編者按：廣義的車輛定位系統(tǒng)不僅能夠?yàn)?a href="http://www.www27dydycom.cn/v/tag/472/" target="_blank">無(wú)人駕駛車輛提供準(zhǔn)確的本車位置信息，還有其他道路交通參與者相對(duì)于本車的位置信息。文章對(duì)現(xiàn)有的車輛定位傳感器和協(xié)作式技術(shù)進(jìn)行了綜述，從自動(dòng)駕駛車輛對(duì)定位系統(tǒng)需求的角度進(jìn)行了分析，最終對(duì)不同的定位技術(shù)從精度、可靠性、可用性、檢測(cè)范圍和視場(chǎng)、維度、目標(biāo)分辨和識(shí)別、系統(tǒng)延遲以及非技術(shù)的角度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。本文收錄于17年Sensors期刊。

1 摘要

未來(lái)駕駛輔助系統(tǒng)將依賴于準(zhǔn)確、可靠和連續(xù)的其他道路交通參與者的位置信息，這些交通參與者包括：行人、自行車和其他車輛。通常解決這一問題的方案是采用車載的測(cè)距傳感器。雷達(dá)、激光雷達(dá)和基于視覺的系統(tǒng)能夠檢測(cè)到視線內(nèi)的物體。與這些非協(xié)作式傳感器相反的是，協(xié)作式傳感器遵循的策略是所有的道路參與者主動(dòng)地提供估計(jì)的相對(duì)位置信息。可以使用基于車車通訊的協(xié)作式方法彌補(bǔ)車載測(cè)距傳感器檢測(cè)范圍、視角和設(shè)施堵塞的缺陷。協(xié)作式策略和非協(xié)作式策略的融合從定位的準(zhǔn)確性和魯棒性角度來(lái)考慮似乎都能夠得到最大的益處。本文給讀者提供一個(gè)關(guān)于不同車輛相對(duì)定位技術(shù)的綜合性概述。

2引言

用于車輛相對(duì)定位的測(cè)距傳感器和技術(shù)可以概括為下圖，首先分為兩大類：非協(xié)作式定位和協(xié)作式定位。非協(xié)作式定位包括：雷達(dá)、激光掃描儀、視覺和TOF攝像機(jī)；協(xié)作式定位包括：基于轉(zhuǎn)發(fā)器的測(cè)距（根據(jù)射頻信號(hào)直接估算相對(duì)距離）和基于GNSS的相對(duì)定位（通過通訊的方式傳遞GNSS測(cè)得的位置相關(guān)信息，包括GNSS解算得到的位置和原始的GNSS信息，如偽距）。具體對(duì)各個(gè)定位技術(shù)的介紹請(qǐng)參見原文，限于篇幅，本譯文只進(jìn)行部分翻譯，著重于定位需求的分析以及對(duì)各個(gè)定位技術(shù)的評(píng)價(jià)。

3 需求分析

3.1精度（Accuracy）

一般來(lái)講，測(cè)量系統(tǒng)的精度可以定義為測(cè)量值和真實(shí)值的接近程度。在定位系統(tǒng)中采用測(cè)量值和真值的差值來(lái)定量描述該接近程度。通常定位系統(tǒng)中的精度指的是三維的定位精度，然而在車輛應(yīng)用當(dāng)中由于車輛是在道路上行駛的，一般不太關(guān)注垂直的車輛位置，因此一般采用二維的位置精度。定位的精度一般定量的描述為均方根誤差（RMSE，Root Mean Squared Error）或者其它慣例比如95%置信區(qū)間。當(dāng)評(píng)價(jià)車輛相對(duì)定位系統(tǒng)的精度時(shí)，通常將沿軌跡方向和垂直軌跡方向的精度區(qū)分對(duì)待。尤其是對(duì)于車載測(cè)距傳感器，需要區(qū)別對(duì)待測(cè)距精度和測(cè)量角度的精度。

同測(cè)得的相對(duì)位置和相對(duì)速度信息一樣，當(dāng)前測(cè)量結(jié)果的不確定性信息對(duì)于駕駛輔助應(yīng)用也是有用的。根據(jù)目標(biāo)車輛檢測(cè)距離、視角、目標(biāo)物體的材質(zhì)以及環(huán)境條件的不同，傳感器的精度也會(huì)有所不同。理想的相對(duì)定位系統(tǒng)應(yīng)該能夠提供沿軌跡和垂直軌跡方向的高精度、無(wú)偏差的相對(duì)位置和速度信息，還包括當(dāng)前估計(jì)的不確定性。Shladover and Tan 指出1m的定位精度在碰撞預(yù)警可接受的邊緣，而50cm的精度會(huì)顯著的提升系統(tǒng)的性能。

3.2可靠性（Reliability）

特別是對(duì)于安全關(guān)鍵應(yīng)用（safety-critical applications），系統(tǒng)的可靠性是非常重要的因素。一個(gè)系統(tǒng)可能精度很高，但是如果不夠可靠也不行。在系統(tǒng)工程中，可靠性也稱為完整性。完整性給出了“可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)提供信息的正確性進(jìn)行的信任度量”。完整性還包括在超過特定參數(shù)的誤差極限時(shí)提供警報(bào)的能力。完整性分析產(chǎn)生特定參數(shù)的置信區(qū)間，即所謂的保護(hù)級(jí)別，以及完整性風(fēng)險(xiǎn)，即測(cè)量不包含在保護(hù)級(jí)別內(nèi)的概率。雖然在民用航空中對(duì)所有相關(guān)的操作部件施加了嚴(yán)格的完整性要求，但在公路運(yùn)輸領(lǐng)域才剛剛開始特別考慮完整性。道路車輛功能安全標(biāo)準(zhǔn)（ISO 26262）定義了所謂的汽車安全完整性等級(jí)，以量化車輛內(nèi)部的每個(gè)功能，軟件和硬件組件相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)以及與安全關(guān)鍵應(yīng)用相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3可用性（Availability）

定位系統(tǒng)盡可能地可用是非常重要的，多種原因會(huì)導(dǎo)致可用性降低?；贕NSS的定位系統(tǒng)可能在衛(wèi)星視線完全阻塞的情況下不可用，例如在隧道中。不僅是GNSS，任何類型的基于無(wú)線電的定位系統(tǒng)都可以通過干擾信號(hào)而變得不可用?；谝曈X的測(cè)距系統(tǒng)可能不適用于霧、大雨或夜間等條件。

只有當(dāng)各車輛配備有所需的定位和通信設(shè)備時(shí)協(xié)作式方法才可用。在早期開發(fā)階段，較低的滲透率將產(chǎn)生事實(shí)上的低可用性。因此為了給安全系統(tǒng)提供連續(xù)的操作，對(duì)可用性的要求應(yīng)達(dá)到接近100％。

3.4檢測(cè)范圍和視場(chǎng)（Detecting Range and Field of View）

激光掃描儀和視覺等測(cè)距系統(tǒng)具有視線特性，這意味著它們只能測(cè)量可以直接看到的相鄰障礙物的位置，并且很容易被其他車輛，建筑物或周圍的地形所阻擋。這些系統(tǒng)還受到它們有限的發(fā)射功率或傳感器靈敏度的限制。此外其視野也有限，由它們掃描環(huán)境的方位角和仰角的張角所定義，為了克服這種限制，需要在車輛周圍放置多個(gè)傳感器以獲得360度的環(huán)境視圖。而利用V2V通信和全向天線，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的全方位感知。

3.5維度（Dimension）

空間中的位置是三維分量，因此它是一種相對(duì)的位置坐標(biāo)。許多相對(duì)定位系統(tǒng)單獨(dú)使用僅能夠測(cè)量一維或二維的相對(duì)位置?；贕NSS的協(xié)作式解決方案能夠在車輛之間提供完整的3D相對(duì)位置。

3.6目標(biāo)分辨和識(shí)別（Target Resolution and Identification）

目標(biāo)的分辨指的是分辨不同對(duì)象的能力。量化目標(biāo)的數(shù)量并隨著時(shí)間的推移對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤對(duì)于駕駛輔助系統(tǒng)來(lái)說非常重要。臨近的目標(biāo)可能會(huì)被車載測(cè)距傳感器錯(cuò)誤地合并為一個(gè)單獨(dú)的對(duì)象。系統(tǒng)檢測(cè)和跟蹤目標(biāo)的最大數(shù)量會(huì)受到測(cè)距傳感器內(nèi)部處理能力以及車載處理能力的限制。根據(jù)道路環(huán)境的不同，為獲得與安全相關(guān)的應(yīng)用所需的對(duì)物體的辨識(shí)，將需要跟蹤多達(dá)100個(gè)目標(biāo)。另外，隨著時(shí)間的推移對(duì)目標(biāo)的明確識(shí)別是對(duì)于相對(duì)定位解決方案的進(jìn)一步要求，即在檢測(cè)和跟蹤中斷時(shí)為同一目標(biāo)提供相同的ID。

3.7系統(tǒng)延遲（System Delay）

安全相關(guān)的駕駛輔助應(yīng)用，通常具有需要快速響應(yīng)和高動(dòng)態(tài)的特性。警報(bào)系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出警報(bào)并且控制系統(tǒng)能夠平穩(wěn)地響應(yīng)相對(duì)位置的變化是十分重要的。為此，來(lái)自相對(duì)位置設(shè)備的信息必須在短時(shí)間內(nèi)處理并以足夠高的速率輸出。在隊(duì)列行駛中，追求快速可靠地控制車輛的速度和轉(zhuǎn)向。雖然今天的ACC應(yīng)用需要10 Hz到20 Hz的更新速率，但未來(lái)的碰撞檢測(cè)和預(yù)碰撞應(yīng)用需要高達(dá)50 Hz的更新速率。

測(cè)量的輸出頻率是一個(gè)重要因素。測(cè)量的延遲（即從物理事件發(fā)生直到輸出到應(yīng)用程序所經(jīng)過的時(shí)間）也是很重要的，因?yàn)樗鼘?dǎo)致前向碰撞預(yù)警（FCA）障礙物檢測(cè)的延遲或者在隊(duì)列應(yīng)用中控制的不穩(wěn)定。例如，雷達(dá)傳感器和激光掃描儀對(duì)速度變化不敏感，它們只能通過對(duì)連續(xù)測(cè)量量的觀測(cè)來(lái)估計(jì)加速度，并因此受到延遲增加的影響。直接傳輸車輛傳感器信息的協(xié)作式解決方案將克服該限制。然而，V2V通信將引入傳播和通信系統(tǒng)的延遲。

3.8 非技術(shù)方面的要求（Non-Technical Requirements）

在評(píng)估某個(gè)相對(duì)定位系統(tǒng)的適用性時(shí)，還應(yīng)考慮其他非技術(shù)要求或限制。比如在商用客貨運(yùn)車輛中，價(jià)格起著重要作用。某種相對(duì)定位解決方案的成本不僅是在汽車中裝載該設(shè)備的直接價(jià)格，還需要考慮二次成本，包括安裝和維護(hù)成本，處理能力，重量和功耗，以及所產(chǎn)生的噪音和熱量。在使用基于基礎(chǔ)設(shè)施通信（例如蜂窩通信）的協(xié)作式解決方案中，可以預(yù)期運(yùn)行成本會(huì)以月費(fèi)或年費(fèi)的形式以維持基礎(chǔ)設(shè)施和使用許可頻帶。

4結(jié)論

本文對(duì)不同協(xié)作式和非協(xié)作式的測(cè)量相對(duì)位置的傳感器和用于當(dāng)前駕駛輔助系統(tǒng)以及未來(lái)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的技術(shù)做了總結(jié)，并列于下表中。上文所述的需求分析也在增加在了表中來(lái)定量的衡量以上的各種技術(shù)，通過采用5個(gè)符號(hào)（++，+，o，-，--）來(lái)表明傳感器在某一方面的性能的優(yōu)劣（++最好，--最弱，o表示性能中等）。

在線的測(cè)距傳感器比如雷達(dá)傳感器和激光掃描儀能夠提供較高的距離精度，但雷達(dá)傳感器側(cè)向的分辨率較低，激光掃描儀能夠提供較高精度的側(cè)向距離。兩者均能夠?yàn)榘踩嚓P(guān)應(yīng)用提供可接受的更新頻率（>10Hz），但是只有雷達(dá)能夠直接提供相對(duì)速度信息。基于視覺的系統(tǒng)只能估計(jì)近距離車輛的距離，并且必須使用有關(guān)物體和背景的附加信息來(lái)估計(jì)距離更遠(yuǎn)車輛的距離信息。只能通過比較連續(xù)圖像的信息來(lái)獲得相對(duì)速度。激光掃描儀和攝像頭系統(tǒng)由于依賴可見光導(dǎo)致可用性較低，并因此對(duì)不理想的照明和氣候條件敏感。最終由激光掃描儀或攝像機(jī)支持的雷達(dá)傳感器是用于安全關(guān)鍵的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)相對(duì)定位非常適合的方法。

基于雷達(dá)和視覺的解決方案在縱向和橫向性能方面能夠相互補(bǔ)充。雷達(dá)傳感器的帶寬增加將使得回波信號(hào)中能包含更多的細(xì)節(jié)信息。雷達(dá)傳感器的研究方向?yàn)楦鼜?qiáng)大、更精確的檢測(cè)和跟蹤算法。此外，用于基于視覺的車輛跟蹤系統(tǒng)的圖像處理算法將繼續(xù)發(fā)展以降低錯(cuò)誤檢測(cè)率和道路物體的錯(cuò)誤分類。

關(guān)于成本，雷達(dá)傳感器在過去十年中價(jià)格下跌，預(yù)計(jì)基于視覺的系統(tǒng)也會(huì)發(fā)生同樣的情況，因?yàn)橄鄼C(jī)技術(shù)已經(jīng)在消費(fèi)市場(chǎng)中占據(jù)了一席之地，并且該技術(shù)已經(jīng)成熟，可以引入汽車領(lǐng)域。而激光掃描儀由于其機(jī)械部件的存在，可能需要更多的時(shí)間才能夠具有足夠的吸引力以便找到市場(chǎng)。

所有非協(xié)作式方法都具有視線特征，并且容易被障礙物阻擋，例如其他車輛或者在彎曲的鄉(xiāng)村道路以及城市環(huán)境中具有有限的范圍。此外，使用RSS（Received Signal Strength，信號(hào)接收強(qiáng)度），RTD（Round-Trip Delay，往返延遲）和TOA（Time-Of-Arrival，到達(dá)時(shí)間）測(cè)量的基于協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)器的方法在非視距條件下表現(xiàn)出太大的誤差。這被認(rèn)為是其應(yīng)用于車輛安全應(yīng)用的重要缺點(diǎn)，因?yàn)槠湫枰皶r(shí)地對(duì)車輛前方的動(dòng)態(tài)事件作出反應(yīng)。而基于V2V通信的協(xié)作式方法可以應(yīng)對(duì)達(dá)到幾百米的視線遮擋，通過車輛之間的定位信息交換來(lái)實(shí)現(xiàn)相對(duì)定位。在這里，不同的解決方案相互競(jìng)爭(zhēng)，以滿足高級(jí)駕駛輔助應(yīng)用的要求。獨(dú)立GNSS解決方案不滿足相對(duì)位置和相對(duì)速度的準(zhǔn)確性和可用性要求。GNSS與車載運(yùn)動(dòng)傳感器和慣性傳感器的融合用于絕對(duì)位置確定，提高了可用性和準(zhǔn)確性。使用GNSS載波相位解決方案可以實(shí)現(xiàn)厘米精確的相對(duì)位置，但是具有對(duì)衛(wèi)星視線阻塞的高靈敏度的缺點(diǎn)，導(dǎo)致有限的可用性并且僅保留用于開放天空?qǐng)鼍啊?/p>

盡管如此，基于GNSS的解決方案在城市峽谷或隧道等具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中的有限可用性和低精度仍然是未來(lái)基于V2V通信的合作方法需要解決的主要問題。高精度地圖將成為未來(lái)自動(dòng)駕駛汽車獲得準(zhǔn)確絕對(duì)位置坐標(biāo)定位的關(guān)鍵。通過使用車載感知傳感器，自動(dòng)駕駛車輛將能夠識(shí)別周圍的特征，并且可以得到自己的位置信息或與其他車輛共享這些信息，以便獲得自己與其他車輛的相對(duì)位置關(guān)系。

協(xié)作式和非協(xié)作式的融合是最有希望的相對(duì)位置估計(jì)方法。建議將具有高精度和對(duì)于照明與氣候條件具有良好魯棒性的雷達(dá)傳感器與具有擴(kuò)展全方位范圍和識(shí)別能力的V2V通信相結(jié)合?；谝曈X的系統(tǒng)和雷達(dá)傳感器將來(lái)可以將最低級(jí)別的協(xié)作式技術(shù)提供的周圍道路使用者的信息納入其中用以改善車輛檢測(cè)和不同目標(biāo)的分辨率。對(duì)于協(xié)作式方法，若將GNSS的偽距和載波相位測(cè)量值進(jìn)行交換，并與運(yùn)動(dòng)傳感器和慣性傳感器信息結(jié)合將能夠提供最高的準(zhǔn)確性、可用性和魯棒性。

審核編輯 ：李倩