本文主要关注自动驾驶中的环境感知任务，内容包括感知技术的起源，现状以及最新的发展趋势。感知任务大多涉及算法设计，因此本文的介绍也以算法为主线，特别是深度学习的算法。此外也会涉及一些数据采集，系统测试，算法部署以及量产感知系统的分析。自动驾驶中的环境感知包含了自动驾驶和环境感知两个概念。首先，什么是自动驾驶呢？下面是维基百科上对自动驾驶汽车的定义。自动驾驶汽车，又称无人驾驶车、电脑驾驶车、无人车、自驾车，为一种需要驾驶员辅助或者完全不需操控的车辆。作为自动化载具，自动驾驶汽车可以不需要人类操作即能感测其环境及导航。上述定义里有几个关键词。首先是汽车，我们这里所说的自动驾驶技术涉及的是汽车，而不是飞机火车之类的交通工具。其次是感知环境和导航，也就是说自动驾驶汽车可以自主的采集和理解周边环境信息，并根据设定的目的地进行决策和行进。最后是需要驾驶员辅助或者完全不需操控，这里涉及到自动驾驶系统的分级，是一个非常重要的概念，下面稍微展开说一下。自动驾驶技术不是从0到1的质变，而是一个渐变迭代的过程。关于自动驾驶系统的分级，目前最常用的标准是由SAE（美国汽车工程师学会）制定的。不同机构制定的标准会略有不同，但是基本的概念是一致的。下表对L0（人工驾驶）到L5（完全自动驾驶）六个级别进行了总结。这些定义可能有些难懂，但是与车辆上不同的功能结合起来就容易理解了。比如说，汽车中现在标配的防抱死制动系统（ABS）和车身电子稳定系统（ESP）就都属于L1级。此外，定速巡航、自适应巡航（ACC）以及车道保持辅助 （LKA）也属于L1级的范畴，因为它们只能在一个方向上（横向或纵向）操控车辆。如果同时实现了 ACC和LKA，那么这辆车就来到了L2级。对于L2及其以下级别的系统来说，车辆的驾驶员都需要监控周围环境并随时做好接管的准备。这一点非常关键，这也是很多L2级的车辆出现交通事故的主要原因，也就是驾驶员对系统期望过高，在驾驶过程中没有时刻保持对周边环境的关注。如果一个车辆配备了某种Pilot系统，比如Traffic Jam Pilot，那么就达到了L3级。这就意味着，在某些特定的场景下（比如高速公路，堵车等），驾驶员不需要时刻监控当前路况，可以松手，松脚，松眼，只需要在系统提示时接管车辆即可。在这种限定的情况下，驾驶员已经成为了乘客。对于L4级的系统，目前只存在于演示车辆中。我们平时看到的诸如“某厂家的车辆在某道路上实现了XX小时无人工接管的自动行驶”，这都属于L4级别的范畴，与L3最大的区别是不需要人工接管了，在限定场景下可以实现车辆的完全自主行驶。L5级就是把“限定场景”这个条件也去掉了。这个级别的车辆最大的特点就是没有方向盘了，所有人都是乘客，车辆的所有操控权都属于系统。了解了自动驾驶是什么以后，再来看看自动驾驶系统是怎么实现的。一般来说，自动驾驶系统包含感知，决策和控制这三个主要模块。粗略来说，这三个模块对应生物系统的眼睛，大脑和四肢。感知系统（眼睛）负责了解周围障碍物和道路的信息，决策系统（大脑）根据周围的环境以及设定的目标决定下一步需要执行的动作，而控制系统（四肢）则负责执行这些动作，比如转向，加速，刹车等。进一步来说，感知系统里又包括了环境感知和车辆定位两个任务。环境感知负责检测各种移动和静止的障碍物（比如车辆，行人，建筑物等），以及收集道路上的各种信息（比如可行驶区域，车道线，交通标志，红绿灯等），这里需要用到的主要是各种传感器（比如摄像头，激光雷达，毫米波雷达等）。车辆定位则根据环境感知得到的信息来确定车辆在环境中所处位置，这里需要高精度地图，以及惯性导航（IMU）和全球定位系统（GPS）的辅助。本文主要关注环境感知系统，重点会介绍摄像头，激光雷达和毫米波雷达这三种主要的传感器，以及它们的融合。不同的传感器有着不同的特性，各自都有优缺点，因此也适用于不同的任务。摄像头是感知系统中最常用的传感器，优势在于能够提取丰富的纹理和颜色信息，因此适用于目标的分类。但是其缺点在于对于距离的感知能力较弱，并且受光照条件影响较大。激光雷达在一定程度上弥补了摄像头的缺点，可以精确的感知物体的距离和形状，因此适用于中近距的目标检测和测距。但是其缺点在于成本较高，量产难度大，感知距离有限，而且同样受天气影响较大。毫米波雷达具有全天候工作的特点，可以比较精确的测量目标的速度和距离，感知距离较远，价格也相对较低，因此适用于低成本的感知系统或者辅助其它的传感器。但是缺点在于高度和横向的分辨率较低，对于静止物体的感知能力有限。环境感知系统中的多种传感器
特斯拉的纯视觉传感器配置（L2级）b. 2017年夏天奥迪发布的第四代A8其中最大的亮点就是搭载了Traffic Jam Pilot（TJP）系统。前文提到了，TJP系统已经属于L3的范畴，因此奥迪A8可以说是全球首个“量产”的L3级系统。为什么加上引号呢，这是因为该功能在交付的车辆中一直没有开启，用户只能在奥迪自己的演示车中体验。奥迪官方的解释是法规方面的问题，但其实最核心的原因还是技术方面的，也就是L3中的所谓的“接管悖论”问题。在60公里时速以下的结构化道路堵车场景中，TJP系统允许驾驶员低头玩手机或者睡觉。这时如果出现突发状况，可能就会出现接管不及的情况。虽然奥迪在2019年底取消了L3级自动驾驶项目，但是这个探索也为后续的L4和各种高级L2系统的研发提供了宝贵的经验。这套系统中传感器方案：奥迪A8全车共有12个超声波传感器、4个全景摄像头、1个前置摄像头、4个中程雷达、1个远程雷达、1个红外摄像机。此外，奥迪A8首次搭载了一个4线的车规级激光雷达，并且配备中央驾驶辅助系统控制单元（zFAS），这些都是L3级自动驾驶系统的必备选项。奥迪A8的传感器配置（L3级）c. Waymo的传感器方案从L2到L3，再到L4，传感器方面最大的变化就是增加了激光雷达，而且数量逐渐增加。比如，在Waymo的传感器方案中，除了前向的激光雷达外，还增加了后向和车顶的360度激光雷达。而且激光雷达的线束数量显著提高，可以达到300米左右的感知范围。除了Waymo，其它各家公司的L4系统都不可避免的包含了一个或者多个激光雷达。从目前的技术发展趋势来看，实现L4级的自动驾驶主要还是靠增加传感器，从而大幅提升对驾驶路况和环境的感知能力，而这其中最重要的就是激光雷达。到了L4级，车辆在限定场景下完全自主行驶，这时99%的准确度就不够了，而需要的是99.99999%的准确度，而激光雷达就是小数点后几位的保障。这种保障来自激光雷达与其它各种传感器之间的配合，而不仅仅是简单的堆叠，因此高效精确的传感器融合在L4级的系统中起到至关重要的作用。Waymo的传感器配置（L4级）
