本文主要關(guān)注自動駕駛中的環(huán)境感知任務(wù)，內(nèi)容包括感知技術(shù)的起源，現(xiàn)狀以及最新的發(fā)展趨勢。感知任務(wù)大多涉及算法設(shè)計，因此本文的介紹也以算法為主線，特別是深度學習的算法。此外也會涉及一些數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)測試，算法部署以及量產(chǎn)感知系統(tǒng)的分析。自動駕駛中的環(huán)境感知包含了自動駕駛和環(huán)境感知兩個概念。首先，什么是自動駕駛呢？下面是維基百科上對自動駕駛汽車的定義。自動駕駛汽車，又稱無人駕駛車、電腦駕駛車、無人車、自駕車，為一種需要駕駛員輔助或者完全不需操控的車輛。作為自動化載具，自動駕駛汽車可以不需要人類操作即能感測其環(huán)境及導航。上述定義里有幾個關(guān)鍵詞。首先是汽車，我們這里所說的自動駕駛技術(shù)涉及的是汽車，而不是飛機火車之類的交通工具。其次是感知環(huán)境和導航，也就是說自動駕駛汽車可以自主的采集和理解周邊環(huán)境信息，并根據(jù)設(shè)定的目的地進行決策和行進。最后是需要駕駛員輔助或者完全不需操控，這里涉及到自動駕駛系統(tǒng)的分級，是一個非常重要的概念，下面稍微展開說一下。自動駕駛技術(shù)不是從0到1的質(zhì)變，而是一個漸變迭代的過程。關(guān)于自動駕駛系統(tǒng)的分級，目前最常用的標準是由SAE（美國汽車工程師學會）制定的。不同機構(gòu)制定的標準會略有不同，但是基本的概念是一致的。下表對L0（人工駕駛）到L5（完全自動駕駛）六個級別進行了總結(jié)。這些定義可能有些難懂，但是與車輛上不同的功能結(jié)合起來就容易理解了。比如說，汽車中現(xiàn)在標配的防抱死制動系統(tǒng)（ABS）和車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)（ESP）就都屬于L1級。此外，定速巡航、自適應(yīng)巡航（ACC）以及車道保持輔助 （LKA）也屬于L1級的范疇，因為它們只能在一個方向上（橫向或縱向）操控車輛。如果同時實現(xiàn)了 ACC和LKA，那么這輛車就來到了L2級。對于L2及其以下級別的系統(tǒng)來說，車輛的駕駛員都需要監(jiān)控周圍環(huán)境并隨時做好接管的準備。這一點非常關(guān)鍵，這也是很多L2級的車輛出現(xiàn)交通事故的主要原因，也就是駕駛員對系統(tǒng)期望過高，在駕駛過程中沒有時刻保持對周邊環(huán)境的關(guān)注。如果一個車輛配備了某種Pilot系統(tǒng)，比如Traffic Jam Pilot，那么就達到了L3級。這就意味著，在某些特定的場景下（比如高速公路，堵車等），駕駛員不需要時刻監(jiān)控當前路況，可以松手，松腳，松眼，只需要在系統(tǒng)提示時接管車輛即可。在這種限定的情況下，駕駛員已經(jīng)成為了乘客。對于L4級的系統(tǒng)，目前只存在于演示車輛中。我們平時看到的諸如“某廠家的車輛在某道路上實現(xiàn)了XX小時無人工接管的自動行駛”，這都屬于L4級別的范疇，與L3最大的區(qū)別是不需要人工接管了，在限定場景下可以實現(xiàn)車輛的完全自主行駛。L5級就是把“限定場景”這個條件也去掉了。這個級別的車輛最大的特點就是沒有方向盤了，所有人都是乘客，車輛的所有操控權(quán)都屬于系統(tǒng)。了解了自動駕駛是什么以后，再來看看自動駕駛系統(tǒng)是怎么實現(xiàn)的。一般來說，自動駕駛系統(tǒng)包含感知，決策和控制這三個主要模塊。粗略來說，這三個模塊對應(yīng)生物系統(tǒng)的眼睛，大腦和四肢。感知系統(tǒng)（眼睛）負責了解周圍障礙物和道路的信息，決策系統(tǒng)（大腦）根據(jù)周圍的環(huán)境以及設(shè)定的目標決定下一步需要執(zhí)行的動作，而控制系統(tǒng)（四肢）則負責執(zhí)行這些動作，比如轉(zhuǎn)向，加速，剎車等。進一步來說，感知系統(tǒng)里又包括了環(huán)境感知和車輛定位兩個任務(wù)。環(huán)境感知負責檢測各種移動和靜止的障礙物（比如車輛，行人，建筑物等），以及收集道路上的各種信息（比如可行駛區(qū)域，車道線，交通標志，紅綠燈等），這里需要用到的主要是各種傳感器（比如攝像頭，激光雷達，毫米波雷達等）。車輛定位則根據(jù)環(huán)境感知得到的信息來確定車輛在環(huán)境中所處位置，這里需要高精度地圖，以及慣性導航（IMU）和全球定位系統(tǒng)（GPS）的輔助。本文主要關(guān)注環(huán)境感知系統(tǒng)，重點會介紹攝像頭，激光雷達和毫米波雷達這三種主要的傳感器，以及它們的融合。不同的傳感器有著不同的特性，各自都有優(yōu)缺點，因此也適用于不同的任務(wù)。攝像頭是感知系統(tǒng)中最常用的傳感器，優(yōu)勢在于能夠提取豐富的紋理和顏色信息，因此適用于目標的分類。但是其缺點在于對于距離的感知能力較弱，并且受光照條件影響較大。激光雷達在一定程度上彌補了攝像頭的缺點，可以精確的感知物體的距離和形狀，因此適用于中近距的目標檢測和測距。但是其缺點在于成本較高，量產(chǎn)難度大，感知距離有限，而且同樣受天氣影響較大。毫米波雷達具有全天候工作的特點，可以比較精確的測量目標的速度和距離，感知距離較遠，價格也相對較低，因此適用于低成本的感知系統(tǒng)或者輔助其它的傳感器。但是缺點在于高度和橫向的分辨率較低，對于靜止物體的感知能力有限。環(huán)境感知系統(tǒng)中的多種傳感器
特斯拉的純視覺傳感器配置（L2級）b. 2017年夏天奧迪發(fā)布的第四代A8其中最大的亮點就是搭載了Traffic Jam Pilot（TJP）系統(tǒng)。前文提到了，TJP系統(tǒng)已經(jīng)屬于L3的范疇，因此奧迪A8可以說是全球首個“量產(chǎn)”的L3級系統(tǒng)。為什么加上引號呢，這是因為該功能在交付的車輛中一直沒有開啟，用戶只能在奧迪自己的演示車中體驗。奧迪官方的解釋是法規(guī)方面的問題，但其實最核心的原因還是技術(shù)方面的，也就是L3中的所謂的“接管悖論”問題。在60公里時速以下的結(jié)構(gòu)化道路堵車場景中，TJP系統(tǒng)允許駕駛員低頭玩手機或者睡覺。這時如果出現(xiàn)突發(fā)狀況，可能就會出現(xiàn)接管不及的情況。雖然奧迪在2019年底取消了L3級自動駕駛項目，但是這個探索也為后續(xù)的L4和各種高級L2系統(tǒng)的研發(fā)提供了寶貴的經(jīng)驗。這套系統(tǒng)中傳感器方案：奧迪A8全車共有12個超聲波傳感器、4個全景攝像頭、1個前置攝像頭、4個中程雷達、1個遠程雷達、1個紅外攝像機。此外，奧迪A8首次搭載了一個4線的車規(guī)級激光雷達，并且配備中央駕駛輔助系統(tǒng)控制單元（zFAS），這些都是L3級自動駕駛系統(tǒng)的必備選項。奧迪A8的傳感器配置（L3級）c. Waymo的傳感器方案從L2到L3，再到L4，傳感器方面最大的變化就是增加了激光雷達，而且數(shù)量逐漸增加。比如，在Waymo的傳感器方案中，除了前向的激光雷達外，還增加了后向和車頂?shù)?60度激光雷達。而且激光雷達的線束數(shù)量顯著提高，可以達到300米左右的感知范圍。除了Waymo，其它各家公司的L4系統(tǒng)都不可避免的包含了一個或者多個激光雷達。從目前的技術(shù)發(fā)展趨勢來看，實現(xiàn)L4級的自動駕駛主要還是靠增加傳感器，從而大幅提升對駕駛路況和環(huán)境的感知能力，而這其中最重要的就是激光雷達。到了L4級，車輛在限定場景下完全自主行駛，這時99%的準確度就不夠了，而需要的是99.99999%的準確度，而激光雷達就是小數(shù)點后幾位的保障。這種保障來自激光雷達與其它各種傳感器之間的配合，而不僅僅是簡單的堆疊，因此高效精確的傳感器融合在L4級的系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用。Waymo的傳感器配置（L4級）
