無人駕駛汽車環境感知技術綜述

馬佃波

（吉林大學 130012)

無人駕駛汽車環境感知技術綜述

馬佃波

（吉林大學 130012)

無人駕駛汽車的相關技術一直是當今科學技術研究中的重中之重，它對國防、科學技術的發展以及整個社會的經濟都有重要的影響作用。無人駕駛汽車的相關技術涉及了很多知識，需要大量專業人才為之奮斗。其中，環境感知技術就相當于無人駕駛汽車的眼睛，將影響著整個無人駕駛汽車的安全性和穩定性，因此，本文主要分析了當前國內外無人駕駛汽車的發展現狀以及現有的無人駕駛汽車環境感知系統，對無人駕駛汽車環境感知系統中的傳感器進行了研究。

無人駕駛；汽車；環境；感知

科技發展的腳步從未停止，人工智能機器人及人工智能系統已然成為新世紀科技發展的主向。作為人工智能機器人的分支，無人駕駛汽車的發展在整個社會和科學技術的發展中都具有非常重要的影響。無人駕駛汽車可以通過車上安裝的攝像頭或雷達感知道路情況，及時傳遞各種危險情況給駕駛系統，并且在駕駛員沒有及時做出反應的危急時刻自動采取安全措施，提升駕駛汽車的安全性。

在道路行駛中，可以通過視覺傳感器檢測汽車是否行駛在車道內，有無偏離，還會識別行駛過程中道路上的各種標識物和紅綠燈。在無人駕駛技術中，環境感知技術是其組成單元中較為重要的一個單元，將直接決定無人駕駛汽車的整體水平，一直是無人駕駛技術中研究的重點。

1 國內外無人駕駛汽車發展現狀

1.1 國外無人駕駛汽車發展現狀

目前對無人駕駛技術研發投入最多且研究較為深入的國家就是美國了，其從1970年開始就一直注重無人駕駛技術的發展，在各個有能力的單位、學校、研究院投入大量資金進行科學研究，推動了無人駕駛汽車的發展，并取得了非常好的研究成果。

在2011年，英國的牛津大學改裝了一輛越野型無人駕駛汽車，該車在行駛中可以不用GPS，而是采取激光雷達感知道路情況，可以行駛在山路中[1]。

2014年寶馬在德國展示了其最新的無人駕駛技術，車輛在將出現碰撞時，系統會警告駕駛員，并在必要時自動停車。

1.2 國內無人駕駛汽車發展現狀

我國在無人駕駛技術的研究上則稍晚一些，在1980年，由哈爾濱工業大學、自動化研究所與國防科技大學三家單位組成的研發團體開始啟動“遙控駕駛的防核化偵察車”項目。在1985年研制出我國第一輛無人駕駛汽車ATB-1。

在國內，國防科技大學的無人駕駛技術研究水平處在最前列。2002年成功研制出一輛可以在行駛過程中自主檢測道路障礙物并自行換車道的無人駕駛汽車“紅旗CA7460”，其最高車速為100 km/h。清華大學也于2006年研制出可以分為高速和城區兩種環境下不同駕駛模式的無人駕駛汽車，其最高時速為100 km/h[2]。

從2009年起到2016年，我國每年舉辦一次無人駕駛汽車比賽，至今已經舉辦了八屆。此項比賽大大推進了我國無人駕駛技術的發展，但是仍與西方發達國家存在較大的差距。

2 無人駕駛汽車環境感知系統研究現狀

2.1 Boss無人駕駛汽車的環境感知系統

Boss無人駕駛汽車的感知系統是由兩個相機，九個激光雷達和兩個IBEO組成。其中九個雷達又分為一個三維激光雷達，六個二維激光雷達和兩個毫米波雷達。雷達主要用來檢測靜態的障礙，當道路前存在障礙物時，首先由雷達檢測并生成相應的障礙物地圖，如果障礙物為移動障礙物時，會自動從障礙物地圖中剔除。

2.2 Junior無人駕駛汽車的環境感知系統

Junior無人駕駛汽車的感知系統是先由一個測量單元通過與衛星系統相連接感知車輛當前的具體位置。在車輛兩邊安裝兩個傳感器，通過激光感知車輛前方路面情況，并生成車輛周圍路面的3D結構。在車頂、尾部和保險杠處分別安裝2個激光傳感器，感知車輛周邊的障礙物。把多個傳感器感知測量一個時間段內的局部路面情況匯總，組成一個路面情況地圖，防止一個傳感器在一小段路面上存在盲點[3]。

2.3 Talos無人駕駛汽車的環境感知系統

Talos無人駕駛汽車的感知系統主要是由安裝在車前三個，車后四個的近距離傳感器組成，由這些傳感器感知車輛附近的障礙物情況。由車頂的激光雷達傳感器感知車輛周圍障礙物和路面情況，而且該傳感器傳回的信息分類較為精細，能夠明確區分是障礙物還是路面的信息，并且根據不同分類建立相應地圖結構。

但是車頂的激光雷達傳感器檢測也存在盲區，因此在其附近安裝五個近距離傳感器俯視車輛周邊的路面情況，能夠有效避免盲區。由安裝在車身周圍的五個相機進行視覺環境感知，檢測車周車道線。由安裝的十五個毫米波雷達檢測遠距離的障礙物。

2.4 Google無人駕駛汽車的環境感知系統

Google無人駕駛汽車的感知系統是由車頂安裝的激光雷達來檢測與車輛周邊障礙物的距離，并反饋回系統創建三維地圖。由安裝的毫米波雷達負責檢測車輛附近的障礙物和激光雷達的盲區，如在盲區發現障礙物則會報警。由安裝在車窗處的相機檢測車輛是否正確行駛在車道內，如發現偏離車道則會發出預警。

安裝在車窗處的紅外線相機用于夜間檢測路面情況，并在儀表盤上顯示出來，尤其是障礙物會突出顯現。由安裝的可見光攝像機檢測周圍可視路面情況并形成三維圖。通過以上感知系統搜集信息并傳送給Google數據庫，由Google的數據處理中心進行處理。但是整個Google無人駕駛汽車無法處理一些不可預知的情況，尚且還無法做到與人駕駛的汽車和平共處[4]。

3 無人駕駛汽車環境感知系統中傳感器的研究

3.1 視覺傳感器

視覺傳感器在整個環境感知系統中占據了非常重要的地位，相當于無人駕駛汽車的眼睛。它主要用于檢測路面的車道線、路邊各種標識以及紅綠燈等。視覺傳感器的優點是價格便宜，可以量產，體積小方便安裝在各種地方，可以識別顏色。但是容易受外界環境干擾，比如當天氣非常好、光線很強時，由于強光直射有的物體在光線照射下會出現反光的現象，從而使相機過度曝光；當天氣不好、光線弱時，有的地方背光或者光線不足，會使得相機曝光不足。這些情況都會影響相機的拍攝質量，影響最終的檢測結果。

相機安裝的位置也會影響最終檢測的結果，當相機安裝在車輛外部時，外界的光線、天氣情況都會對相機拍攝產生影響。當相機安裝在車輛內部時，車窗上的污漬和反光也會影響到拍攝質量。所以，無論相機安裝在何處，都要做好防護措施，避免光線對拍攝產生影響。

同時，無人駕駛汽車的運動狀態也會對視覺感知系統產生影響。由于傳感器是安裝在汽車機體上的，其狀態會和汽車當前狀態保持一致，在加上拍攝幀數有限，當無人駕駛汽車保持較高時速運動時，相機拍攝的圖像會模糊，質量也差，沒有靜態狀態下拍攝的清晰。

3.2 二維激光雷達

二維激光雷達常與三維激光雷達配合使用，由于三維雷達一般安裝的位置較高，往往會出現盲區，而二維雷達就是檢測無人駕駛汽車周邊的障礙物，解決盲區問題。二維激光雷達通過掃描來測量汽車周邊區域內的物體與自身之間的距離以及相對于自身坐標系的角度，而且還可以設置各種不同角度下的分辨率和掃描的頻率，這將影響到表達每次輸出光束的測量距離的方式。

為了能夠及時收取雷達每次測量的數據，一般都會選用網絡接口作為雷達與上機位之間的傳輸方式，首先建立一個IP連接雷達與上機位，雷達通過此連接接收上機位發送的掃描請求，然后雷達再通過網絡接口按照人工設定好的頻率向上機位傳輸數據。

3.3 三維激光雷達

三維激光雷達是目前無人駕駛汽車中應用最多的一類傳感器，它是把很多單線的激光組合在一起形成的，具有非常高的距離、角度和速度分別率、非常強的抗干擾能力等優勢，還可以獲取三維信息。在無人駕駛汽車中應用三維激光雷達，可以獲取更為全面的信息。它的掃描范圍在水平方向上為360°，最遠檢測距離為120 m，可以在除了雨霧等惡劣天氣的任何環境下使用。一般來說雷達安裝的位置和擺放的姿勢都會影響到其檢測的范圍，所以一般在無人駕駛汽車中，都會把三維激光雷達安裝在車頂的位置，這樣可檢測的范圍更廣[5]。

4 結束語

無人駕駛汽車的環境感知技術值得我們進行更加深入的研究，環境感知技術在無人駕駛汽車技術研究中占據著非常重要的地位，它的優劣將影響著整個駕駛過程的安全性與穩定性。而且環境感知技術包括的內容非常多，如傳感器方面的知識、計算機知識、計算機的圖像處理、對圖像的理解認知以及傳感器與計算機信息相融合的技術等等，需要更多專業人才為之努力，投身科研事業。

雖然直到現在，我國還沒有完全實現真正的無人駕駛，但是國家出臺了很多對其有利的政策，并且對各個參與研究的學校、研究院、企業進行扶持，無人駕駛汽車的相關技術一直在快速發展中，相信在不久的將來，我國就會實現真正的無人駕駛。

[1]馬飛躍,王曉年. 無人駕駛汽車環境感知與導航定位技術應用綜述[J]. 汽車電器,2015,(02):1-5.

[2]王貴槐,萬劍. 汽車安全輔助駕駛支持系統信息感知技術綜述[J]. 交通與計算機,2008,(03):50-54.

[3]王世峰,戴祥,徐寧,張鵬飛. 無人駕駛汽車環境感知技術綜述[J]. 長春理工大學學報(自然科學版),2017,(01):1-6.

[4]陳龍. 城市環境下無人駕駛智能車感知系統若干關鍵技術研究[D].武漢大學,2013.

[5]王藝帆. 自動駕駛汽車感知系統關鍵技術綜述[J]. 汽車電器,2016,(12):12-16.

U472.41 文獻標示碼：A

馬佃波（1991—），男，碩士，主要研究方向為汽車造型設計，無人駕駛汽車巡航控制算法。