武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 李必軍
1.車用電子地圖發(fā)展
地圖是一個(gè)重要的基礎(chǔ)設(shè)施,前些年在做無人駕駛,特別是中國做無人駕駛的時(shí)候,一開始是不讓使用地圖的,現(xiàn)在我們非常依賴地圖,在地圖里面有很多很多的技術(shù)問題需要解決。
我們現(xiàn)在主要在L2-L3階段之間,很多人已經(jīng)提出了地圖已經(jīng)成為無人駕駛最核心的部分,關(guān)于這個(gè)國內(nèi)外已經(jīng)達(dá)成了共識。其實(shí),地圖發(fā)展具有很長的歷史。從地圖在汽車的應(yīng)用方面可以分為三個(gè)階段,第一個(gè)階段是導(dǎo)航,從2000年左右開始,中國已經(jīng)有了導(dǎo)航電子地圖,導(dǎo)航電子地圖基本的內(nèi)容是三要素,可以輔助駕駛員進(jìn)行導(dǎo)航。第二階段是安全,我們現(xiàn)在提出無人自動駕駛,對地圖提出了很大很新的要求,很多要求厘米級的定位,包括很多相關(guān)參數(shù)。
圖1 車用電子地圖的發(fā)展階段
目前國家車載級的高精度定位跟環(huán)境感知還是比較弱,全世界都是這樣,還有很大的問題需要解決。我們主要用地圖解決傳感器實(shí)效性情況下的感知問題,比如說超世界范圍的,超物理極限的問題,必須要用地圖作為支撐,要實(shí)現(xiàn)車道級的定位、規(guī)劃跟導(dǎo)引,這是目前提出的新要求。
這個(gè)新的要求和我們目前車位發(fā)展階段、車位發(fā)展水平還是有比較大的差異,也對我們的技術(shù)提出了很多挑戰(zhàn)。從未來發(fā)展來看,智能化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化是行業(yè)發(fā)展的重要趨勢,人機(jī)共駕是目前的一個(gè)重要的階段,而且也是不可突破的,從人機(jī)共駕到自主駕駛中大家都認(rèn)可的厘米級的高精度地圖,是一個(gè)核心。國內(nèi)有很多地圖生產(chǎn)商在進(jìn)行地圖的開發(fā)包括研制,其中還有跨界的,包括汽車廠、傳感器相關(guān)產(chǎn)商,以及汽車商都在進(jìn)行地圖相關(guān)的研發(fā)和投資并購,這樣也促進(jìn)了地圖產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。
2.實(shí)時(shí)測繪技術(shù)介紹
典型的采集車數(shù)據(jù)處理做深度學(xué)習(xí)、機(jī)器視覺,在基礎(chǔ)識別、目標(biāo)識別上能夠提高數(shù)據(jù)的處理能力。遺憾的是這樣的采集車基本上要達(dá)到200萬左右的量級才能達(dá)到10公分厘米級的精度,這是國內(nèi)外的基本情況,以目前的水平要達(dá)到10公分的精度,應(yīng)該以200萬左右的采集裝備,如果把這個(gè)裝備放到汽車上進(jìn)行銷售,基本沒有消費(fèi)者會買這樣的車,這就帶來了一個(gè)問題,我們怎么樣來進(jìn)行這樣的高精度地圖的制作和采集?從目前來看要完成這樣的傳感器設(shè)備,目前國內(nèi)的平均水平大概每人每天能夠處理不到20公里,如果按照國內(nèi)現(xiàn)在的400多萬公里公路來預(yù)估,需要1萬人耗時(shí)20年才能夠把中國的地圖高精度覆蓋。
四維圖形做也需要200年才能把中國的高精度地圖做完,在當(dāng)下這種基礎(chǔ)水平下,提利用高精度地圖進(jìn)行無人駕駛,好像不可能。這種情況下怎么辦?我們要等高精度地圖覆蓋了才能進(jìn)行這樣的處理?所以這里面有很多的挑戰(zhàn)需要我們行業(yè)之間共同協(xié)調(diào)進(jìn)行協(xié)同發(fā)展,其中高精度地圖的一些基本特征,除了幾何信息之外,還有動態(tài)信息、紅綠燈、些障礙物等信息,都是需要處理的,在這個(gè)基礎(chǔ)上,結(jié)合我們團(tuán)隊(duì)的一些研究,我們提出一個(gè)新的問題,我們是不是需要這樣高精度的地圖才能進(jìn)行無人駕駛?這是今年7月份負(fù)責(zé)做的實(shí)驗(yàn),是由像素引發(fā)的問題,其核心是在測試過程中有一個(gè)大概10公分左右的像素出現(xiàn)了問題,所有的車在這個(gè)地方都有一個(gè)同樣的規(guī)避行為,一個(gè)像素出問題,在我們測試中是很容易發(fā)生的事情,這種錯誤是難免的。在采集過程中有很多臨時(shí)的坑洼,人工智能的識別問題會導(dǎo)致地圖跟實(shí)際的情況有些差異,進(jìn)而導(dǎo)致一些這樣的偏離。
地圖用在千家萬戶,用在很多車上,所以會出現(xiàn)共同的特征,那么我們怎么解決?我們無人駕駛應(yīng)該什么樣的地圖?是不是需要這樣的無縫高精度地圖,可以提出一個(gè)場景地圖,把駕駛過程看成是一個(gè)場景接一個(gè)場景的過程,人類駕駛、人類認(rèn)知主要是三要素,參照點(diǎn)距離跟方向,所以我們結(jié)合人人之間的位置的交換,主要是基于這種模式進(jìn)行,那么場景地圖核心是什么?是一種精細(xì)化的地圖,包含了在道路上所有的人、車等等的動靜態(tài)障礙物,是對真實(shí)事件全面的反映,而地圖是一種抽象的表示,在不斷地提升,從綜合來看,不斷的提升是一種抽象。要對這個(gè)事件進(jìn)行精細(xì)化的表示,是一個(gè)非常大的工作量。
我們目前做的都是這樣的工作,從左邊到右邊,中間進(jìn)行了大量的計(jì)算跟轉(zhuǎn)接,實(shí)際上是為人的駕駛進(jìn)行的輔導(dǎo),我們怎么樣讓計(jì)算機(jī)自動識別從場景到場景的切換而不需要這樣的計(jì)算過程,這是場景地圖學(xué)未來重要的研究內(nèi)容,怎么樣為計(jì)算機(jī)做自動過程。大家都知道這里面的識別,場景中的目標(biāo)識別還是非常困難,而且效率也是非常低,基于這種場景地圖,我們很多觀念就會發(fā)生變化,場景地圖是一個(gè)局部視覺,它沒有絕對的經(jīng)緯度,在這里我不知道自己的經(jīng)緯度是多少,但是我跟大家的相互關(guān)系是很明確的,這是它的內(nèi)容。內(nèi)容非常豐富,目標(biāo)是動態(tài)變化的。里面幾何關(guān)系復(fù)雜,沒有連續(xù)的概念,相對關(guān)系是比較明確。
基于這種場景的引導(dǎo)是我們?nèi)祟愸{駛的一個(gè)基本特征,人類駕駛的時(shí)候主要是引導(dǎo),看著前車怎么樣走,看實(shí)際情況進(jìn)行引導(dǎo)。在這種情況下,我們怎么樣來建立這樣的地圖,既能滿足無人駕駛的需要,又能滿足現(xiàn)在的水平,是我們重要的內(nèi)容。這是我們做的實(shí)驗(yàn),是一幅道路場景,現(xiàn)在無人駕駛最大的問題是場景過多,場景完全靠人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)來做,工作量非常大。這里面有幾個(gè)問題,第一個(gè)是定位問題,也是目前最關(guān)鍵、最核心的問題,怎么樣實(shí)現(xiàn)這樣的定位,我們提出一個(gè)概念,能不能在普通的導(dǎo)航地圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行這樣的比較高精度的相對到位。導(dǎo)航地圖是一個(gè)絕對定位,我們通過GPS,5米左右的精度問題不太大,但是如果要在在隧道、高架等情況下,連續(xù)實(shí)現(xiàn)這樣高精度,目前是做不到的,我們能不能做運(yùn)動型的?像手機(jī)的計(jì)步、軌道計(jì)算一樣,我們在這個(gè)基礎(chǔ)上,把相對定位做好,通過我們的場景里面目標(biāo)的相對關(guān)系做好,這是目前的方向。
圖2 定位技術(shù)
我們將定位分成兩個(gè)部分,一個(gè)是橫向的,另一個(gè)是縱向的,橫向的精度可以通過車道線,通過相對關(guān)系保證比較高精度的定位,而縱向的差一兩米或者差更多的問題不大,主要是保證不跟前面的車輛及其他物體發(fā)生碰撞,到路口還有幾米等等這樣的關(guān)系,這種高精度定位橫向應(yīng)該達(dá)到什么精度,縱向應(yīng)該達(dá)到什么精度,這樣可以把成本大大降低,技術(shù)手段上可以實(shí)現(xiàn)比較大的跨越。
這里包括基于車道實(shí)現(xiàn)的橫向高精度相對定位,而不是絕對定位,通過道路線的約束,通過里面視覺標(biāo)簽形成絕對定位,通過相互關(guān)系實(shí)現(xiàn)相對定位,包括通過場景特殊的地理視覺標(biāo)簽來實(shí)現(xiàn)絕對定位,這樣就可以把傳感器的成本進(jìn)行大幅降低。
圖3 攝影測量與機(jī)器視覺技術(shù)
網(wǎng)聯(lián)車每一輛車都是一個(gè)平臺,通過感知可以實(shí)現(xiàn)車道級的實(shí)時(shí)交通計(jì)算,在這方面也與四維圖形和一些汽車廠合作做過一些方案與研究,通過機(jī)器視覺速度,可以計(jì)算交通信息,通過大量的網(wǎng)聯(lián)車輛,在后臺可以實(shí)現(xiàn)比較高精度的實(shí)時(shí)的交通信息,也可以通過網(wǎng)聯(lián)平臺實(shí)現(xiàn)快速的地圖生產(chǎn),這樣就可以把一家生產(chǎn)企業(yè)做的工作,通過大量的聯(lián)網(wǎng)感知車輛實(shí)現(xiàn)地圖的快速生產(chǎn),避免專業(yè)化的精度要求,同時(shí)提高生產(chǎn)效率。
圖4 激光點(diǎn)云處理技術(shù)(語義理解)
我們通過機(jī)器視覺進(jìn)行目標(biāo)的識別,在地圖里會有標(biāo)簽,通過標(biāo)簽反算車輛的位置?;邳c(diǎn)云,從語義上,我們要知道每個(gè)點(diǎn)云代表的特征是什么,到底是汽車還是行人等等,這也是地圖的重要研究內(nèi)容,問題是怎么樣提高包括共享在內(nèi)的實(shí)時(shí)性。這是我們基于網(wǎng)聯(lián)車的群體感知,我們以出租車的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,相關(guān)內(nèi)容也發(fā)表在國內(nèi)頂級期刊雜志上,其中的核心是什么?現(xiàn)在出租車的定位精度很差,數(shù)據(jù)也很稀疏,我們在這個(gè)基礎(chǔ)上,能夠?qū)崿F(xiàn)比較精細(xì)化的高度變化檢測,包括精細(xì)化的道路級的生產(chǎn),這個(gè)生產(chǎn)是可以為無人駕駛服務(wù)的。這個(gè)車道級幾何的提取,主要是基本的特征。這個(gè)精度比較低,傳統(tǒng)的普通GPS定位水平就能夠做到這樣,但關(guān)鍵是要基于大量的車輛來做,這也是一個(gè)網(wǎng)聯(lián)車重要的后臺研究內(nèi)容。
要實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有地圖包括增加實(shí)時(shí)感知信息,建立動態(tài)反饋等方面的一些兼容,以快速生成道路信息。場景地圖未來的網(wǎng)絡(luò)平臺,未來眾智的服務(wù),也是現(xiàn)在地圖引領(lǐng)未來發(fā)展方向,而不是僅靠現(xiàn)有的幾家地圖生產(chǎn)廠,僅靠每家后面幾百人的隊(duì)伍,顯然做不到無人駕駛的地圖快速生產(chǎn)。自動駕駛不一定是先采后用,可以邊采邊用,這樣就不需要我們等200年才能覆蓋中國的高精度地圖,當(dāng)然未來這方面還會有很多內(nèi)容,我們也做了分時(shí)租賃最后一公里的問題,現(xiàn)在的共享單車共享經(jīng)濟(jì)發(fā)展態(tài)勢良好,我們共享單車走到哪可以停到哪,但是汽車不能這樣,特別是電動汽車,應(yīng)該停在固定的停車位,我們召之即來、用完就回到它的車位去,自動來自動取,這個(gè)應(yīng)該是未來的工作方向。我們自己做了一個(gè)APP,針對無人駕駛、電動車也做了大量的實(shí)驗(yàn),分時(shí)租賃未來在網(wǎng)聯(lián)上面也是一個(gè)重要的內(nèi)容。
3.未來發(fā)展趨勢
對于未來的發(fā)展趨勢,高精度、高時(shí)效、低成本是未來發(fā)展的方向也是目前面臨的挑戰(zhàn),現(xiàn)有的采位技術(shù)是不可能實(shí)現(xiàn)無人駕駛,目前要基于高精度地圖實(shí)現(xiàn)無人駕駛是不可能的。沒有高精度地圖,也不可能先做兩個(gè)城市的高清地圖,只在北京、上海兩個(gè)城市跑,而在武漢就沒有高精度地圖。所以在未來智能化、動態(tài)化、大眾化應(yīng)該是未來的發(fā)展方向,需要跨界的合作、跨界的經(jīng)營,地圖商跟汽車商、人工智能計(jì)算機(jī)相互合作,共同把每個(gè)短板提高,而不是把測繪精度提的很高很高,其他的完全靠著地圖跑軌跡這樣的方式,這個(gè)未來是不現(xiàn)實(shí)的,所以未來也是需要這樣去做。
無人駕駛最終是說感知+地圖,通過感知降低地圖精度要求,通過地圖來降低感知的難度,這樣是一個(gè)比較可靠的項(xiàng)目。有了地圖就知道紅綠燈在什么地方,看紅綠燈的顏色就行了,告訴你紅綠燈的精度緯度是多少,感知就可以提前做,而傳感器也可以在地圖的指導(dǎo)下發(fā)揮作用,這樣計(jì)算量也可以降低。所以這是相互的,因?yàn)槲覀冇辛烁兄晕覀儾恍枰敲锤叩木?,我們有包括車道線在內(nèi)的很多約束,我們的精度也可以降下來,這樣整體成本就可以達(dá)到一個(gè)比較合適的位置。
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