南佛羅里達(dá)大學(xué)孫宇：自動(dòng)駕駛五大傳感器，各有千秋優(yōu)劣均沾

本文作者：奕欣

2016-09-27 21:25

導(dǎo)語(yǔ)：自動(dòng)駕駛概念想必大家并不陌生，但對(duì)于其中發(fā)揮“眼睛”作用，眼觀六路耳聽(tīng)八方的各種傳感器，可能大家未必非常熟悉。

編者按：自動(dòng)駕駛概念想必大家并不陌生，但對(duì)于其中發(fā)揮“眼睛”作用，眼觀六路耳聽(tīng)八方的各種傳感器，可能大家未必非常熟悉。通常而言，為獲得良好的路況檢測(cè)結(jié)果，一輛自動(dòng)駕駛汽車會(huì)安裝多種傳感器，本文對(duì)自動(dòng)駕駛領(lǐng)域中一些普適性較強(qiáng)的傳感器進(jìn)行介紹，作者為南佛羅里達(dá)大學(xué)孫宇教授，雷鋒網(wǎng)編譯，未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載。

“自動(dòng)駕駛”已經(jīng)成為在諸多媒體上頻頻被提及的一個(gè)熱詞。Google、Uber等科技公司和通用、大眾等汽車巨頭均在自動(dòng)駕駛上投入巨大精力進(jìn)行研發(fā)，相關(guān)廠商也預(yù)計(jì)在3-5年內(nèi)，“具備自動(dòng)駕駛功能的汽車就能實(shí)現(xiàn)商用”。

必須說(shuō)明的是，“自動(dòng)駕駛”并不是什么新生事物，早在上個(gè)世紀(jì)50年代，美國(guó)無(wú)線電公司（Radio Corporation of America，RCA）宣稱其已經(jīng)掌握了自動(dòng)駕駛汽車的相關(guān)技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了一次距離為400英尺（120米左右）的自動(dòng)駕駛（參見(jiàn)雷鋒網(wǎng)文章《回望上世紀(jì)60年代，自動(dòng)駕駛汽車在當(dāng)時(shí)“近在咫尺”》）；而按照NHTSA和SAE對(duì)自動(dòng)駕駛的劃分，目前市場(chǎng)上在售的諸多具備車身穩(wěn)定系統(tǒng)、防抱死系統(tǒng)、自動(dòng)緊急制動(dòng)，牽引力控制系統(tǒng)等功能的汽車已經(jīng)達(dá)到了L1等級(jí)的自動(dòng)駕駛，而我們熟悉的Google自動(dòng)駕駛汽車，到目前為止亦未能達(dá)到L4等級(jí)的自動(dòng)駕駛。而目前業(yè)界討論的自動(dòng)駕駛，更多的是在L3-L4級(jí)別上。

南佛羅里達(dá)大學(xué)孫宇：自動(dòng)駕駛五大傳感器，各有千秋優(yōu)劣均沾

不同等級(jí)的自動(dòng)駕駛來(lái)說(shuō)具有不同的方案，也需要不同的傳感器。普遍應(yīng)用于自動(dòng)駕駛的傳感器主要有以下幾種：

2D 攝像頭、測(cè)距攝像頭、激光雷達(dá)、雷達(dá)、聲納、GPS、IMU /羅盤(pán)及里程計(jì)等。

由于自動(dòng)駕駛對(duì)車輛感知環(huán)境的要求極高，甚至要達(dá)到不遜于人類的水平，因此廠商通常會(huì)采用多種傳感器，以取長(zhǎng)補(bǔ)短。

而為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，交通工具需要感知以下數(shù)項(xiàng)指標(biāo)：

位置、方向、地圖、交通標(biāo)識(shí)、信號(hào)燈，此外還需要探測(cè)周邊環(huán)境，包括其它車輛、行人、自行車、摩托車、路障、馬路牙子、地上的坑、大門(mén)、圍墻，或是突然出現(xiàn)在車前的小孩等等。

傳感器需要非常靈敏，才能以極快的速度探測(cè)到上述內(nèi)容，并讓車輛在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)迅速做出反應(yīng)。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，通常傳感器的延遲需要控制在 2-3 毫秒內(nèi)。

而為了普及自動(dòng)駕駛，傳感器的價(jià)格應(yīng)該控制在可以接受的范圍內(nèi)。不過(guò)，根據(jù)目前自動(dòng)化的程度，價(jià)格也有著天壤之別。比如達(dá)到 Level 3 的車輛，鑒于它能提供的自動(dòng)化程度相對(duì)有限，為了提升其在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力，傳感器的價(jià)格應(yīng)該控制在車輛價(jià)格的 10% ，甚至更低。而與之相對(duì)，達(dá)到 Level 4 的自動(dòng)駕駛車輛需要實(shí)現(xiàn)共享功能，并且實(shí)現(xiàn) 24 小時(shí)可用的狀態(tài)，傳感器的價(jià)格自然水漲船高，可能占全車的一半以上。

接下來(lái)，我們就一同來(lái)對(duì)比下方才介紹過(guò)的一些傳感器，它們各有所長(zhǎng)，也不盡完美，但我們可以從中一窺廠商取舍的動(dòng)機(jī)。

南佛羅里達(dá)大學(xué)孫宇：自動(dòng)駕駛五大傳感器，各有千秋優(yōu)劣均沾

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1. 2D 攝像頭

優(yōu)點(diǎn)：分辨率高、速度快、傳遞的信息豐富、成本低。結(jié)合兩個(gè) 2D 攝像頭，我們就能獲得三維立體的環(huán)境信息。

缺點(diǎn)：動(dòng)態(tài)范圍小（受強(qiáng)光和太陽(yáng)影響）、對(duì)強(qiáng)計(jì)算能力有高要求，單攝像頭無(wú)法提供3D信息，可能會(huì)有延遲；而在雙攝像頭狀態(tài)下所提供的 3D 內(nèi)容可能不夠準(zhǔn)確。

基于上述優(yōu)缺點(diǎn)，2D 攝像頭擅長(zhǎng)提供周邊環(huán)境的豐富細(xì)節(jié)，能夠清楚地辨識(shí)物體，準(zhǔn)確理解交通信號(hào)燈、標(biāo)識(shí)及車道所表達(dá)的含義，還能檢測(cè)車輛、行人及自行車等。

相對(duì)于其它傳感器，2D 攝像頭的功能更加強(qiáng)大。例如，車道檢測(cè)能夠提升車輛的 GPS 定位準(zhǔn)確度。

代表公司為以色列的 Mobileye。

2. 聲納

聲納設(shè)備的工作原理為：發(fā)射器發(fā)射 50 千赫的超聲波，接收器通過(guò)接收反彈回來(lái)的聲波，以時(shí)間差測(cè)算出與物體的距離。

優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格親民，原理簡(jiǎn)單，只需單個(gè)設(shè)備即可完成信號(hào)檢測(cè)，是一種相對(duì)可靠和快速的測(cè)試手段。

缺點(diǎn)：分辨率差，不能真實(shí)反映物體內(nèi)容，對(duì)污物敏感，只能用于近距離測(cè)量。

綜上所述，聲納傳感器通常只能檢測(cè)近距離物體，而且主要針對(duì)較近的路障。因此，它的使用場(chǎng)景集中于輔助剎車，及停車時(shí)監(jiān)測(cè)周邊的車輛及車樁。舉個(gè)例子，谷歌汽車在兩個(gè)車后輪上都安置了聲納傳感器，用于停車和倒車。由于價(jià)格親民，一輛車上多加幾個(gè)傳感器也不肉痛。

3. LIDAR

它的全稱是激光/光探測(cè)及測(cè)距（LAser Detection And Ranging or LIght Detection And Ranging）。

與聲納相似的是，LIDAR 也是通過(guò)發(fā)射和反射的時(shí)間差測(cè)量距離，只不過(guò)載體是激光而非聲音。而同樣地，LIDAR 也具備發(fā)射器和接收器，掃描設(shè)備通過(guò)捕捉每個(gè)角度反射的激光而測(cè)定距離。值得一提的是，該設(shè)備通常是將激光束重新定向的一個(gè)旋轉(zhuǎn)鏡。

LIDAR 的監(jiān)測(cè)范圍因廠而異，有些廉價(jià) LIDAR 只能探測(cè)數(shù)米遠(yuǎn)，而有些高端設(shè)備的測(cè)量距離甚至能達(dá)200 米；而激光束的掃描頻率也從1 Hz到 100 Hz不等，當(dāng)然也有更高頻的設(shè)備。對(duì)于掃描的 LIDAR 而言，也分為單級(jí)和多級(jí)兩種分辨率。

相對(duì)來(lái)說(shuō)，單線掃描器價(jià)格更便宜些，而 LIDAR 也以分辨率及距離兩大因素為標(biāo)準(zhǔn)，價(jià)格從幾百美金到上千美金不等。

分支：3D LIDAR

3D LIDAR 能對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行 360 度掃描，通常擁有多線激光束及3D掃描功能，且價(jià)格極高。不過(guò)相對(duì)而言，3D LIDAR 的掃描速度較慢，只有幾赫茲。

高端 3D LIDAR 則擁有單線掃描，并且測(cè)量距離遠(yuǎn)達(dá) 200 米。一般而言，它所要處理的數(shù)據(jù)量也非常巨大。比如，Velodyne 的 HDL-32E 傳感器每秒就能掃描 70 萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。而一些模型甚至能每秒掃描 160萬(wàn)個(gè) 3D 數(shù)據(jù)點(diǎn)。上述 LIDAR 的價(jià)格非常昂貴，雖然單個(gè)產(chǎn)品本身成本不高，但每年面世的數(shù)量相對(duì)較少，就顯得物以稀為貴了。以 Velodyne 為例，去年它只銷售了數(shù)百個(gè)激光雷達(dá)。如果它的市場(chǎng)需求能提高到百萬(wàn)級(jí)，那么它的價(jià)格也會(huì)相應(yīng)降低到數(shù)百美金。

優(yōu)點(diǎn)：可靠的 3D 點(diǎn)云，對(duì)光線不敏感，收集的信息內(nèi)容豐富。

缺點(diǎn)：貴，缺少色彩信息，在監(jiān)測(cè)能產(chǎn)生反射或透明的物體時(shí)準(zhǔn)確性不夠。收集的數(shù)據(jù)需要極高的計(jì)算能力，且掃描速度相對(duì)較慢。

3D LIDAR 目前尚未得到大規(guī)模普及，但它提供了非常可靠而豐富的 3D 環(huán)境信息。Level 4 的自動(dòng)駕駛車輛都可以采用 3D LIDAR，但對(duì) Level 3 及以下的產(chǎn)品而言，價(jià)格就有點(diǎn)吃不消了。

4. 雷達(dá)

和上述兩種傳感器設(shè)備相似的是，它的原理同樣是通過(guò)發(fā)射無(wú)線電信號(hào)（無(wú)線電頻段的電磁波）并接收反射信號(hào)來(lái)測(cè)定與物體間的距離的。多普勒雷達(dá)測(cè)量的是反射信號(hào)的頻率轉(zhuǎn)變，并計(jì)算其速度變化。因此，雷達(dá)可以探測(cè)距離和障礙物的相對(duì)移動(dòng)速度。多普勒雷達(dá)本身無(wú)法檢測(cè)靜止的物體。

雷達(dá)能夠檢測(cè) 30-100 米遠(yuǎn)的物體，高端的雷達(dá)能夠檢測(cè)到很遠(yuǎn)的物體。雷達(dá)不受天氣狀況的影響，即使是雨雪霧霾都能正常運(yùn)作，且對(duì)灰塵也不敏感。

但是，雷達(dá)傳輸?shù)氖请姶挪ㄐ盘?hào)，因此它無(wú)法檢測(cè)上過(guò)漆的木頭或是塑料（隱形戰(zhàn)斗機(jī)就是通過(guò)表面噴漆來(lái)躲過(guò)雷達(dá)信號(hào)的），而人類也幾乎對(duì)雷達(dá)“免疫”。

雷達(dá)對(duì)金屬表面非常敏感，如果是一個(gè)彎曲的金屬表面，它會(huì)被雷達(dá)誤認(rèn)為是一個(gè)大型表面。因此，路上一個(gè)小小的易拉罐甚至可能會(huì)被雷達(dá)判斷為巨大的路障。此外，雷達(dá)在大橋和隧道里的效果同樣不佳。

優(yōu)點(diǎn)：由于其大批量生產(chǎn)的緣故，雷達(dá)的價(jià)格相對(duì)沒(méi)那么昂貴，且對(duì)周邊車輛的檢測(cè)準(zhǔn)確度較高，對(duì)于某些特定材料較敏感。反應(yīng)速度快，操作簡(jiǎn)單，能適應(yīng)惡劣天氣。

缺點(diǎn)：對(duì)于某些材料“不太感冒”，無(wú)法判斷所識(shí)別物體的大小，且相對(duì)分辨率較低。

因此，雷達(dá)通常廣泛用于自動(dòng)巡航控制，輔助變道及緊急制動(dòng)系統(tǒng)。以谷歌汽車為例，它在前后的保險(xiǎn)杠上裝有四個(gè)雷達(dá)傳感器，主要用于保持車距；而特斯拉比起攝像頭而言更依賴?yán)走_(dá)設(shè)備。

而使用毫米波雷達(dá)，也能夠提升檢測(cè)分辨率。

5. GPS，測(cè)距和 IMU（慣性測(cè)量單元）

GPS 不夠準(zhǔn)確，也不總是管用。它能夠提供大致的位置信息，且只能達(dá)到 99% 的準(zhǔn)確度。

IMU 測(cè)量的是加速度，高端及軍用級(jí)別的 IMU 相對(duì)準(zhǔn)確性更高，不過(guò)目前高精度的 IMU 還處于研究狀態(tài)。

整體而言，并沒(méi)有任何一種傳感器能盡善盡美地滿足自動(dòng)駕駛的所有需求。自動(dòng)駕駛需要多種傳感器的輔助配合才能順利上路，而后者聯(lián)合提供的信息則更加立體和可信。比如，谷歌汽車采用的是 Velodyne 的360 LIDAR （64 激光束，探測(cè)距離達(dá) 200米）、檢測(cè)近路的前置相機(jī)、前后保險(xiǎn)杠各兩個(gè)雷達(dá)傳感器，再加上 GPS、IMU 及兩個(gè)后輪的聲納傳感器。

尺有所短，寸有所長(zhǎng)，只有讓多種傳感器協(xié)同合作，才能讓自動(dòng)駕駛順利馳騁。

PS：本篇內(nèi)容來(lái)自雷鋒網(wǎng)公眾號(hào)關(guān)注)欄目「新智駕」，歡迎微信添加「新智駕」訂閱公眾號(hào)。