ADASIS的工作原理以及ADAS實現的技術方案

首先高精度地圖不同於普通地圖,普通導航地圖是給人看的,而高精度地圖是面向機器,供自動駕駛汽車使用的地圖數據。

普通的導航系統基於普通的導航電子地圖提供基礎道路導航功能,包括由 A地到 B地的路徑規劃,車輛和道路的定位匹配,用於查詢目的地的 POI檢索,在結合地圖顯示和道路引導的功能等。

而作為駕駛員的人類具有提取信息、關聯信息、過濾信息、視覺判斷的能力,結合導航系統提供的這些相對粗略的信息就足夠完成日常的導航和駕駛需要。

可是作為自動駕駛車輛來說,無法完成諸如聯想、解意、信息整合等工作,也許有一天人工智能足以匹敵人腦,但目前還遠達不到人腦的高度,所以必須提供精細的地圖信息。

因此高精度地圖就需要具備輔助完成實現高精度的定位位置功能、道路級和車道級的規劃能力、以及車道級的引導能力。

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所謂的高精度地圖,實際上是和我們現在已經普及的普通導航電子地圖做比較來說的

高精度,一方面是說高精度電子地圖的絕對座標精度更高。絕對座標精度指的是地圖上某個目標和真實的外部世界的事物之間的精度。另一方面,高精度地圖所含有的道路交通信息元素更豐富和細緻。

普通的導航電子地圖的絕對座標精度大約在 10米左右,由於是輔助駕駛員做導航使用,外加上 GPS設備的定位精度也在 10米左右,所以這樣的精度夠用了。

而應用在自動駕駛領域的高精度地圖就不行了,自動駕駛汽車需要精確的知道自己在路上的位置,往往車輛離馬路牙子和旁邊的車道也就幾十釐米左右,所以高精度地圖的絕對精度一般都會在亞米級,也就是 1米以內的精度,而且橫向的相對精度(比如,車道和車道,車道和車道線的相對位置精度)往往還要更高。

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高精度地圖不僅有高精度的座標,同時還有準確的道路形狀,並且每個車道的坡度、曲率、航向、高程,側傾的數據也都含有

雖然高精度地圖如此高大上,但是目前由於相關配套技術和環境等條件還不成熟,各大車廠也都計劃在 2020年以後才逐漸應用高精度地圖,所以目前的自動駕駛應用地圖中,還有另一種介於普通的導航電子地圖和高精度地圖之間,也就是本文著重介紹的應用在ADAS(主動安全場景)的地圖。

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這種地圖的的精度一般在 1-5米左右,它是在普通的導航電子地圖的基礎上進行了擴充,比如在道路上補充了一些坡度、曲率、航向的一些輔助信息。另外也涵蓋了車道數量、車道寬度的信息,並且道路的精度和形狀信息更加的準確,只是這些信息的精度都和高精度地圖有一個數量級的差別。

這種地圖在自動駕駛車輛的感知傳感器足夠豐富的時候也是能支持自動駕駛而使用的,它的大部分應用場景主要是為了主動安全使用的。

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接下來,在 ADAS和自動駕駛兩個層面聊一聊如何來使用高精度地圖。

這次我們先講講 ADAS(主動安全)中如何使用地圖。

其實說到 ADAS,我們首先想到的諸如 ACC(自適應巡航),LDW(車道偏離預警),LKA(車道保持),FCW(前車碰撞預警)。而這些技術已經成熟,產品也已經量產,在近幾年的高端車輛上裝配,並且這些技術都和攝像頭,毫米波雷達以及車身控制器有關,貌似和地圖並沒有多大關係。實際上,如果結合了地圖,這些功能會變得更強大。

下面我們來舉幾個例子。

ACC(自適應巡航)實際上是由駕駛員設置一個最高的巡航速度,車上由前置的傳感器,如攝像頭或毫米波雷達來確認車輛正前方的可通行區域內是否有車輛,如果有車輛,則在安全制動距離內跟車,如果沒有車輛,則加速到設置的循航速度。注意這裡要特別強調「車輛正前方」,也就是車頭的直線方向。如果是在直線行駛,或者道路曲率幾乎可以視為直線的情況下,這種自適應巡航的功能是很棒的。

可是如果在彎道中,如下圖,左側車道中的車輛的傳感器會錯誤的認為右方車道的車輛在自己前方,於是立即減速。可實際上車輛完全可以保持正常速度過彎。

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亦或者,如下圖中,左側車道的車輛根本就察覺不到自己車道內前方轉彎處有一輛車,也許車輛跟上去的時候,或者前車突然緊急剎車時,已經來不及減速,繼而就容易發生事故了。

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接著我們來講講地圖在 ADAS實現的技術方案以及 ADASIS的工作原理。

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乘著自動駕駛的這股熱風,ADAS概念越來越為人們所熟知,ADAS產品也越來越普及,車廠與供應商們也都腦洞大開不斷研發各種新的 ADAS產品,提供越來越安全、輕鬆、環保的駕駛體驗。

例如:ACC、FCW、LKA、前車燈跟隨等等。

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ADAS的實現離不開車輛上的各種如攝像頭和雷達等感知傳感器,但無論是多麼豪華的傳感器都是有其感知的侷限性,或者稱為感知範圍。

如果能夠讓車輛獲取到更遠地方的數據,那麼 ADAS的功能必然可以得到增強。

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如何得到遠方的數據呢?

在目前的技術條件下,獲取遠方數據的方式有很多,比如 V2X技術,通過前方車輛或道路兩旁的 V2X設備向車輛發送路況信息;

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又或者通過雲技術也可以實現,從雲端下發車輛收集的道路信息。但是這些方式都存在建設成本相對較高、建設週期長的問題。

還有就是地圖。經過導航軟件的普及,歐美、日本、中國的電子地圖實際上基本比較成熟,而由於 ADAS對地圖的精度要求不是很高,只需要在普通的導航電子地圖上追加一些 ADAS屬性,比如曲率、坡度、Heading Angle、更加精確的車道數量等屬性即可提供道路先驗知識,製作成本相對不高。

於是,地圖作為一種特殊的傳感器(Map Sensor)融入 ADAS系統。

ADAS系統包括感知系統、通信系統、決策系統和控制系統,地圖信息如何在車輛的各個子系統中傳輸。為了消除各圖商、ADAS零部件供應商之間協議的差異,並且更有利於 ADAS地圖的推廣,圖商、車廠、ADAS零部件供應商聯合起來成立了 ADASIS Forum制定地圖與 ADAS系統之間的通信協議,也就是 ADASIS。

ADASIS全稱 Advanced Driver Assistance Systems Interface Specifications,即是ADAS的接口說明。ADASIS定義了地圖在 ADAS中的數據模型及傳輸方式,以 CAN作為傳輸的通道。現在 DASIS Forum被劃入 ERTICO(ITS Europe,歐洲的智能交通組織)。

目前 ADASIS已經發布了 v1和 v2版本。

在 ADASIS v1中,系統會根據車輛當前位置以及最終目的地,提取所有的路徑規劃方案,將其中最為優先的路徑稱為最可能路徑,而其他方案為備份方案。所有的方案都會被提取並進行重構,並最終給出選擇哪條路徑以及如何駕駛通過的建議,傳遞到不同的 ADAS系統中,但是導致系統中傳遞的數據量過大,所以並沒有被車廠量產,越來越多的企業擯棄 v1而推出了自己的通信方案。

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由於 ADASIS v1的不成熟嚴重影響了 ADASIS的推行,最終經過 ADASIS Forum的討論,在排除企業內部因素之外,分析出企業不願意使用 v1的最主要原因在於標準過於複雜。複雜的通訊協議以及要求傳輸的數據過多,會讓開發者在數據提取單元與重構單元上花費大量的時間與成本,這顯然是不被車廠接受的。

因而,ADASIS v2誕生了,著重改進在降低系統佔用的 CAN總線資源,以及使用最小原則提取並重構數據。目前 ADASIS v2已經被多家車廠採用。

宏觀上 ADASIS v2結構中包含以下幾個部分:

  • ADAS Horizion Provider:地圖信息提供者,負責數據組織與發送;

  • ADAS Protocol:ADASIS協議;

  • ADAS Application(ADAS Horizion Reconstructor):ADAS應用,負責數據接收與解析及數據的使用;

  • CAN Bus:作為信息傳送的通道。

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ADASIS v2 System Architecture

在 ADASIS v2中,傳輸依照單路徑(path)概念。也就是傳遞數據的時候只選擇最有可能行駛的一條路徑(實際上是地圖上規劃出來的路徑),對於可能存在的備選路徑,則以路徑中的交叉路口(stub)來表示。每個交叉路口之間的路徑稱之為路段,路段被視為構成路徑的基本單元,以每一個路段為單位,再進行數據的分析與利用。

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ADASIS v2 Data Model

路段上屬性則通過 Profile和 Segment來描述。Segment描述路段大部分相同的屬性,Profile則描述剩餘的屬性,同時對屬性數據進行壓縮。另外傳輸數據時也不是每次發送所有數據,而是查詢到數據變更或有新的數據才發送。這種數據組織與發送的方式去掉了大量冗餘數據,減輕了通信負荷。

最後還有 Position用來實時描述當前位置。

ADAS Horizion Provider遵循 ADASIS協議將以上信息發送到 CAN總線上。ADAS Application(ADAS Horizion Reconstructor)選擇性的從 CAN總線上獲取自己有用的信息,重構地圖,完成自己的應用。這樣一來,ADAS地圖數據可以有效的傳輸到使用端,並且車輛改造最小,對 CAN總線的影響也最小,最重要的是一切都是符合車規要求。


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