蔣婷

（北京市海淀區(qū)清河街道小營(yíng)西路20號(hào)，北京 100081）

隨著互聯(lián)網(wǎng)和人工智能的進(jìn)步，無人駕駛技術(shù)飛速發(fā)展，已成為社會(huì)的熱點(diǎn)研究方向。在2017未來論壇年會(huì)上，前谷歌全球副總裁、創(chuàng)新工場(chǎng)董事長(zhǎng)兼首席執(zhí)行官李開復(fù)在演講中表示，“未來智能交通最大的阻礙是人類，但無人駕駛技術(shù)的應(yīng)用將打破人類對(duì)智能交通的阻礙?！笨梢钥闯?，無人駕駛技術(shù)被寄予厚望，具有非常大的商業(yè)潛力。

1 無人駕駛技術(shù)的概述

無人駕駛是指以計(jì)算機(jī)為中心所構(gòu)建的智能系統(tǒng)，賦予汽車環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、車輛自動(dòng)控制的能力，或者通俗地說，無人駕駛汽車是一類能夠?qū)崿F(xiàn)智能駕駛的汽車。它利用車載傳感器來感知車輛的周邊環(huán)境，包括道路信息、行人信息、指示牌信息等，然后根據(jù)所獲得的信息對(duì)車速和轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，從而安全、可靠地在道路上行駛。從另一個(gè)角度說，無人駕駛汽車是一種簡(jiǎn)單的輪式機(jī)器人，通過對(duì)周圍障礙物的動(dòng)態(tài)分析和對(duì)路況、路徑的分析來實(shí)現(xiàn)仿人類駕駛。

根據(jù)美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局在2013年發(fā)布的文件，自動(dòng)駕駛可以分為5個(gè)等級(jí)：

L0：無自動(dòng)化，需要駕駛員進(jìn)行道路觀察、汽車駕駛、汽車控制等操作；

L1：具有自動(dòng)化的單一功能，為駕駛員提供技術(shù)支援，比如常見的自適應(yīng)巡航、車道保持、自動(dòng)緊急剎車等，此時(shí)駕駛員需要對(duì)行車安全進(jìn)行負(fù)責(zé)；

L2：具有多個(gè)自動(dòng)化功能，此時(shí)駕駛員與汽車分享控制權(quán)，駕駛員可以在某些預(yù)設(shè)條件下不操作汽車，但需要隨時(shí)準(zhǔn)備接管汽車控制權(quán)；

L3：有條件的無人駕駛，在簡(jiǎn)單道路環(huán)境下，比如高速公路或人流較少的城市路段，汽車可以自動(dòng)駕駛并承擔(dān)安全責(zé)任，此時(shí)駕駛員仍需要在某些條件下干預(yù)汽車駕駛；

L4：為無人駕駛的最高等級(jí)，此時(shí)已完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，不需要駕駛員的任何操作，只需起點(diǎn)和終點(diǎn)位置，汽車就能抵達(dá)并負(fù)責(zé)行車安全。

綜上所述，無人駕駛的終極目標(biāo)為L(zhǎng)4級(jí)自動(dòng)駕駛。目前的無人駕駛或自動(dòng)駕駛技術(shù)都是通過雷達(dá)和攝像頭捕捉汽車周邊的環(huán)境數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息后，傳輸給計(jì)算機(jī)，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)人工智能技術(shù)和電子地圖對(duì)汽車當(dāng)前的狀況進(jìn)行分析，作出最優(yōu)判斷。但從軟硬件等方面考慮，目前的無人駕駛還處于較為低級(jí)的水平，大部分車企能夠?qū)崿F(xiàn)L2級(jí)自動(dòng)駕駛，少部分車企（比如特斯拉）能達(dá)到自動(dòng)駕駛L3級(jí)水平。

2 無人駕駛傳感系統(tǒng)的概述

無人駕駛的研究目標(biāo)是能夠?qū)崿F(xiàn)汽車的全自動(dòng)駕駛，就必須依賴于高質(zhì)量的硬件系統(tǒng)，特別是高精度、高準(zhǔn)確性的傳感器系統(tǒng)。無人駕駛傳感系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分。

（1）導(dǎo)航系統(tǒng)。導(dǎo)航系統(tǒng)包括車輛定位、路徑規(guī)劃、路徑指導(dǎo)等多個(gè)模塊，能夠協(xié)助車輛在陌生的環(huán)境中準(zhǔn)確駕駛。現(xiàn)如今，導(dǎo)航系統(tǒng)多已經(jīng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新，能夠向駕駛員播報(bào)當(dāng)前道路的擁堵狀況，從而能夠有效減少交通堵塞，降低交通事故的概率。

（2）定位系統(tǒng)。定位系統(tǒng)通過多種傳感器與GPS相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)車輛位置的精確定位，能夠?yàn)槠囘\(yùn)動(dòng)測(cè)量提供最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，是路徑規(guī)劃、路徑指導(dǎo)等其他功能的前提和基礎(chǔ)。

（3）機(jī)器視覺系統(tǒng)。機(jī)器視覺系統(tǒng)通常包括彩色相機(jī)、三維激光攝像頭和雷達(dá)這3部分，能夠?qū)ζ囆旭偟闹車闆r進(jìn)行近距離勘測(cè)，用于校正導(dǎo)航系統(tǒng)和定位系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果，從而確保行車安全。

（4）交通標(biāo)志識(shí)別系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常采用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，有時(shí)也會(huì)集成在機(jī)器視覺系統(tǒng)中。交通標(biāo)志識(shí)別系統(tǒng)由彩色相機(jī)和控制中心組成，相機(jī)對(duì)道路兩旁和道路上方進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，并將圖像傳輸?shù)娇刂浦行?；控制中心可以基于圖像特征（比如顏色、形狀等）進(jìn)行交通標(biāo)志牌的檢測(cè)，并將結(jié)果傳遞至無人駕駛控制中心，輔助車輛的行駛決策。

（5）動(dòng)態(tài)避障系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)避障系統(tǒng)能夠判斷車輛前方是否存在障礙物、障礙物是運(yùn)動(dòng)還是靜止，并在運(yùn)動(dòng)的車輛坐標(biāo)系中計(jì)算障礙物的絕對(duì)坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)軌跡，判斷障礙物的運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，最終交由控制中心選擇合適的避障策略。

3 無人駕駛傳感器系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

（1）導(dǎo)航系統(tǒng)。好的導(dǎo)航系統(tǒng)無疑是無人駕駛的基礎(chǔ)。目前，GPS系統(tǒng)發(fā)展迅速，在民用層面的精度能夠達(dá)到5m以內(nèi)，是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)中路線規(guī)劃功能的技術(shù)基礎(chǔ)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新興技術(shù)也被應(yīng)用在無人駕駛導(dǎo)航系統(tǒng)中，用來實(shí)時(shí)監(jiān)控氣候數(shù)據(jù)和路面情況，從而做出最省時(shí)、最便捷、最安全的道路規(guī)劃。

（2）定位傳感器系統(tǒng)。①差分GPS定位系統(tǒng)。傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)由于受到大氣的密度、電離層、對(duì)流層、傳播延遲等因素的干擾，不能全天候準(zhǔn)確地進(jìn)行定位。如今應(yīng)用最廣泛的定位系統(tǒng)是差分GPS定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過4個(gè)衛(wèi)星在不同位置對(duì)汽車進(jìn)行定位，再將位置信息發(fā)送到地面上的同一個(gè)基站，再由這個(gè)基站發(fā)射信號(hào)追蹤汽車的位置進(jìn)行修正。差分GPS定位系統(tǒng)能夠使用信息反饋來避免定位中的噪聲干擾和誤差，使得定位精度有了很大提高，可以達(dá)到cm級(jí)。但是，基于GPS的定位方法受環(huán)境的影響較大，高樓、樹木、隧道都會(huì)屏蔽GPS信號(hào)，汽車在高樓林立的城市中行駛時(shí)很容易造成定位的偏差，因此還需其他傳感系統(tǒng)輔助。另外，由于GPS的更新頻率低（10Hz），在車輛快速行駛時(shí)很難給出精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)定位。②慣性傳感器。慣性傳感器是可以檢測(cè)和測(cè)量加速度、傾斜、沖擊、振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和多自由度運(yùn)動(dòng)的傳感器，是解決導(dǎo)航、定向和運(yùn)動(dòng)載體控制的重要部件?；A(chǔ)的慣性傳感器通常由加速度計(jì)與角速度計(jì)組成，在對(duì)慣性傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，可以實(shí)時(shí)得出車輛的位移與轉(zhuǎn)動(dòng)信息，但慣性傳感器自身也存在偏差與噪音較大的問題。

因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中，多使用基于卡爾曼濾波的傳感器融合技術(shù)，融合GPS與慣性傳感器數(shù)據(jù)，以達(dá)到較好的定位精度。另外，有的學(xué)者和公司還會(huì)使用激光點(diǎn)云與高精地圖匹配、視覺里程計(jì)算等定位方法，讓多種定位方法互相糾正，以達(dá)到更精準(zhǔn)的效果。

（3）機(jī)器視覺傳感器。一些無人駕駛汽車的機(jī)器視覺傳感器系統(tǒng)由車頭兩側(cè)的長(zhǎng)距攝像頭、車身四角的短距雷達(dá)組成。短距雷達(dá)可以迅速偵測(cè)車輛周圍的動(dòng)態(tài)事物，避免交通事故；車前擋風(fēng)處的攝像頭負(fù)責(zé)識(shí)別交通標(biāo)志，后擋風(fēng)處的攝像頭拍攝街景，通過與導(dǎo)航中的地形對(duì)比和辨別來確定車輛的精確位置。

（4）交通識(shí)別系統(tǒng)。當(dāng)前交通信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)能夠通過相機(jī)拍照識(shí)別出是圖形信號(hào)，還是箭頭型信號(hào)。若是圖形信號(hào)燈，進(jìn)行顏色識(shí)別、顏色驗(yàn)證、狀態(tài)識(shí)別、輸出結(jié)果；若是箭頭性信號(hào)燈，進(jìn)行顏色和方向的驗(yàn)證、狀態(tài)識(shí)別，最后輸出結(jié)果。

（5）動(dòng)態(tài)避障系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)避障系統(tǒng)的關(guān)鍵在于對(duì)障礙物的路徑追蹤，而目前激光雷達(dá)所感知的只是較為靜態(tài)的路面環(huán)境問題，不能夠?qū)崟r(shí)追蹤障礙物的路徑，因此當(dāng)前的傳感器技術(shù)仍處于發(fā)展的基礎(chǔ)階段。

4 無人駕駛傳感器的未來發(fā)展方向

（1）傳感器的材料。無人駕駛汽車不僅要在炎熱的赤道地區(qū)工作，也要經(jīng)受住極地的嚴(yán)寒考驗(yàn)，所以傳感器的材料需要耐高溫、耐寒，能夠應(yīng)對(duì)極端環(huán)境。這對(duì)傳感器材料的研發(fā)提出了要求，是未來傳感器發(fā)展的重要方向。

（2）傳感器的靈敏度。2016年5月，美國(guó)1輛特斯拉轎車在自動(dòng)駕駛模式下與1輛正在左轉(zhuǎn)的卡車相撞，造成駕駛員不幸遇難。在之前的2016年1月，我國(guó)也發(fā)生了一起特斯拉轎車的自動(dòng)駕駛死亡事故。上面的案例說明，現(xiàn)在的傳感器系統(tǒng)還并未達(dá)到十分完美的程度，在大風(fēng)、大霧、暴雨等極端天氣下，雷達(dá)、攝像頭的感知效果容易受到影響，并且由于色彩飽和度與晴天時(shí)不一樣，交通信號(hào)燈的識(shí)別也會(huì)受到相應(yīng)的影響。未來傳感器會(huì)向更高靈敏度的方向發(fā)展，能夠應(yīng)對(duì)各種突發(fā)情況。

（3）視覺傳感器的進(jìn)一步應(yīng)用。人們通過眼睛獲取到的信息約占信息總量的80%。目前，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化、實(shí)用化，鏡頭、高速相機(jī)、光源、圖像軟件、圖像采集卡、視覺處理器等相關(guān)的產(chǎn)品功能日益完善。無人駕駛中，可以應(yīng)用視覺傳感器實(shí)現(xiàn)視覺定位、視覺導(dǎo)航、目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)識(shí)別等。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著技術(shù)的進(jìn)步，無人駕駛得到飛速發(fā)展。本文介紹了無人駕駛汽車的傳感器系統(tǒng)的主要部件，以及各傳感器系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及方向。雖然無人駕駛?cè)悦媾R多種技術(shù)性和非技術(shù)性的挑戰(zhàn)，需要從業(yè)者完善無人駕駛技術(shù)體系和相關(guān)法規(guī)法律體系；但是無人駕駛已經(jīng)成為汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，在未來必定會(huì)成為我們生活的一部分，真正實(shí)現(xiàn)智能交通。