1.5.2　激光雷達(dá)在SLAM功能中的應(yīng)用

在記憶泊車(chē)（Home-Zone Parking Pilot，HPP）、自動(dòng)輔助導(dǎo)航駕駛（Navigate on Autopilot，NOA）等L2+或更高級(jí)別的智能駕駛功能中，除了需要對(duì)目標(biāo)、道路環(huán)境等進(jìn)行感知、檢測(cè)之外，還需要系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)確定車(chē)輛的行駛位置，以輔助系統(tǒng)尋找車(chē)位，以及判斷自車(chē)何時(shí)需要變道、下閘道等。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)智能車(chē)全天候、高精度、實(shí)時(shí)的定位呢？我們知道，現(xiàn)有的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）是一種以人造地球衛(wèi)星為基礎(chǔ)的高精度無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航的定位系統(tǒng)，具有全能性（適用于陸地、海洋、航天、航空?qǐng)鼍埃⑷蛐浴⑷旌蛐院蛯?shí)時(shí)性，能夠?yàn)楦黝?lèi)靜止或高速運(yùn)動(dòng)的物體迅速提供精確的瞬間三維空間坐標(biāo)、速度矢量和精確授時(shí)服務(wù)[8]，其定位原理如圖1-16所示。

圖1-16　GPS定位原理示意圖

在實(shí)際工程中，車(chē)載GPS的引入雖然能夠在一般情況下提供智能駕駛車(chē)輛的位置數(shù)據(jù)，但是考慮成本，其定位精度通常為米級(jí)，信號(hào)頻率多為1Hz。此外，在高架橋、地下停車(chē)場(chǎng)、城區(qū)等場(chǎng)景中，車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)的GPS定位信號(hào)往往會(huì)受到樹(shù)木、建筑、隧道等的影響或遮擋，導(dǎo)致GPS位置信息精度降低或信號(hào)完全缺失，該過(guò)程如圖1-17所示。

因此，為了彌補(bǔ)GPS的上述缺點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛分米級(jí)，甚至厘米級(jí)的實(shí)時(shí)定位，業(yè)界的許多研發(fā)團(tuán)隊(duì)使用了高精地圖和高精定位組合的方式。圖1-18給出了常見(jiàn)的車(chē)輛定位系統(tǒng)架構(gòu)。其中，通過(guò)將智能車(chē)行駛中獲取的實(shí)時(shí)激光雷達(dá)點(diǎn)云和圖像與事先建立的高精地圖進(jìn)行幀-圖的匹配，可得到車(chē)輛的絕對(duì)位置估計(jì)，而后將其和GPS信號(hào)結(jié)合，這樣在一定程度上可以降低GPS信號(hào)丟失對(duì)絕對(duì)位置計(jì)算的影響。同時(shí)，基于連續(xù)幀的激光點(diǎn)云、圖像，可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的里程計(jì)功能，并與慣性測(cè)量單元（Interial Measurement Unit，IMU）數(shù)據(jù)、輪速計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的相對(duì)定位。最后，通過(guò)融合上述各定位信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的高精定位。

圖1-17　GPS信號(hào)受外界環(huán)境影響示意圖

圖1-18　車(chē)輛定位系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

一方面，在建圖階段，由于激光雷達(dá)的探測(cè)精度較高且不受光照變化的影響，其對(duì)高精地圖的構(gòu)建起著至關(guān)重要的作用。我們可以使用配備了高精度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（Real Time Kinematic，RTK）設(shè)備、高性能IMU、激光雷達(dá)、相機(jī)等多種傳感器的數(shù)據(jù)采集車(chē)對(duì)道路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。而后，經(jīng)過(guò)離線(xiàn)處理，在點(diǎn)云地圖中進(jìn)一步融入圖像語(yǔ)義信息，標(biāo)明交通標(biāo)志、車(chē)道線(xiàn)、信號(hào)燈、道路曲率等多種背景信息和數(shù)據(jù)，得到最終的高精定位地圖，如圖1-19所示。

另一方面，在定位階段，如前所述，我們可以基于激光雷達(dá)實(shí)時(shí)獲取的點(diǎn)云，實(shí)現(xiàn)激光里程計(jì)和地圖匹配兩種定位功能。其中，激光里程計(jì)是通過(guò)相鄰幀點(diǎn)云間的匹配，根據(jù)對(duì)應(yīng)多個(gè)路標(biāo)或特征點(diǎn)的位置變化，推算出車(chē)輛運(yùn)動(dòng)增量，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的局部定位，該過(guò)程如圖1-20所示。

而激光點(diǎn)云-地圖匹配則是對(duì)實(shí)時(shí)獲取的激光點(diǎn)云和預(yù)先構(gòu)建好的高精定位地圖進(jìn)行匹配，計(jì)算出車(chē)輛在場(chǎng)景中的絕對(duì)位置，該過(guò)程如圖1-21所示。

圖1-19　高精定位地圖示例

圖1-20　激光里程計(jì)示例

圖1-21　實(shí)時(shí)點(diǎn)云和點(diǎn)云地圖匹配示例