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引言 | 「高精地圖」之外，還要有「高精定位」
上期我們聊到了高精度地圖在自動(dòng)駕駛中的作用，簡單說它扮演了偵查員、領(lǐng)航員和裁判員。
而相比于多重身份的高精度地圖，我們今天聊的“高精度定位”更專一，因?yàn)樗粚Ｗ⒔鉀Q“我在哪里？”這個(gè)問題。
解決“我在哪里？”，看似目的簡單卻意義重大。就現(xiàn)今的智力水平看，自動(dòng)駕駛汽車像孩子一樣，還處在從爬到走的階段。
▲即便精度高達(dá)20cm或更高的地圖被建立出來，這張地圖中的主角——移動(dòng)的汽車，它在哪里才是一切得以正常運(yùn)轉(zhuǎn)的根基，如果迷失在地圖中，一切努力都會(huì)成為泡影。
我們知道這個(gè)年齡段的孩子對(duì)位置信息的處理還處在初級(jí)水平，特別是對(duì)距離的把握很弱。比如他們覺得夠得著的東西，往往要比想象中遠(yuǎn)。這對(duì)應(yīng)到汽車上就是很難實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位（至少是米級(jí)）。
1單一的GPS定位不靠譜
一聽到定位，首先想到的就是車載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，這也是現(xiàn)今汽車廣為使用的一項(xiàng)配置。
簡單說它是利用內(nèi)置的GPS天線，接收來自高掛在天上的24顆GPS衛(wèi)星中的至少3顆所傳遞的數(shù)據(jù)信息，結(jié)合儲(chǔ)存在車載導(dǎo)航儀內(nèi)的電子地圖，相互匹配以獲得準(zhǔn)確的定位信息。
傳統(tǒng)的GPS的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)低成本定位，作為以人駕駛的汽車而言，這道輔助信息是夠用的。不過民用GPS一般十米左右的定位精度，很難讓人相信它能把自動(dòng)駕駛汽車安全送達(dá)目的地。
▲通過傳統(tǒng)的GPS體驗(yàn)告訴我們，在自動(dòng)駕駛中它還不能獨(dú)當(dāng)一面。
除定位精度不夠外，傳統(tǒng)的GPS還有諸多硬傷：
2GPS+IMU是主流方案的基礎(chǔ)
IMU全稱Inertial measurement unit，是一種慣性測(cè)量手段，簡單說它是利用測(cè)量加速度和旋轉(zhuǎn)速度并輔助以算法，來獲得準(zhǔn)確定位。這項(xiàng)技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于更新頻率比較高，一般可達(dá)到1KHz，相當(dāng)于GPS更新頻率的100倍。
不過IMU并不是萬能的，準(zhǔn)確說它屬于一種準(zhǔn)確度很高的實(shí)時(shí)定位技術(shù)，不擅于長時(shí)定位。為什么說是實(shí)時(shí)定位，是因?yàn)樗谶\(yùn)動(dòng)過程中存在位移誤差、比例誤差以及背景白噪聲誤差，而且這些誤差還會(huì)不斷累積。
這有點(diǎn)像我們?cè)谘┑乩镒咧本€，每一步邁出去相比前一步腳印很直，不過當(dāng)我們轉(zhuǎn)過身去看，其實(shí)已經(jīng)走彎了。
為了彌補(bǔ)IMU的缺點(diǎn)，GPS又被廠家們考慮進(jìn)來。要知道GPS雖然更新頻率較低，但在長時(shí)間定位上不會(huì)出現(xiàn)誤差累積。GPS+IMU的組合方案很好的實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以為車輛定位提供既準(zhǔn)確又足夠?qū)崟r(shí)的位置更新。
▲準(zhǔn)確說還需要帶上路面基站，它能用來增強(qiáng)信號(hào)、消除誤差等。即高精度的差分GPS+慣導(dǎo)IMU+地面基站的組合是現(xiàn)今的主流方法。
在導(dǎo)航方面，通用Super Cruise和特斯拉 Autopilot 1.0都使用了高精度GPS和IMU慣性測(cè)量單元來幫助定位，只不過通用在此基礎(chǔ)上還加入了高精度地圖強(qiáng)化真實(shí)定位效果。
通用此前稱，他們的的GPS定位精度是傳統(tǒng)GPS的4~8倍，可以達(dá)到2米。一般高速公路車道寬度為3.75米，GPS提供的2米精度雖然不算完美，但作為第一道保險(xiǎn)是夠用的。不過關(guān)于IMU慣性測(cè)量單元在其中的權(quán)重，現(xiàn)今公布的不多，更詳細(xì)的技術(shù)信息有待挖掘。
▲雙方明顯的差異點(diǎn)在于地圖，現(xiàn)今Autopilot還是用的普通電子導(dǎo)航地圖，而Super Cruise則使用的是高精度地圖。
《要打敗特斯拉Autopilot，首先你得有一套高精度地圖》中，車聚君有提到高德被通用選中，為凱迪拉克Super Cruise提供高精度地圖?，F(xiàn)在，我們能從另一角度解釋他們達(dá)成合作的原因。
文中我們提到高德在更早前已經(jīng)宣布與千尋位置展開合作，希望以此達(dá)到高精度地圖和高精度定位的雙重效果。所以除了地圖水平高之外，通用可能也看重了高德在定位技術(shù)上的積累。
▲相比傳統(tǒng)的GPS單點(diǎn)定位（精度10米級(jí)），千尋位置能達(dá)到分米級(jí)甚至厘米級(jí)的水準(zhǔn)。一個(gè)重要原因是，其地基增強(qiáng)系統(tǒng)（目前全國覆蓋了1450個(gè)基站）可以將衛(wèi)星發(fā)過來的信息誤差進(jìn)行修改，使定位更加準(zhǔn)確。
更重要的是，這項(xiàng)積累與通用當(dāng)前的定位方案是一致的（GPS+IMU+地基增強(qiáng)系統(tǒng)）。
3感知設(shè)備也能被用來定位
既然感知設(shè)備起到的是“人眼”的作用，那它自然也能幫助定位。以特斯拉Autopilot 2.0為例，其最大的亮點(diǎn)是遍布車身的8個(gè)攝像頭中，至少有一個(gè)可實(shí)現(xiàn)高精度自定位，這也是Autopilot兩個(gè)版本之間的一大區(qū)別點(diǎn)。
不同于Autopilot 1.0版本“GPS+IMU”方案，Autopilot 2.0的高精度定位十分依仗感知設(shè)備。車聚君推測(cè)它的工作方式是：特斯拉通過車載的攝像頭獲取高精度自定位，再結(jié)合其獨(dú)家的「歷史軌跡」信息，最終確認(rèn)精準(zhǔn)位置。
▲“感知設(shè)備+歷史軌跡”的方案不是說GPS就沒用了，只是GPS的高精度要求沒那么迫切了。
為什么它不用高精地圖呢？
特斯拉中國團(tuán)隊(duì)今年一月曾回復(fù)車聚君，他們目前沒有高精地圖的安排。那它是如何獲得可媲美高精地圖的精準(zhǔn)定位呢？
影子模式（shadow-mode），可以讓特斯拉隨時(shí)搜集車主真實(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。該模式在系統(tǒng)后臺(tái)動(dòng)行，不影響車主正常駕駛，亦不需要開啟和關(guān)閉。據(jù)報(bào)道，在2016年底時(shí)特斯拉已經(jīng)收集到了35億英里的數(shù)據(jù)，車聚君推測(cè)目前應(yīng)有60億英里－－即100億公里的累計(jì)里程。
這高達(dá)100億公里的「歷史軌跡」，相當(dāng)于一個(gè)人工采集形成的活地圖，某種程度上可以起到「高精地圖」的作用。再結(jié)合Autopilot 2.0上完備的即時(shí)感知設(shè)備，特斯拉正在用一種“吃獨(dú)食”的方式進(jìn)行「精準(zhǔn)定位」。
至于，特斯拉使用哪一款攝像頭實(shí)現(xiàn)「即時(shí)精準(zhǔn)定位」的功能，車聚君現(xiàn)在還并不知曉。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的2D單目攝像頭、主動(dòng)光深度攝像頭（3D）、雙目攝像頭都是能派上用場(chǎng)的。
與特斯拉Autopilot 2.0類似，Google自駕車子公司W(wǎng)aymo也是希望通過感知設(shè)備自主構(gòu)建三維地圖，覆蓋人行道、路牌、交通燈等細(xì)節(jié)信息，并將傳感器實(shí)時(shí)采集的道路信息數(shù)據(jù)與預(yù)先構(gòu)建的地圖交叉比對(duì)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。
4感知設(shè)備會(huì)在將來派上大用場(chǎng)
雖然現(xiàn)今高精度的GPS+IMU+地面基站的組合被多數(shù)廠家青睞，不過在未來，感知設(shè)備會(huì)派上大用場(chǎng)。
原因很簡單粗暴，因?yàn)檫@個(gè)組合的成本十分高昂，比如為了解決GPS精度不夠等的問題，地面基站的建設(shè)量需求很大。城市道路尚且能滿足，那相對(duì)偏遠(yuǎn)的郊區(qū)呢？
可以說感知設(shè)備的加入，并不一定能獲得更精確更穩(wěn)定的位置信息，不過一定能降低成本。因?yàn)樗⒉皇忠蕾嚜?dú)立的硬件，而是重算法。
關(guān)于感知設(shè)備在自動(dòng)駕駛定位上的作用，車聚君簡單分析了下他們的優(yōu)缺點(diǎn)。
5沃爾沃的一項(xiàng)奇特的定位方案
早在2014年，沃爾沃的科研團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)通過磁場(chǎng)道路幫助車輛實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位的方案，他們?cè)谌鸬涓绲卤こ峭獾脑囓噲?chǎng)修建了一條100米長的試車道，沿路面下方200mm深度，鋪設(shè)了橢圓磁鐵陣列（40mm×15mm），同時(shí)汽車上也裝配了多個(gè)磁場(chǎng)感應(yīng)器以配合定位。
沃爾沃安全防范技術(shù)攻關(guān)組組長Jonas Ekmark表示，“路面上鋪設(shè)磁場(chǎng)猶如形成一道無形的鐵軌，定位誤差低于一分米。我們先后針對(duì)不同車速進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果令人振奮。”
顯然這條無形的“鐵軌”成本會(huì)相當(dāng)高昂，因?yàn)樗哪赀^去了，這項(xiàng)技術(shù)此后并沒有進(jìn)一步深入，這也說明再完美的技術(shù)如果不能壓低成本，那也白搭。也正是基于此，車聚君更加相信感知設(shè)備在自動(dòng)駕駛定位上的廣闊前景。
車聚小結(jié)
以上我們介紹了自動(dòng)駕駛汽車是如何實(shí)現(xiàn)定位的，其實(shí)這只不過是冰山一角。比如在GPS+IMU方案下，我們可以再進(jìn)一步加以延伸，加上感知設(shè)備。而感知設(shè)備的種類又有多項(xiàng)，多種感知設(shè)備相互結(jié)合來提供位置輔助信息也并非不可能。
這種復(fù)雜的結(jié)合方式，我們習(xí)慣給它起一個(gè)時(shí)髦的名字——冗余/魯棒性。大概的意思是說，希望通過盡可能多的備選方案，以防止意外發(fā)生。
再對(duì)比了google、特斯拉、通用等技術(shù)方案的不同后，我們來總結(jié)下這些主流的定位技術(shù)方案。
▲以上信息僅為基礎(chǔ)方案，出于冗余目的，細(xì)節(jié)方案還有待進(jìn)一步考證。
從技術(shù)脈絡(luò)看，已經(jīng)投產(chǎn)的自動(dòng)駕駛方案多數(shù)集中在GPS+IMU（為基礎(chǔ)）上，而代表未來的一些自動(dòng)駕駛方案，則更青睞高精度地圖+感知設(shè)備的結(jié)合。
最后，由于細(xì)節(jié)技術(shù)的不透明性，我們這里提到的信息可能存在一些紕漏，還請(qǐng)相關(guān)專業(yè)人士多多留言，給大家還原一個(gè)更精準(zhǔn)的自動(dòng)駕駛位置定位手段。
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