環(huán)視攝像機(jī)

環(huán)視攝像機(jī)，一般至少包括四個(gè)攝像頭，分別安裝在車輛前、后、左、右側(cè)，實(shí)現(xiàn)360°環(huán)境感知，難點(diǎn)在于畸變還原與對(duì)接。安裝于車輛前方、車輛左右后視鏡下和車輛后方的四個(gè)魚(yú)眼鏡頭采集圖像，采集到的圖像與下圖類似。

環(huán)視攝像機(jī)的鏡頭是魚(yú)眼鏡頭，而且安裝位置是朝向地面的。某些高配車型上會(huì)有“360°全景顯示”功能，所用到的就是環(huán)視攝像機(jī)。魚(yú)眼攝像機(jī)為了獲取足夠大的視野，代價(jià)是圖像的畸變嚴(yán)重。

通過(guò)標(biāo)定值，進(jìn)行圖像的投影變換，可將圖像還原成俯視圖的樣子。之后對(duì)四個(gè)方向的圖像進(jìn)行拼接，再在四幅圖像的中間放上一張車的俯視圖，即可實(shí)現(xiàn)從車頂往下看的效果。如下圖。

相比于其他傳感器，攝像頭最為接近人眼獲取周圍環(huán)境信息的工作模式，可以通過(guò)較小的數(shù)據(jù)量獲得最為全面的信息，同時(shí)因?yàn)楝F(xiàn)在的攝像頭技術(shù)比較成熟，成本可較低。但是，攝像頭識(shí)別也存在一定局限性，基于視覺(jué)的解決方案受光線、天氣影響大；同時(shí)，物體識(shí)別基于機(jī)器學(xué)習(xí)資料庫(kù)，需要的訓(xùn)練樣本大，訓(xùn)練周期長(zhǎng)，也難以識(shí)別非標(biāo)準(zhǔn)障礙物；同時(shí)，由于廣角攝像頭的邊緣畸變，得到的距離準(zhǔn)確度較低。

攝像機(jī)的功能

攝像機(jī)在無(wú)人車上的應(yīng)用，主要有兩大類功能。分別是感知能力，其次是定位能力。

攝像機(jī)的感知能力表現(xiàn)在可以識(shí)別車道線（lane）、障礙物（Obstacle）、交通標(biāo)志牌和地面標(biāo)志（Traffic Sign and Road Sign）、交通標(biāo)志牌和地面標(biāo)志（TrafficSign and Road Sign）和交通信號(hào)燈（Traffic Light）

定位能力體現(xiàn)在獲取當(dāng)前無(wú)人車的位置。視覺(jué)SLAM技術(shù)根據(jù)提前建好的地圖和實(shí)時(shí)的感知結(jié)果做匹配，從而獲取當(dāng)前無(wú)人車的位置。視覺(jué)SLAM需要解決的最大問(wèn)題在于地圖的容量過(guò)大，稍微大一點(diǎn)的區(qū)域，就對(duì)硬盤(pán)的容量要求很高。如何制作出足夠輕量化的地圖，成為SLAM技術(shù)商業(yè)化的關(guān)鍵。

攝像機(jī)是所有車載傳感器中，感知能力最強(qiáng)的。為此特斯拉采用了純視覺(jué)的感知方案，而沒(méi)有使用激光雷達(dá)，當(dāng)然激光雷達(dá)價(jià)格昂貴也是一個(gè)因素。

GPS／IMU

GPS是全球定位系統(tǒng)（GlobalPosition System）的簡(jiǎn)稱，IMU（Inertial Measurement Unit）慣性測(cè)量單元。

GPS在復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)境中，尤其在大城市，其多路徑反射的問(wèn)題很顯著，導(dǎo)致獲得的GPS定位信息很容易產(chǎn)生幾米的誤差。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。單純依賴GPS的導(dǎo)航很有可能導(dǎo)致交通事故。因此GPS通常輔助以慣性傳感器（IMU）用來(lái)增強(qiáng)定位的精度。

IMU是檢測(cè)加速度與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的高頻（1KHz）傳感器，但I(xiàn)MU自身也有偏差積累與噪音等問(wèn)題影響結(jié)果。通過(guò)使用基于卡爾曼濾波的傳感器融合技術(shù)，我們可以融合GPS與IMU數(shù)據(jù)，結(jié)合GPS的定位精度高和誤差無(wú)積累的特點(diǎn)，與IMU的自主性和實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn)。一方面可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航設(shè)備之間優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，增強(qiáng)系統(tǒng)適應(yīng)動(dòng)態(tài)的能力，并使整個(gè)系統(tǒng)獲得優(yōu)于局部系統(tǒng)的精度；另一方面提高了空間和時(shí)間的覆蓋范圍，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的連續(xù)導(dǎo)航。因此，GPS／IMU組合的優(yōu)勢(shì)在于：

1．系統(tǒng)精度的提高。利用GPS的長(zhǎng)期穩(wěn)定性彌補(bǔ)IMU誤差隨時(shí)間累積的缺點(diǎn)。GPS／IMU組合后的導(dǎo)航誤差實(shí)際上要比單獨(dú)的GPS或單獨(dú)的慣導(dǎo)系統(tǒng)可能達(dá)到的誤差都小。

2．系統(tǒng)抗干擾能力的增強(qiáng)。利用IMU的短期高精度彌補(bǔ)GPS系統(tǒng)易受干擾、信號(hào)易失鎖等缺點(diǎn)，同時(shí)借助IMU的姿態(tài)信息、角速度信息可進(jìn)一步提高GPS系統(tǒng)快速捕獲或重新鎖定衛(wèi)星信號(hào)的能力。

3．導(dǎo)航信息的補(bǔ)全。GPS／IMU組合系統(tǒng)與單GPS相比，除了可以提供載體運(yùn)動(dòng)的三維位置和速度信息外，還可提供加速度、姿態(tài)和航向信息；GPS／IMU組合系統(tǒng)此外可提供100Hz甚至高于100Hz的數(shù)據(jù)更新率。

IMU慣性器件的標(biāo)定技術(shù)由于加速度計(jì)、陀螺儀等慣性器件本身存在缺陷，會(huì)產(chǎn)生一些器件誤差，如標(biāo)度因數(shù)誤差等。另外，在對(duì)IMU進(jìn)行集成的時(shí)候，各個(gè)器件之間的非正交安裝會(huì)引起交叉耦合誤差。以上這些誤差可以通過(guò)器件標(biāo)定來(lái)加以補(bǔ)償，以達(dá)到提高其精度的目的。

V2X通信傳感

V2X是V2V（Vehicle toVehicle，車車通信）、V2I（Vehicle to Instruction，車路通信）、V2P（Vehicle to Pedestrain）等的統(tǒng)稱。通過(guò)V2X可以獲得實(shí)時(shí)路況、道路信息、行人信息等一系列交通信息，從而帶來(lái)遠(yuǎn)距離環(huán)境信號(hào)。

V2X通信系統(tǒng)可以看做是一個(gè)超級(jí)傳感器，它提供了比其他傳感器都高得多的感知能力和可靠性，在自車感知技術(shù)尚不能達(dá)到高可靠性之前，用V2X可以決定性地其可靠性。V2X是無(wú)人駕駛的必要技術(shù)和智慧交通的重要一環(huán)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，V2X技術(shù)是利用無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)車與車之間、車與道路之間、車與行人之間的信息互通，也就是說(shuō)，通過(guò)人、車、路之間的互相交流，駕駛員能夠更好地掌握車輛狀態(tài)和周圍情況，從而有效降低事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。V2X通信技術(shù)首次由福特公司于2014年6月發(fā)布，現(xiàn)場(chǎng)展示了福特的兩輛經(jīng)過(guò)特殊改造過(guò)的汽車，通過(guò)一臺(tái)連接了WiFi的無(wú)線廣播系統(tǒng)，演示了這項(xiàng)V2V通信技術(shù)是如何防止碰撞事故發(fā)生的。

詳細(xì)來(lái)說(shuō)，V2X是一種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)（汽車、智能交通燈等）可以發(fā)射、捕捉并轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)。利用V2X車聯(lián)網(wǎng)，車輛可以獲取周圍環(huán)境的未知參數(shù)及附近車輛的運(yùn)行狀態(tài)，這些狀態(tài)包括速度、位置、駕駛方向、剎車等基本的安全信息。然后車載端主動(dòng)安全算法將處理所獲取的信息，并按照優(yōu)先級(jí)對(duì)信息進(jìn)行分類，對(duì)可能發(fā)生的危險(xiǎn)情景進(jìn)行預(yù)警，緊急情況下可以利用車輛執(zhí)行端對(duì)車輛進(jìn)行控制從而規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。V2X技術(shù)開(kāi)啟了對(duì)四周威脅的360度智能感知，這一技術(shù)能夠在各種危險(xiǎn)的情況下提醒駕駛者，從而大大減少碰撞事故的發(fā)生并緩解交通擁堵。美國(guó)交通部根據(jù)最新的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如果能夠大面積地普及V2X技術(shù)，就能在75％的交通事故發(fā)生之前提醒駕駛員。

相比傳統(tǒng)雷達(dá)，V2X通信傳感系統(tǒng)有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1）覆蓋面廣

300－500米的通信范圍相比10幾米的雷達(dá)探測(cè)范圍要遠(yuǎn)得多，不僅是前方障礙物，身旁和身后的建筑物、車輛都會(huì)互相連接通信。

2）有效避免盲區(qū)

路邊聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)的物體都會(huì)有單獨(dú)的信號(hào)顯示，因此即便視野受阻，通過(guò)實(shí)時(shí)發(fā)送的信號(hào)可以顯示視野范圍內(nèi)看不到的物體狀態(tài)，因而降低忙去出現(xiàn)的概率，也就充分避免了因盲區(qū)而導(dǎo)致的潛在傷害。

3）對(duì)于隱私信息的安全保護(hù)性更好

由于這套系統(tǒng)將采用5．9Hz頻段進(jìn)行專項(xiàng)通信，相比傳統(tǒng)通信技術(shù)更能確保安全性和私密性，如果通信協(xié)議及頻道在各個(gè)國(guó)家都能規(guī)范化，這套系統(tǒng)將變得像SOS救援頻道一樣成為社會(huì)公用資源。

小結(jié)

不同的傳感器都有其優(yōu)勢(shì)和缺陷，無(wú)法在單傳感器的情況下完成對(duì)無(wú)人駕駛功能性與安全性的全面覆蓋，這顯示了多傳感器融合的必要性。因此，各個(gè)傳感器之間借助各自所長(zhǎng)相互融合、功能互補(bǔ)、互為備份、互為輔助才是完備的無(wú)人駕駛系統(tǒng)。如何融合這些傳感器的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)不足是自動(dòng)駕駛工程師們現(xiàn)在的主要工作之一。