AI系列之自動駕駛（三）：“解剖”汽車的“感官系統”

摘要： 汽車要依靠感測器來感知周遭的環境變化，各種型別的感測器由於其屬性以及技術原理的不同，各有各擅長的應用場景，發揮著其他的感測器不具備的作用。 想象一下：此刻地你正行走於繁華的鬧市之中，穿梭於往來的人群之間，你隨著人流而動，向著你想要到達的某座商場而出發。 你的大腦飛速的運轉，儘...

汽車要依靠感測器來感知周遭的環境變化，各種型別的感測器由於其屬性以及技術原理的不同，各有各擅長的應用場景，發揮著其他的感測器不具備的作用。

想象一下：此刻地你正行走於繁華的鬧市之中，穿梭於往來的人群之間，你隨著人流而動，向著你想要到達的某座商場而出發。

你的大腦飛速的運轉，儘管你絲毫沒有意識到海量的資料流經由感官，源源不斷地彙集到你的大腦，並在其中進行某種計算形成“思考”這一行為概念。

轉瞬後，“沿著哪條路走比較近？”、“乘坐哪種交通工具會更加快捷？”、“怎樣規劃，可以順道路過你想要品嚐的小吃店，去犒賞一下自己的辛勞？”，這些即刻浮現在你的腦海，很快你便會從各種備選方案中找出你認為最優的路徑方案。

你沒有特別的去注意，但是你可以輕而易舉的在擁擠的人群中來去自如，靈巧地避過前後左右所有你想避開的人和物，抵達你想要到達的地方。

因為你的眼睛為你掃描了周邊的一切環境，它在第一時間向你的大腦反饋：你處於什麼位置？你的周遭都有哪些事物？衝你來的電動車速度有多快？旁邊的人是步行還是快跑，腳下是否有臺階或者障礙物？

你在一瞬間得到了一切的反饋。於是你停下腳步，側著身子給飛馳的電動車讓了些許空間，以便於它能夠順利通過，也使得你自己可以規避被撞的危險。

而後你加快了腳步超過了旁邊的小夥子，因為他看著手機放慢的腳步阻礙了你前行的方向。

不遠處向下的階梯映入眼簾，你知道你需要放慢腳步小心的走下，使得你不至於踉蹌而倒。

耳邊突然傳來一陣熟悉的呼喊，你在一瞬間辨別出來那是友人的聲色，於是你抬起頭望向聲音傳來的方向，看到了馬路對面正在招手的她。並且，左右傳來的汽笛聲又使得你不得不左右環視確認安全後，才放心通過前方的路口。

你的鼻子聞到了一陣“飄香”，於是你抬頭“虎視”四方，眼睛又讓你找到了那家長沙臭豆腐，於是你帶著友人去饕餮了一番。

最後，此行的目的地，你皮笑肉不笑地帶著友人走進了一家高檔商場，因為你的心反饋出一個資訊——你要出血了，所以它也在滴血。

在此行程中，你的眼睛為你提供了實時的環境資訊，包括：一切周遭實物的掃描，自身位置的定位，物體識別，以及周遭物體潛在移動方向及速度的測算。

就在那一剎那，你的大腦完成了一切的計算，並通過日常的所見你的大腦繪製並存儲了這一代地方的高清地圖。而你的耳朵，為你提供了所處位置周邊物體所產生的一切聲音反饋，並且可以對某條聲色進行準確接收和識別，還可以根據聲音的大小判斷物體距離的遠近，從而實現測距和預警功能。

眼睛、耳朵、鼻子、肢體甚至於你的面板，無時無刻不在與現實世界進行著的互動行為，及其敏銳地搜取著所有的體外資訊。

現實世界通過你的這些外設“感測器”，為你提供可以描繪體外環境資訊的資料流。

你的身體通過對於各部位彙集的資料流進行快速分析，並完成資訊解讀，為你的決策系統提供資料依據，並利用你身體中的“反饋控制系統”執行你的意志，完成與現實世界的物理互動。

如果人類作為一個“智慧行為體”依靠著“人肉感測器”可以接收到源源不斷地外部資料，從而實現智慧決策，那麼，汽車為什麼不可以？

感測器如何作用於自動駕駛？如何作用於無人駕駛這一巨集圖偉願？

我們終於進入了正題，沒錯，我就是這樣任性的寫了這麼一大段前言，沒毛病。

自動駕駛依靠感測器去獲取車體周遭環境，每種感測器都有各自所擅長的優勢以及限制，需要結合各類感測器的優點，進行技術互補來完成對於周圍環境的理解和響應。

這些各類感測器需要通過“感測器融合”的技術手段，去完成資料收集後的分析處理，藉助資料融合實現各類感測器的在環境監測資料方面的一致性視角的同步分析，來儘可能的為汽車提供周圍環境的準確資訊。

一、數碼相機（攝像頭）

數碼相機之於無人駕駛駕駛就如同眼睛之於人類——人靠眼睛捕獲外部資訊，智慧汽車則依靠數碼相機獲取車外環境資訊。

隨著相關技術的發展，數碼相機的效能越來越高，這體現在：諸如拍攝速度越來越快、成像質量越來越高等方面。

將之加之於汽車上，就如同為其配備了一雙可以觀察世界的眼睛。這為我們之前的文章中所提到的“中層控制系統”提供了重要的資料來源，深度學習演算法通過這些採集到的環境資料就可以進行物體識別、軌跡預測等操作。

應用於無人駕駛領域的專業數碼相機，同樣遠非簡單記錄畫素值那般簡單。它可以自動分析圖片資料處理圖片所包含的“內容”，可以自動檢測出畫面中的各種物體，並轉化成數值表格，羅列出物體資訊清單，為進一步識別和判斷提供預處理資料。

但是，不同於生物體具備的“立體視覺”，數碼相機可以把三維空間資料轉化為二維畫素矩陣，卻會遺漏最關鍵的要素資訊——深度數值。

生物體一般具備至少兩隻及以上的眼睛，在獲取二維影象資訊的同時也會依靠深度感知能力得到深度距離資訊（簡單來說：咱們不僅能在老遠的地方，就能看到村頭的狗蛋，還能大概知道他距離我多遠），從而形成三維“立體視覺”。

如果車與物體的距離不能被準確感知，那麼，關鍵性的決策資訊將無法被補足，對於自動駕駛來說，物體深度距離的判定尤為重要。

目前的一個解決方案就是：借鑑於生物體的形態為汽車配置多臺數碼相機去捕捉統一視覺鏡頭，就可以通過計算機重建3D場景，對於車體的周圍環境有更為清楚的深度認知。

這樣一來，以車體為中心，固定半徑距離內的所有物體的橫向佈局和縱向深度距離就能夠非常清楚的顯現出來了。

而另外一個方案就是具備投影功能的“結構光相機”，它能夠使圖片資料附著深度資訊。結構光相機可以將光纖投射到目標場景上並測量其失真度，通過失真度測量計算出深度資料。

但是，其弱點也相對更為突出：一是如果日光較為強烈相機投射出的光線就會收到影響和干擾，二是超過一定的距離（10米左右），結構光相機的作用就會蕩然無存。

結合不宜日光強烈和限定距離這兩個使用場景，該方案主要用於室內行車操作，比如：出入車庫或者停車場。

二、鐳射雷達

鐳射雷達，全稱“光檢測與測距”（Lidar），它通過向周圍不斷地發射脈衝鐳射束，然後根據光束折返回來所用的時間去完成測距任務。

每秒數百萬次的發射頻率使得Lidar感測器可以計算出周遭環境的三維數字模型，真正地實現3D世界的視覺化，完成高精度3D模型的繪製。

鐳射雷達具備360度全方位無死角的可視能力，且具備深度資訊的探測能力——實時掌控與周圍物體間的準確距離。

在鐳射雷達誕生的半個世紀以來，它常常被用於地形測繪，甚至考古領域，1971年阿波羅計劃期間，宇航員用其繪製了月球表面，展現出了其卓越的應用價值。直到21世紀初期，此項技術才與汽車產生聯絡，在DARPA的數屆挑戰賽上鐳射雷達大放異彩，且在此之後逐漸流行。

鐳射雷達的工作原理曾有一段形象的比喻：

就好像你身處一個充滿了隱形物體的房間內，鐳射雷達就好像你手中的紅色塗料，你旋轉著身姿將紅色塗料向四周噴射。很快，那些隱形的物體會因為沾染了塗料而顯現出它的外形，展現在你的面前。當塗料足夠多噴射的足夠遠覆蓋的足夠全，那麼整個房間內的所有隱形物體將無所遁形的暴露出來。

鐳射雷達的工作原理就是如此：通過不斷的進行光束髮射，對周圍進行掃描和測量，光束越多越密場景模型的精度就越高。

這裡我們需要引入“點雲”這一概念進行說明，通過測量儀器得到的產品外觀表面的點資料集合也稱之為點雲。

點與點之間間距越大我們稱為“稀疏點雲”，反之通過三維鐳射掃描器得到的點雲因為因為描述物體外觀的點數較多較密的我們稱之為“密集點雲”。

Lidar以特定模式向外發射鐳射束形成大量細密的點組成的掃描線。如果想要構建較為完整的3D模型，那就必須讓其高速旋轉，我們可以使用一組旋轉的鏡子去改變鐳射的方向。這樣，鐳射束越多就會呈現出以鐳射雷達為中心一組組不斷向外擴充套件的環形掃描線，就像一顆石頭投入一片靜水中，同心圓狀的漣漪就會向四周盪開。

這些平行且極為密集的環形掃描線碰觸到實體事物後就會顯現出外部形狀，一如上述所述的“噴塗”的例子一樣。

由此，當汽車裝載了鐳射雷達，那麼汽車也就能實現對於陌生世界的“噴塗”從而“看到”現實的周圍環境。

鐳射雷達感測器為中層控制系統中的演算法提供了詳盡的環境資料流，深度演算法據此可以對資料進行解析，識別出：這些已經顯現的具備某種外部形狀的物體可能會是什麼？從而達到對於行車環境的實時監控和準確識別，為決策系統進行端起的軌跡預測和路徑規劃提供依據。

三、雷達

雷達，又稱“無線電檢測與測距”，由發射器和接收器組成，發射器負責向外發射電磁波，接收器負責接收反射回波。

其工作原理就是：按照一定的頻率向目標區域去發射電磁波，電磁波以等同於光速的傳播速度呈環裝極速向外擴張，利用電磁波在碰觸障礙物的時候反射形成的回波來檢測周圍的現實環境和物體佈局。

由於折返的回波能量在傳播的過程中會逐漸衰減，所以接收器一般都會採用電波放大技術以便於捕獲儘可能多的回聲，獲取更多的環境資訊。

舉個栗子：

想象一下，你正閉著眼站在一個未知的空間內，你的手裡捧著一堆彈力球，你轉動一下身子就向一個方向拋擲彈力球。如果那個方向的彈力球，沒有折回打到你的身上，那麼至少你就會知道這個方向多半是一條通途。

相反，彈回並打在你身上的那個彈力球，拋擲方向多半是有一個龐大的障礙物在等著你。這樣，你在無法用眼睛去觀察環境的情況下，就可以藉助彈力球去了解：周圍是否存在障礙物等環境資訊。

在這個例子中，拋擲彈力球的手就像雷達的發射器一樣，彈力球就像發射出的電磁波，而是否被回彈的彈力球所擊中的身體就是接收器。

你通過拋擲彈力球並根據身體是否被其回彈擊中就能完成判斷。

言歸正傳，不同的雷達感測器擁有不同的波長，波長越長傳輸得距離越遠。但長波往往會繞過微小的物體，對於環境監測的半徑相對較長，但監測結果也更為粗略，對應的微波在細小物品的監測上展示出來的結果則是令人滿意的。

另外，雷達感測器根據多普勒效應可以監測物體的移動速度。通過監測記錄電磁波向目標物體發射和反射回波的頻率變化，去判斷移動中的物體是在靠近還是遠離，更進一步算出其移動速度。

對於自動駕駛汽車來說，雷達感測器的應用，可以實時監測車體的周邊環境，識別大型障礙物體，可以應對大雨、濃霧等異常天氣，不受路面揚塵等影響，精準檢測物體距離車體的位置，以及各個物體的行進方向和速度。

四、超聲波感測器

超聲波感測器，又稱“聲吶”。

與雷達相似，超聲波感測器也是通過發射某種波形訊號並通過檢測回波頻率去監測環境資訊。不同於雷達的電磁波，超聲波感測器就如同它的命名一樣發射的是超聲波。

超聲波感測器也分為兩個部分：傳送器和感測器。

傳送器產生高於人類所能收聽範圍的機器波，接收器感受到聲波的回聲根據物體反射回來的時間、頻率和聲波形狀來監測物體的位置和速度。同樣，它也具備穿透濃霧、揚塵天氣環境的能力，能在刺眼的陽關下觀測物體。

相較於雷達的電磁波，聲波的傳播速度相對較慢，這就意味著：它能以高解析度來看清微小物體，但是在風和距離的影響下衰減較快——也就是說其監測範圍相對較小，日常應用中經常與雷達感測器互為補充。

五、毫米波雷達感測器

毫米波雷達，簡而言之就是工作在毫米波頻段的雷達，而毫米波其實質上就是電磁波的一個頻段。

毫米波是指：波長處於1mm~10mm之間的電磁波，位於微波與遠紅外波相交疊的波長範圍，對應的頻率範圍為10~200GHz，其頻率高於無線電且低於可見光和紅外線。

根據波的傳播理論，頻率越高，波長越短，解析度越高，穿透能力越強，但在傳播過程的損耗也越大，傳輸距離越短；相對地，頻率越低，波長越長，繞射能力越強，傳輸距離越遠。

所以，毫米波天然地具備解析度高、指向性強、抗干擾能力佳等優點，隨之在一定的距離範圍內可以保證較好的環境探測能力。其探測距離處於150m-250m之間，高效能的毫米波探測雷達甚至可以達到300m的廣域，極大地滿足自動駕駛汽車在高速運動時所需要的探測範圍。

其工作原理是通過比較電磁波傳播遇到介質之後的回波，與發出波形的頻率差和時間差去計算障礙物與本體的距離。障礙物距離本體現實距離越遠，回波時間就越長，那麼與發出波形的頻率差值就越大。再將發出波形的頻率與回波的頻率進行減法運算即可得出頻率差，據此判斷出障礙物體的距離值。