無人駕駛技術(shù)——看不見的“傳感器”高精度地圖

　　下圖從要素、系統(tǒng)、用途方面更為清晰地囊括了傳統(tǒng)地圖和高精度地圖的側(cè)重點(diǎn)：

　　高精度地圖的應(yīng)用

　　高精度地圖只是一個靜態(tài)的數(shù)據(jù)，在實(shí)際使用時，不可能一開始就將全國的地圖導(dǎo)入到系統(tǒng)中，這樣不僅費(fèi)時，而且會占用系統(tǒng)很多資源。高精度地圖的供應(yīng)商(圖商)除了提供高精度地圖外，還會提供一個叫做“地圖引擎”的軟件。由這個軟件負(fù)責(zé)整個高精度地圖的資源調(diào)度，無人車只需要告訴“地圖引擎”現(xiàn)在的大致位置以及想要去的地方，“地圖引擎”就會將這個過程中所要用到的高精度地圖數(shù)據(jù)發(fā)布出來，供無人車使用。數(shù)據(jù)流如下圖所示。

　　高精度地圖的應(yīng)用需要配合高精度的定位。

　　高精度定位，至少包含無人車當(dāng)前的位置和航向角。位置是指無人車GPS天線安裝位置所在的經(jīng)度、緯度、高度;航向角，是指無人車車頭的朝向與正北方向的夾角。

　　理論上，已知兩個點(diǎn)的經(jīng)緯高，即可計算出兩個點(diǎn)的相對位置。那為什么還需要提供精確的航向信息呢?

　　如下圖所示，如果無人車想要實(shí)現(xiàn)沿高精度地圖車道線直線行駛，在有正確的經(jīng)緯高和航向角情況下，車道線上的一系列點(diǎn)在無人車坐標(biāo)系下的相對關(guān)系如下圖(圖中黑點(diǎn))。根據(jù)車道線規(guī)劃出來的軌跡(綠線)是與車道平行的直線。

　　試想一下，如果這時候航向值變得不準(zhǔn)，比如偏了幾十度。由于經(jīng)緯高沒有變化，因此車道線上的所有點(diǎn)距離無人車中心的距離是保持不變的，但這些點(diǎn)會以中心旋轉(zhuǎn)。得到的車道線在無人車坐標(biāo)系下的相對關(guān)系如下圖。

　　根據(jù)此車道線規(guī)劃出來的軌跡，會讓無人車認(rèn)為必須要轉(zhuǎn)一個角度才能實(shí)現(xiàn)車道保持。最終造成的控制結(jié)果就是，無人車一直在原地打轉(zhuǎn)。由此可見無人車的航向角是很重要的定位信息。

　　充分利用高精度地圖的作用將對無人駕駛有如下幫助：

　　提升無人車的感知能力

　　比如，在天氣良好的情況下，車載傳感器能夠檢測出車道線、障礙物、路沿、可通行空間等，但對于道路坡度、道路曲率的檢測無能為力。這些數(shù)據(jù)有助于無人車的控制，剛好高精度地圖可以提供。

　　再比如，當(dāng)遇到暴雨/大雪/沙塵等惡劣天氣，車載傳感器很難感知到遠(yuǎn)處的障礙物、車道線信息。而定位+高精度地圖的配合是可以提供諸如車道線、路沿和可通行空間這些信息的，增加系統(tǒng)的信息冗余。

　　結(jié)合車載傳感器信息，提升定位精度

　　之前曾介紹過現(xiàn)有的無人車高精度定位在某些情況下也會出現(xiàn)定位不準(zhǔn)的情況。因此僅依靠GPS的定位方案可靠性太差。

　　業(yè)內(nèi)通用的定位方式是GPS+高精度地圖+攝像機(jī)(激光雷達(dá)等)信息融合的定位方法。先看一個視頻，了解一下業(yè)內(nèi)是如何結(jié)合車載傳感器信息做定位的。

　　首先根據(jù)GPS的數(shù)據(jù)(經(jīng)緯高和航向)確定無人車大致處于哪條道路上，這個位置的可能與真實(shí)位置有5～10米的差距。

　　根據(jù)車載傳感器檢測的車道線(虛、實(shí)線)及道路邊緣(路沿或護(hù)欄)的距離與高精地圖提供的車道線及道路邊緣做比對，然后修正無人車的橫向定位。

　　根據(jù)車載傳感器檢測到的廣告牌、紅綠燈、墻上的標(biāo)志、地上的標(biāo)志(停止線、箭頭等)，與高精地圖提供的同一道路特征(POI)進(jìn)行匹配，進(jìn)而修正縱向定位和航向。在沒有檢測到任何道路特征的情況下，可以通過航位推算進(jìn)行短時間的位置推算。

　　無人車的定位算法通常采用粒子濾波的方法，需要多個計算周期后，定位結(jié)果才會收斂，進(jìn)而提供一個相對穩(wěn)定的定位結(jié)果。粒子濾波的算法原理我會在隨后的系列文章中介紹。

　　高精度地圖的挑戰(zhàn)

　　挑戰(zhàn)一：高精度地圖的眾包

　　高精度地圖雖然好用，但目前還無法大規(guī)模地生產(chǎn)，大部分內(nèi)外業(yè)處理還是由人工來完成標(biāo)注和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。而且僅僅靠地圖公司的幾十上百輛采集車在道路上采集，很難保證地圖數(shù)據(jù)的實(shí)效性，即無法保證地圖數(shù)據(jù)足夠“新鮮”。

　　因此圖商都希望能在量產(chǎn)車的前裝攝像頭上做文章，讓這款攝像頭具備L2以上自動駕駛能力外，還能夠?qū)⒉杉瘓D像預(yù)處理后的數(shù)據(jù)傳到云端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新。當(dāng)一個地點(diǎn)的實(shí)際情況被足夠多的私家車檢測到與地圖不符時，由圖商確認(rèn)信息后，對地圖進(jìn)行相應(yīng)的更新。這樣一來，地圖數(shù)據(jù)迭代地足夠快，就能更好地服務(wù)于高精度地圖生態(tài)和無人車了。

　　挑戰(zhàn)二：高精度地圖的政策

　　地圖政策的這項(xiàng)挑戰(zhàn)僅存在于國內(nèi)。

　　高精度地圖和國防息息相關(guān)，因此高精度地圖的采集和使用在國內(nèi)是受到嚴(yán)格限制的。目前我國僅有14家單位具有甲級地圖測繪資質(zhì)，這就意味著，只有這14家圖商具有高精度地圖采集和使用的權(quán)利。無人駕駛初創(chuàng)公司如果想使用高精度地圖，要么強(qiáng)依賴這14家圖商，要么在法律的紅線上做研究。

　　由于測繪資質(zhì)政策的存在，我覺得國外的無人駕駛技術(shù)想要染指中國的市場，并不是一件簡單的事情。即便是博世這種Tier1中的大佬，沒有國內(nèi)圖商的幫助，想要擴(kuò)張他們的無人駕駛技術(shù)，依然會寸步難行。

　　結(jié)語

　　在高精度地圖領(lǐng)域有一句很有意思的話，叫做Make the invisible visible。這句話可以作為本篇分享的總結(jié)。

　　這篇分享的內(nèi)容基本上涵蓋了大部分高精度地圖的知識以及其在無人車領(lǐng)域的應(yīng)用。如果你對高精度地圖還有什么疑問，可以在評論區(qū)留言互動。