自动驾驶汽车传感器交融系统及多传感器数据交融算法浅析.docx
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1、自动驾驶汽车传感器交融系统及多传感器数据交融算法浅析自动驾驶汽车传感器交融系统及多传感器数据交融算法浅析 Euro-NCAP等机构做出的汽车平安评级正在使某些系统成为汽车的强迫功能;另一方面,这也助长了消费者对它们的需求。 诸如自动停车、公路巡航控制和自动紧急制动的自动驾驶汽车功能也在很大程度上依靠传感器来实现。重要的不仅仅是传感器的数目或者种类,它们的使用方式也同样重要。目前,大多数路面上行驶车辆内的ADAS都是独立工作的,这意味着它们彼此之间几乎不交换信息。没错,某些高端车辆具有非常先进的自动驾驶功能,不过这些功能还未普及。后视摄像头、环视系统、雷达和前方摄像头都有它们各自的用处。通过将这
2、些独立的系统添加到车辆当中,可以为驾驶员提供更多信息,并且实现自动驾驶功能。不过,你还可以打破限制,实现更多功能参见图1。 图1:ADAS以汽车内单个、独立的功能存在。 传感器交融 仅仅通太多次使用一样种类的传感器无法克制每种传感器的缺点。反之,我们需要将来自不同种类传感器的信息组合在一起。工作在可见光谱范围内的摄像头CMOS芯片在浓雾、下雨、刺眼阳光和光照缺乏的情况下会碰到费事。而雷达缺少目前成像传感器所具有的高分辨率。我们可以在每种传感器中找到诸如此类的优缺点。 传感器交融这一想法的伟大之处在于获得不同传感器和传感器种类的输入内容,并且使用组合在一起的信息来更加准确地感悟四周的环境。相对于
3、独立系统,这样可以做出更好、更平安的决策。雷达也许不具有光传感器所具有的分辨率,不过它在测距和穿透雨、雪和浓雾方面具有很大上风。这些天气条件或者光照缺乏的恶劣情况不利于摄像头发挥作用,不过摄像头可以分辨颜色可以想一想街道指示牌和路标,并且具有很高的分辨率。目前路面上图像传感器的分辨率已经到达1百万像素。在将来几年内,图像传感器的开展趋势将是2百万,甚至4百万像素。 雷达和摄像头是两项传感器技术完美交融、互为补充的典范。采用这种方法的交融系统所实现的功能要远超这些独立系统可以实现的功能总和。使用不同的传感器种类可以在某一种传感器全都出现故障的环境条件下,额外提供一定冗余度。这种错误或者故障可能是
4、由自然原因诸如一团浓雾或者是人为现象例如对摄像头或者雷达的电子干扰或者人为干扰导致。即使是在一个传感器失效的情况下,这样的传感器交融系统也可以保持某些根本或者紧急的功能。完全借助报警功能,或让驾驶员时刻做好预备,进而接收对车辆的控制,系统故障也许就不那么严重了。然而,高度和完全自动驾驶功能必须提供充足的时间让驾驶员重新获得对车辆的控制。在这段驾驶员接收车辆控制之前的时间范围内,控制系统需要保持对车辆最低限度的控制。 传感器交融系统例如 传感器交融的复杂程度有所不同,并且数据的类型也不一样。两个根本的传感器交融例如是:a后视摄像头加上超声波测距;b前方摄像头加上多形式前置雷达参见图2。如今,我们
5、可以通过对现有系统进展细微更改和/或者通过增加一个单独的传感器交融控制单元来对其进展实现。 图2:将前方雷达与前方摄像头交融在一起,以实现自适应巡航控制加车道保持辅助,或将后视摄像头与超声波测距报警组合在一起来实现自动停车。 后视摄像头+超声波测距 超声波停车辅助技术在汽车市场内被广泛承受,并且已特别成熟;这项技术在停车时能对邻近物体给出听得见或者看得见的报警。正如之前提到的那样,到2018年,美国所有新出厂的车辆都必须安装后视摄像头。将来自二者的信息结合在一起,才能实现先进的停车辅助功能,而其靠单一系统是无法实现的。后视摄像头使驾驶员能很清楚地看到车辆前方的情况,而机器视觉算法可以探测物体,
6、以及路肩石和街道上的标记。通过超声波提供的补充功能,可以准确确定识别物体的间隔 ,并且在低光照或者完全黑暗的情况下,也能确保根本的接近报警。 前视摄像头+多模前置雷达 另一种强大的组合是将前视摄像头的功能与前置雷达组合在一起。前置雷达可以在任何天气条件下测量高达150米的物体的速度和间隔 。摄像头在探测和区分物体方面包括读取街道指示牌和路标特别出色。通过使用具有不同视场角FoV和不同光学元件的多个摄像头传感器,系统可以识别车前通过的行人和自行车,以及150米甚至更远范围内的物体,同时,其还可以可靠实现自动紧急制动和城市启停巡航控制等功能。 很多情况下,在特定的已知外部条件下,仅通过一种传感器或
7、者单个系统,就可以执行ADAS功能。然而,考虑到路面上有很多不可预计的情况,这还缺乏实现可靠运行。传感器交融除了能实现更复杂和自主的功能外,还可以在现有功能中实现更少的误报和漏报。讲服消费者和立法者,使他们相信汽车可以由“一台机器自主驾驶,将会特别关键。 传感器交融系统分割 与汽车内每个系统单独执行各自的报警或者控制功能不同,在一个交融系统中,最终采取哪种操纵是由单个器件集中决定的。如今的关键问题就是在哪里完成数据处理,以及怎样将传感器的数据发送到中央电子控制单元ECU。当对不是集中在一起而是遍布车身的多个传感器进展交融时,我们就需要专门考虑传感器和中央交融ECU之间的连接和电缆。对于数据处理
8、的位置也是如此,由于它也会影响整个系统的实现。让我们来看一看可能的系统分割中的两种极端情况。 集中式处理 集中式处理的极端情况是,所有的数据处理和决策制定都是在同一个位置完成,数据是来自不同传感器的“原始数据请见图3。 图3:具有“传统卫星式传感器模块的集中处理。 优点: 传感器模块传感器模块体积小巧,本钱低,功耗也低,这是由于其只需要执行检测和数据传输任务。传感器的安装位置也很灵敏,并且所需安装空间很小。交换本钱低。通常情况下,由于无需处理或者做决策,传感器模块具有较低的功能平安要求。 处理ECU中央处理ECU可以获取全部数据,这是由于数据不会由于传感器模块内的预处理或者压缩而丧失。由于传感
9、器本钱较低,并且外形尺寸较小,因此可以部署更多的传感器。 缺点: 传感器模块实时处理传感器数据需要提供宽带通讯高达数Gb/s,因此可能出现较高电磁干扰EMI。 处理ECU中央ECU需要有高处理才能和速度来处理所有输入数据。对于很多高带宽I/O和高端应用途理器来讲,这意味着更高的电能需求和更大的散热量。传感器数目增加将大幅增加对中央ECU性能的需要。通过使用FPD-LinkIII等接口,在一根同轴电缆上传送传感器及功耗、控制和配置等多种数据双向反向通道,有些缺点可以被克制。这样便可极大降低系统的接线要求。 全分布式系统 另一种截然不同的极端情况是全分布式系统。这种情况是由本地传感器模块进展高级数
10、据处理,并在一定程度上进展决策制定的。全分布式系统只将对象数据或者元数据描绘对象特征和/或者识别对象的数据发回到中央交融ECU。ECU将数据组合在一起,并最终决定怎样执行或者做出反响请见图4。 图4:传感器数据由传感器模块处理、决策由中央ECU制定的分布式系统。 全分布式系统既有优点又有缺点。 优点: 传感器模块传感器模块与中央ECU之间可以使用更低带宽、更加简单且更加廉价的接口。在很多情况下,小于1Mb/s的CAN总线就足够用了。 处理ECU中央ECU只将对象数据交融在一起,因此其所需处理才能更低。对于某些系统来讲,用一个高级的平安微控制器就足够了。模块更小,所需功耗也就更低。由于很多处理都
11、是在传感器内部完成的,传感器数目增加不会大幅增加对中央ECU的性能需求。 缺点: 传感器模块传感器模块需要有应用途理器,这样的话就会变得体积更大、价格更高且功耗更大。由于本地处理和决策制定,传感器模块的功能平安要求也就更高。当然,增加更多的传感器,本钱也会大幅上升。 处理ECU中央决策制定ECU只能获取对象数据,而无法访问实际的传感器数据。因此,想要“放大感兴趣的区域很难实现。 寻找黄金分割 根据系统中所使用传感器的数目与种类,以及针对不同车型和晋级选项的可扩展性要求,将两个拓扑混合在一起就可获得一个优化解决方案。目前很多交融系统使用带本地处理的传感器用于雷达和激光雷达LIDAR,使用前置摄像
12、头用于机器视觉。一个全分布式系统可以使用现有的传感器模块与对象数据交融ECU组合在一起。诸如环视和后视摄像头的系统中的“传统传感器模块可以让驾驶员看到四周的环境情况请见图5。可以将更多的ADAS功能集成进驾驶员监测或者摄像头监控系统等交融系统中,但是传感器交融的原理还是一样。 图5:寻找分布式和集中式处理的完美结合 平台治理、目的汽车细分、灵敏性和可扩展性是重要的经济因素;这些因素也在分割和设计交融系统时发挥着重要作用。对于任一特定情况,所得系统也许不是最正确设计方案,但是从平台和车队的角度看,它却可能是最正确方案。 谁是所有这些传感器数据的“观看者? 关于ADAS,我们还有两个方面没有讨论到
13、:信息ADAS对功能ADAS。前者就是当驾驶员仍然对汽车完全掌控时,扩大和延伸驾驶员的感官范围例如环视和夜视。第二个是机器视觉,它使汽车可以感悟四周环境,并做出自己决策以及执行自动紧急制动、车道保持辅助。传感器交融自然而然地将这两个世界合而为一。 正因如此,我们才有可能将同一传感器应用于不同用处,不过这么做的代价就是在选择最正确模块间通讯和处理位置方面受到了限制。以环视为例,这项功能最初的设计目的是,通过将视频传入到中央显示屏上,为驾驶员提供360度视场角。为什么不使用同样的摄像头,并将机器视觉应用到其上呢?后视摄像头可用于实现倒车保护或者自动停车,而侧视摄像头可用于实现盲点检测/报警,也包括
14、自动停车。 单独使用的机器视觉在传感器模块内进展本地处理,然后通过CAN总线等简单的低带宽连接将对象数据甚至是命令传送出去。然而,这种连接缺乏以传送完好的视频流。视频压缩当然可以降低所需带宽,但是还缺乏以将所需带宽降到百兆位范围内,并且它本身也存在一些问题。随着高动态范围HDR分辨率、帧速率和曝光数增加,这变得更加困难。高带宽连接和摄像头模块不介入数据处理解决了视频的问题,但是如今需要将处理添加到中央ECU,以便在其中运行机器视觉。缺少中央处理才能或者散热控制会成为这种解决方案的瓶颈。 固然在传感器模块中进展处理并同时使用高带宽通讯在技术上并不是不可实现,但从总体系统本钱、功耗和安装空间角度来
15、讲并不特别有利。 传感器交融配置的可靠运行 由于很多交融系统可以在没有驾驶员的情况下执行特定汽车功能例如转向、制动和加速的自主控制,我们需要对功能平安进展认真考虑,以确保在不同条件下和汽车的使用寿命内系统可以平安和可靠运行。一旦做出决策,并随后采取自主操纵,那么对于功能平安的要求将会大幅提升。 假设采用分布式的方法,每个处理关键数据或者制定决策的模块必须符合那些增加的标准。与只搜集和发送传感器信息的模块相比,这会增加物料清单BOM本钱、尺寸、功耗和软件。在安装空间缺乏的环境中,器件很难冷却,并且其损坏的风险和所需的更换也很高一次简单的小事故有可能需要更换保险杠和所有相连的传感器,这可能抵消具有
16、多个传感器模块的分布式系统的上风。 假如采用“传统传感器模块,那么需进展自检和故障报告,以实现整个系统的平安运转,但是其还未到达智能传感器模块的程度。 固然纯粹的驾驶员信息系统可以在它们的功能受到损害时关闭并将其通报给驾驶员,但是高度自主驾驶功能就没有那么自由了。想象一下一辆汽车正在执行紧急制动操纵,然后又忽然解除并松开制动器的情况。或讲,汽车在公路上行驶时,整个系统关闭,而此时驾驶员正在汽车“全自动驾驶状态下呼呼大睡将来可能的一个场景。在驾驶员可以平安控制车辆之前,系统需要继续保持工作一段时间,而这至少需要有几秒到半分钟。系统必须运行到何种程度,以及怎样确保在故障情况下运转,这些问题在业内似
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