不僅能看到道路、車輛和行人還可區(qū)分車輛類型、行人、兒童、動物和其他可能需要特殊預(yù)防措施的物體，如減速帶；此外激光雷達(dá)還可跟蹤物體運(yùn)動及其方向，這些信息對無人駕駛車輛至關(guān)重要。

激光雷達(dá)有機(jī)械式和固態(tài)兩種，目前自動駕駛領(lǐng)域使用最多的是機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)：首先在豎直方向上排布多束激光（即所謂的16、32或64線等激光雷達(dá)），從而由“線”構(gòu)成“面”，通過不斷旋轉(zhuǎn)激光發(fā)射頭形成多個面，最終達(dá)到動態(tài)3D掃描的目的，這也就是為什么幾乎所有的無人駕駛汽車都會有個不停旋轉(zhuǎn)的球了。


機(jī)械式激光雷達(dá)目前成本普遍偏高，相比幾年前，激光雷達(dá)價格雖已經(jīng)降了很多，但依然讓人望而卻步，Google生產(chǎn)的單個激光雷達(dá)傳感器售價75,000美元，盡管該公司已經(jīng)將價格降低了90％；領(lǐng)先的激光雷達(dá)供應(yīng)商Velodyne雖產(chǎn)品線豐富但同樣也是價格高昂。
 
 

機(jī)械式激光雷達(dá)除了價格高，由于需要通過旋轉(zhuǎn)將射出的激光定在不同方向進(jìn)行掃描，因此也額外增加了很多移動部件，進(jìn)一步增加了額外的維護(hù)成本，其次還影響美觀。


為了進(jìn)一步降低激光雷達(dá)成本并提高其可靠性，最近這兩年激光雷達(dá)領(lǐng)域出現(xiàn)了一款或?qū)㈩嵏舱麄€行業(yè)的產(chǎn)品-固態(tài)激光雷達(dá)，所謂的固態(tài)就是不需要旋轉(zhuǎn)，而且成本也將大大降低，在固態(tài)LiDar領(lǐng)域最吸睛的公司莫過于Quanergy，其固態(tài)雷達(dá)產(chǎn)品可將成本壓縮到200多美元以下，相信將大大推動自動駕駛的發(fā)展。


固態(tài)激光雷達(dá)之所以能做到小巧、可靠且成本低廉，主要是采用了一種光學(xué)相控陣技術(shù)（OPA -Optical Phased Array）。



提到相控陣技術(shù)，我們腦海里首先映入的是軍事上的相控陣?yán)走_(dá)，的確，軍事雷達(dá)最初也是機(jī)械旋轉(zhuǎn)式的，雷達(dá)探測目標(biāo)距離的原理：雷達(dá)波從發(fā)射到從目標(biāo)返回的總時間，乘上光速為目標(biāo)距離的兩倍。



而相控陣?yán)走_(dá)不是“一個雷達(dá)”，本質(zhì)上，它是很多個“傳統(tǒng)雷達(dá)”的共同體。相控陣?yán)走_(dá)的天線由無數(shù)個小單元天線組成，這些小單元天線叫做“陣元”，對于有源相控陣?yán)走_(dá)來說，每一個陣元都是獨(dú)立控制的，它們既能獨(dú)立發(fā)射雷達(dá)波，也能接收雷達(dá)波的回波信號。“相控陣”就是控制每個陣元產(chǎn)生電磁波的相位與幅度，以此強(qiáng)化電磁波在指定方向上的強(qiáng)度，并壓抑其他方向的強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)讓電磁波束的方向發(fā)生改變。


同理，采用光學(xué)相控陣技術(shù)（技術(shù)背景貌似是大學(xué)物理所學(xué)的光柵衍射：通過改變不同縫中入射光線的相位差即可改變光柵衍射后中央明紋（主瓣）的位置。）該技術(shù)可以通過電信號控制陣列中相鄰發(fā)射光線的相位差，達(dá)到改變模塊整體發(fā)射激光的方向和角度，而成百上千的發(fā)射單元組成一個陣列，通過控制發(fā)射單元就能讓一個平面實(shí)現(xiàn)3D空間的掃描，達(dá)到與旋轉(zhuǎn)機(jī)械式雷達(dá)一樣的效果。


相比機(jī)械式激光雷達(dá)，固態(tài)激光雷達(dá)具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、掃描速度高、掃描精度高等優(yōu)點(diǎn)，但也有相應(yīng)的缺點(diǎn)，即掃描角度有限，當(dāng)配置固態(tài)激光雷達(dá)時，要實(shí)現(xiàn)全方位掃描，需在不同方向布置多個（至少前后兩個）固態(tài)激光雷達(dá)；其次加工難度高，這也是導(dǎo)致固態(tài)激光雷達(dá)還未被大規(guī)模采用的原因。但不管如何，其低成本、小尺寸的巨大優(yōu)勢無疑彌補(bǔ)了機(jī)械式激光雷達(dá)的很多不足，相信也是未來的主流應(yīng)用趨勢。

激光雷達(dá)相比超聲波和毫米波雷達(dá)，最大的問題是激光雷達(dá)傳感器受天氣條件的影響很大，其無法在霧，雪或灰塵中提供精確的環(huán)境圖像，因此一般來說激光雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)必須始終與其他輔助傳感器進(jìn)行配合。

06

總結(jié)

此次將自動駕駛領(lǐng)域應(yīng)用的主要傳感器進(jìn)行了粗略的介紹，高精度地圖和超聲波雷達(dá)最后不再贅述。從本質(zhì)上講，激光雷達(dá)不能代替毫米波雷達(dá)進(jìn)行自動駕駛，反之亦然。兩種汽車傳感器系統(tǒng)都有其優(yōu)勢和局限性。至于激光雷達(dá)與雷達(dá)精度，答案是顯而易見的。從成本方面，激光雷達(dá)傳感器毫無疑問比毫米波雷達(dá)高很多，這是因?yàn)槭褂肨oF的LiDar需要成本更高的高速電子設(shè)備,其次該需要CCD接收器、光學(xué)器件、電機(jī)和激光器等來產(chǎn)生和接收所使用的波，Radar則只需要一些固定天線。

從對計(jì)算能力的要求上，Radar傳感器往往會產(chǎn)生更少的數(shù)據(jù)，因?yàn)樗鼈冎环祷匾粋€點(diǎn)或幾十個點(diǎn)。LiDar傳感器則發(fā)送和接收大量有關(guān)每個激光點(diǎn)范圍的數(shù)據(jù)。因此Lidar對算力的要求比Radar更高。如果你的目標(biāo)是檢測你前面一輛汽車，并獲得它的速度，Radar可能會適合。如果您要確定目標(biāo)的精確位置，生成準(zhǔn)確的環(huán)境信息，LiDar可能會更好，下面這張圖從不同的維度對這兩種傳感器的性能進(jìn)行了比較。

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