聊聊自動(dòng)駕駛 —— 高精度地圖

來(lái)到陌生的城市旅游，通過(guò)提前查看攻略準(zhǔn)備去當(dāng)?shù)靥厣包c(diǎn)游玩，面對(duì)從未來(lái)過(guò)的城市，你很熟練地拿出手機(jī)，在導(dǎo)航App內(nèi)輸入你想去的地點(diǎn)，導(dǎo)航App便立刻給你提供完善的出行建議，讓你可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇，并貼心地給你提供附近的停車(chē)點(diǎn)、用餐點(diǎn)、加油點(diǎn)、購(gòu)物點(diǎn)等信息，讓你有需要時(shí)可以很快找到，而你也由于導(dǎo)航App的幫助，在陌生的城市完全可以放心游玩，這就是導(dǎo)航的常見(jiàn)用處所在。

自動(dòng)駕駛汽車(chē)概念的提出，讓汽車(chē)獨(dú)自完成行車(chē)任務(wù)成為了現(xiàn)實(shí)，自動(dòng)駕駛主要是通過(guò)感知、決策和執(zhí)行三個(gè)主要行為來(lái)實(shí)現(xiàn)。

感知就像人類(lèi)通過(guò)眼睛和耳朵感知周?chē)闆r，自動(dòng)駕駛的感知是通過(guò)激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、高清攝像頭等硬件設(shè)備的周?chē)兄巴ㄟ^(guò)GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）、IMU（慣性測(cè)量單元）、RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）定位等絕對(duì)位置定位組成，用來(lái)搜集車(chē)輛周邊的環(huán)境。

決策就像是人類(lèi)通過(guò)眼睛和耳朵接受到的信息，對(duì)下一步的動(dòng)作做出預(yù)判，車(chē)輛的決策主要包含行為決策、路徑規(guī)劃和相對(duì)位置定位（周?chē)兄?高精度地圖），通過(guò)感知獲取的道路信息，對(duì)方向盤(pán)、加速踏板、制動(dòng)踏板等決定車(chē)輛行為的設(shè)備進(jìn)行決策控制。自動(dòng)駕駛決策主要以感知信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算出經(jīng)過(guò)優(yōu)化的駕駛決策。

執(zhí)行就像是人類(lèi)行走時(shí)的手和腳，自動(dòng)駕駛汽車(chē)基于決策層給出的駕駛決策，自動(dòng)駕駛汽車(chē)的反向盤(pán)、加速踏板、制動(dòng)踏板做出相對(duì)應(yīng)的執(zhí)行動(dòng)作，從而確保自動(dòng)駕駛車(chē)輛可以安全地完成自動(dòng)駕駛?cè)蝿?wù)。

高精度地圖特點(diǎn)

當(dāng)使用自動(dòng)駕駛汽車(chē)時(shí)，輸入預(yù)到達(dá)的目的地，自動(dòng)駕駛汽車(chē)首先要做的就是道路的規(guī)劃和導(dǎo)航，就像我們?cè)谀吧鞘新糜螘r(shí)，通過(guò)導(dǎo)航App來(lái)進(jìn)行道路的選擇和規(guī)劃，但與導(dǎo)航App不同的是，導(dǎo)航App更注重的是街道名稱(chēng)及路徑等信息，只記錄道路級(jí)別的數(shù)據(jù)：道路形狀、坡度、曲率、鋪設(shè)、方向等。自動(dòng)駕駛車(chē)輛所需的是高精度地圖，高精度地圖不僅增加了車(chē)道屬性相關(guān)（車(chē)道線(xiàn)類(lèi)型、車(chē)道寬度等）數(shù)據(jù)，更有諸如高架物體、防護(hù)欄、樹(shù)、道路邊緣類(lèi)型、路邊地標(biāo)等大量目標(biāo)數(shù)據(jù)。高精度地圖能夠明確區(qū)分車(chē)道線(xiàn)類(lèi)型、路邊地標(biāo)等細(xì)節(jié)，給自動(dòng)駕駛車(chē)輛在行駛過(guò)程中提供必要的信息提示。

此外，高精度地圖精度更高，不同于導(dǎo)航App米級(jí)導(dǎo)航，高精度地圖的精度要求達(dá)到厘米級(jí)（Google等高精度地圖精度在10-20厘米級(jí)別）。導(dǎo)航App的作用就是輔助導(dǎo)航，本質(zhì)上與傳統(tǒng)的紙質(zhì)地圖類(lèi)似，而高精度地圖通過(guò)“高精度+高動(dòng)態(tài)+多維度”數(shù)據(jù)，其目的是為自動(dòng)駕駛提供自變量和目標(biāo)函數(shù)的功能。

高精度地圖對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求更高。根據(jù)博世在2007年提出的定義，無(wú)人駕駛時(shí)代所需的局部動(dòng)態(tài)地圖（Local Dynamic Map）根據(jù)更新頻率劃分可將所有數(shù)據(jù)劃分為四類(lèi)：永久靜態(tài)數(shù)據(jù)（更新頻率約為1個(gè)月），半永久靜態(tài)數(shù)據(jù)（頻率為1小時(shí)），半動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)（頻率為1分鐘），動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)（頻率為1秒）。導(dǎo)航App可能只需要前兩者，而高精地圖為了應(yīng)對(duì)各類(lèi)突發(fā)狀況，保證自動(dòng)駕駛的安全實(shí)現(xiàn)需要更多的半動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)以及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，這大大提升了對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的要求。精度地圖是高鮮度、高精度及高豐富度的集合，不論是動(dòng)態(tài)化，還是精度和豐富度，其目的都是為了讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)能夠安全、高效行駛，動(dòng)態(tài)化的高精度地圖可以保證自動(dòng)駕駛汽車(chē)在行駛過(guò)程中及時(shí)、有效地面對(duì)突發(fā)狀況，并選擇最優(yōu)的行駛路徑，讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)可以安全將乘客送達(dá)預(yù)定目的地。

高精度地圖的定義

高精度地圖通俗來(lái)講就是精度更高、數(shù)據(jù)維度更多的電子地圖。精度更高體現(xiàn)在精確到厘米級(jí)別，數(shù)據(jù)維度更多體現(xiàn)在其包括了除道路信息之外的與交通相關(guān)的周?chē)o態(tài)信息。

高精度地圖將大量的行車(chē)輔助信息存儲(chǔ)為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，這些信息可以分為兩類(lèi)。第一類(lèi)是道路數(shù)據(jù)，比如車(chē)道線(xiàn)的位置、類(lèi)型、寬度、坡度和曲率等車(chē)道信息。第二類(lèi)是車(chē)道周邊的固定對(duì)象信息，比如交通標(biāo)志、交通信號(hào)燈等信息、車(chē)道限高、下水道口、障礙物及其他道路細(xì)節(jié)，還包括高架物體、防護(hù)欄、數(shù)目、道路邊緣類(lèi)型、路邊地標(biāo)等基礎(chǔ)設(shè)施信息。

以上這些信息都有地理編碼，導(dǎo)航系統(tǒng)可以準(zhǔn)確定位地形、物體和道路輪廓，從而引導(dǎo)自動(dòng)駕駛車(chē)輛行駛。其中最重要的是對(duì)路網(wǎng)精確的三維表征（厘米級(jí)精度），比如路面的幾何結(jié)構(gòu)、道路標(biāo)示線(xiàn)的位置、周邊道路環(huán)境的點(diǎn)云模型等。有了這些高精度的三維表征，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)可以通過(guò)比對(duì)車(chē)載的GPS、IMU、LiDAR或攝像頭的數(shù)據(jù)精確確認(rèn)自己當(dāng)前的位置。另外，高精度地圖中包含有豐富的語(yǔ)義信息，比如交通信號(hào)燈的位置和類(lèi)型、道路標(biāo)示線(xiàn)的類(lèi)型、以及哪些路面是可以行使等。

高精度地圖的重要性

高精度地圖除了在自動(dòng)駕駛汽車(chē)行駛時(shí)提供導(dǎo)航作用外，還為自動(dòng)駕駛汽車(chē)的安全行駛發(fā)揮了極大作用。

現(xiàn)在自動(dòng)駕駛汽車(chē)行駛過(guò)程中的信息采集主要是通過(guò)激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)及車(chē)載攝像頭等對(duì)道路狀態(tài)進(jìn)行信息采集，其中車(chē)道線(xiàn)的采集也是其中一個(gè)參考目標(biāo)，但部分道路由于長(zhǎng)期沒(méi)人維護(hù)，車(chē)道線(xiàn)就會(huì)磨損消失，自動(dòng)駕駛汽車(chē)缺失了這一參考目標(biāo)就及容易讓車(chē)輛的行駛偏離預(yù)定行駛車(chē)道，高精度地圖的輔助，就可以讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)保持在一個(gè)車(chē)道內(nèi)行駛。

在雨雪、大霧等極端天氣下，硬件設(shè)備的信息采集也會(huì)出現(xiàn)一定程度的失效，為了保證自動(dòng)駕駛汽車(chē)行駛過(guò)程中的安全性，高精度地圖就可以有效進(jìn)行信息的補(bǔ)充，而且在復(fù)雜的道路環(huán)境下，僅僅依靠硬件設(shè)備的信息采集是無(wú)法分辨出紅綠燈信息及車(chē)道信息的，高精度地圖的出現(xiàn)就可以讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)獲得更多的道路信息，從而讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的自動(dòng)控制。

而且在一些如多層立交、隧道等復(fù)雜的道路場(chǎng)景下，為了能夠讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)安全地行駛，利用高精度地圖，結(jié)合視覺(jué)毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等無(wú)源定位的無(wú)源傳感器，實(shí)現(xiàn)自主定位，這種融合定位的方式，會(huì)在實(shí)際使用過(guò)程中大大提高自動(dòng)駕駛的安全性。

多變的道路狀況也是高精度地圖使用的必要原因之一，如部分城市為了有效改善交通環(huán)境，會(huì)設(shè)置潮汐車(chē)道等特殊的交通規(guī)則，還會(huì)對(duì)比分道路設(shè)置限速，此時(shí)就需要使用高精度地圖提前進(jìn)行路徑規(guī)劃，讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)遵守交通規(guī)則。而且還可以借助高精度地圖提供的信息，對(duì)道路狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)，如在車(chē)道合并的路況下，高精度地圖就可以查詢(xún)到輔路入口或者車(chē)道線(xiàn)合并的情況，從而提前做出預(yù)判，高精度地圖也可以根據(jù)左右車(chē)道的虛實(shí)線(xiàn)情況，判斷旁邊車(chē)輛加塞的可能性。

高精度地圖面臨的問(wèn)題

高精度地圖現(xiàn)階段還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，都是各主車(chē)廠(chǎng)對(duì)各自的高精度地圖進(jìn)行信息的采集，相互之間并無(wú)法共用，這就增加了各主車(chē)廠(chǎng)的采集成本。建立統(tǒng)一高精地圖的數(shù)據(jù)模型與交換格式，將有助于減少汽車(chē)制造商的開(kāi)發(fā)時(shí)間和不必要的成本，同時(shí)保證未來(lái)跨品牌車(chē)輛使用的高清地圖都可以不斷共享刷新數(shù)據(jù)。

高精度地圖的采集成本較高，而且更新也比較慢，現(xiàn)在階段，高精度地圖采集測(cè)繪數(shù)據(jù)的方式主要有2大技術(shù)路線(xiàn)，一種以谷歌的地圖測(cè)繪車(chē)為代表，另一種則以特斯拉的“車(chē)隊(duì)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)”(FleetLearning Network)為代表，相當(dāng)于利用量產(chǎn)車(chē)，把測(cè)繪任務(wù)“眾包”出去，調(diào)動(dòng)整個(gè)車(chē)隊(duì)的所有傳感器來(lái)收集數(shù)據(jù)，并通過(guò)云技術(shù)上傳到中央數(shù)據(jù)庫(kù)，最終每一輛車(chē)都是地圖數(shù)據(jù)貢獻(xiàn)者，也是獲得者。

自動(dòng)駕駛的發(fā)展需要多種軟件、硬件技術(shù)的融合，也需要法律法規(guī)的建立，自動(dòng)駕駛是汽車(chē)發(fā)展的趨勢(shì)，但也不是一蹴而就的。也歡迎大家關(guān)注智駕最前沿微信公眾號(hào)，智駕最前沿將繼續(xù)深耕自動(dòng)駕駛領(lǐng)域技術(shù)，與大家聊聊關(guān)于自動(dòng)駕駛發(fā)展的技術(shù)與趨勢(shì)，歡迎大家關(guān)注支持！