淺談無人車環境感知技術與發展趨勢

周魁喜

摘 要：無人車是指無需人員操控的集環境感知、路徑規劃、自動控制等功能于一身的地面自主移動車輛系統，可輔助或代替人類在復雜地形條件下完成既定任務。無人車技術是當今前沿科技的重要發展方向，它是一個國家計算機科學、模式識別和智能控制技術發展水平的體現，也是衡量一個國家科研實力和工業水平的重要標志。無人車環境感知技術是無人車其它技術研究的前提條件，本文簡要介紹了無人車環境感知技術的概念、基本分類及發展現狀和趨勢。

關鍵詞：無人車；環境感知；傳感器；發展趨勢

二十一世紀以后，隨著信息技術、智能控制技術、仿真技術等的飛速發展，無人駕駛技術的發展和應用得到了極大的推動。20世紀80年代，美國開發了一種可以在校園道路上自由行駛的8輪無人駕駛車輛。上世紀90年代末，美國國防部開始開發無人駕駛汽車，并成功研制了DEMOIII無人駕駛車。該車采用CCD、激光雷達、微波等多傳感器融合系統，實現對環境的感知和障礙物的檢測。

我國無人駕駛汽車的研究工作相對滯后，大多采用校企合作的方式。1992，中國國防部成功研制了第一輛真正的無人駕駛汽車。該車采用雙目視覺技術檢測車道線和交通標志。2015，百度無人駕駛車在北京完成了全自動駕駛測試，實現了車輛減速、車道變換、上下坡道等操作，完成了不同道路場景的切換。

一、 環境感知的概念

無人駕駛車輛的環境感知是指通過在平臺上安裝的環境感知傳感器獲取的環境信息，而綜合決策控制系統所能理解的環境是自主路徑規劃和決策前提。所使用的傳感器包括激光雷達、毫米波雷達、可見光相機和紅外攝像機。根據傳感器的性能指標，可以滿足傳感器的裝配方案，滿足建模要求。

二、 環境感知系統的組成

環境傳感系統一般包括傳感器、傳感器數據處理和多傳感器數據融合3個子系統。傳感器系統通常使用相機、激光雷達、超聲波傳感器、微波雷達和其他車輛傳感器來感知環境。在各種光照和天氣條件下，單一傳感器難以滿足環境意識的需要。多傳感器融合可以將空間和時間之間的互補和冗余信息結合起來，結合一些優化準則，提煉和產生觀測環境的一致性解釋或描述，以及無人地面平臺的自適應路徑規劃，為自主導航提供了必要和可靠的信息。多傳感器融合技術應用于大多數無人飛行器系統中，如視覺傳感器具有良好的角分辨力，但無法獲得距離信息，雷達分辨力差的測距設備可以獲得準確的距離信息和深度信息。

三、 感知技術的分類

（一）微波雷達

微波雷達應用于上世紀60年代的汽車防撞系統中。其中最具代表性的是福特和伊頓共同開發的Vorad微波車輛雷達防撞系統。該系統可檢測出左右目標，在有危險時發出聲光報警，并可與汽車制動機構連接，實現自動制動。它是當今世界上最成功的汽車雷達防撞系統。然而，與毫米波雷達相比，微波雷達具有分辨率低、體積大等缺點，使得其在汽車防撞系統中的應用遠遠小于毫米波雷達。

（二）毫米波雷達

毫米波雷達的波長為1～10毫米。它位于微波和遠紅外波重疊的波長范圍內。因此，它具有兩種光譜特征。毫米波的理論和技術是微波向高頻的延伸和光波向低頻的發展。毫米波雷達通過在頻域中在24GHz到300 GHz發射具有一定斜率的連續調頻信號來感知周圍環境信息。當檢測到前方障礙物時，將具有相同斜率的信號反射回來并反射信號，并通過混頻器獲得頻率信號，從而計算目標障礙物的速度、距離和角度值。毫米波雷達具有毫米波波長，對煙霧和煙霧有很強的穿透能力。同時毫米波雷達具有體積小、重量輕、穿透能力強、適應各種氣象條件等優點，被廣泛應用于需要環境感知和障礙物的無人飛行器等移動機器人系統中。沈陽自動化與納米技術研究所也開展了基于毫米波雷達的汽車防撞系統的研究。

（三）超聲波傳感器

超聲波傳感器通過發送一系列高于20000 Hz的波頻來實現對環境的感知，并通過計算聲發射和接收的時間間隔來獲得被檢測目標的距離信息。超聲波傳感器體積小、響應快、價格低廉，廣泛應用于各種移動機器人中。它是移動機器人中最常用的測距傳感器之一。然而，超聲波傳感器發出的聲信號向兩側衰減，發散到扇形區域，無法定位目標的特定位置，超聲波傳感器的檢測距離較短，測量誤差較大。當使用多個超聲波傳感器定位目標時，容易產生聲波的交叉接收，導致測量數據的混亂，增加了特征匹配的難度。

（四）紅外傳感器

紅外線測距是使用調制紅外光的精確測距。它是傳播過程中的紅外擴散原理。由于紅外線可以穿透物體，折射率很小，所以高精度測距將考慮紅外的應用。紅外測距儀具有結構簡單、使用方便、數據處理方便、測量范圍精度高、抗干擾能力強、幾乎不受被測物體尺寸和位置影響、廉價、安全、穩定等優點。同時，還存在測距距離短、測距精度低、方向性差等缺點。

（五）激光測距傳感器

激光傳感器通過掃描扇區來感知該區域中的障礙物。它利用飛行時間法測距，將激光脈沖發射的激光發射器分為兩個通道，一個進入接收器，另一個從鏡面到被測物體的表面，反射光通過反射鏡返回到接收器。通過測量發射脈沖與反射脈沖之間的時間間隔和光的乘積來測量被測量的障礙物之間的距離。

激光雷達實際上是一種在光學波段（特殊波段）工作的雷達。具有明顯的優勢：

（1）分辨率很高；

（2）較強的抗干擾能力；

（3）獲取的信息量豐富；

（4）整天工作。

因此，激光雷達廣泛應用于無人值守地面系統的環境地圖構建、自主定位、避障、軌跡跟蹤和導航等領域。

（六）視覺傳感器

視覺系統由于信息量大、采樣周期短、磁場和傳感器干擾小、光質量好、能耗小、使用方便等優點，在許多無人地面系統中得到了廣泛的應用。視覺傳感器將場景的光信號轉換為電信號。目前，用于獲取圖像的視覺傳感器主要是數字/工業相機。常見的圖像采集傳感器包括單目視覺、雙目立體視覺、多視點立體視覺等。

（1）單目相機對環境信息的感知較弱，在攝像機前僅獲得二維環境信息。

（2）雙目攝像機的視覺感知能力強于單目攝像機，能夠在一定程度上感知到三維環境信息，但距離信息感知不夠準確。

（3）全景相機具有較強的感知環境信息的能力，能夠在360度范圍內感知二維環境信息。獲得的信息量大，外部環境更容易表達。

視覺傳感器的缺點是感知距離信息差，難以克服光變化和陰影所造成的干擾。視覺圖像處理需要較長的計算時間。圖像處理過程復雜，動態性能差，難以適應實時性高的要求。

四、 感知技術的發展趨勢

近年來，無人地面車輛系統的環境意識系統在道路檢測和障礙識別方面取得了令人矚目的進展，特別是在結構化道路環境中，如車道保持輔助系統。但在城市道路、非結構化道路、室外環境和惡劣天氣中，地面車輛系統的感知面臨諸多問題。

1）城市環境

在城市道路中，道路交叉口檢測、道路標志和交通信號識別和行人識別是環境意識系統所面臨的挑戰。由于復雜背景、光照變化和拍攝角度的影響，很難實現精確、實時的地標檢測與識別。

2）野外環境

城市環境中道路的幾何描述可以解釋道路的可行性，但是地形必須在野外進行分析，包括對三維地形幾何特征的描述、地形覆蓋、檢測和可能的障礙分類。復雜場環境中的各種類型的水障礙，作為該領域最常見的障礙類型之一，對無人駕駛車輛的自主導航構成了極大威脅。在障礙物檢測領域中，凹形障礙物的檢測也是一個難點。

3）不同天氣和光照條件下的環境感知

在全天候條件下，環境感知仍存在許多問題。從理論上講，激光雷達和雷達不受天氣和光照條件的影響，前視紅外雷達也具有良好的夜間性能。然而，作為環境感知系統的重要組成部分，視覺系統在霧天和夜間性能等特殊天氣條件下不好。在這種情況下，對環境的認識還需要進一步研究。

參考文獻：

[1] 基于多特征的前方車輛檢測與跟蹤方法研究[D]. 張玲增.江蘇大學 2010