應(yīng)用于自動(dòng)駕駛車輛最先進(jìn)的定位技術(shù)有哪些

1摘要

實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確和魯棒的定位對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車（AVs）實(shí)現(xiàn)安全、高效駕駛至關(guān)重要，而實(shí)時(shí)性能對(duì)于AVs及時(shí)實(shí)現(xiàn)其當(dāng)前位置以進(jìn)行決策至關(guān)重要。迄今為止，沒有一篇綜述文章定量比較了基于各種硬件平臺(tái)和編程語言的不同定位技術(shù)之間的實(shí)時(shí)性能，并分析了定位方法、實(shí)時(shí)性能和準(zhǔn)確性之間的關(guān)系。因此，本文討論了最先進(jìn)的定位技術(shù)，并分析了它們?cè)贏V應(yīng)用中的整體性能。為了進(jìn)一步分析，本文首先提出了一種基于定位算法操作能力（LAOC）的等效比較方法，以比較不同定位技術(shù)的相對(duì)計(jì)算復(fù)雜性；然后，全面討論了方法論、計(jì)算復(fù)雜性和準(zhǔn)確性之間的關(guān)系。分析結(jié)果表明，定位方法的計(jì)算復(fù)雜性最大相差約107倍，而精度相差約100倍。與基于激光雷達(dá)的定位相比，基于視覺和數(shù)據(jù)融合的定位技術(shù)在提高精度方面的潛力約為2–5倍。基于激光雷達(dá)和視覺的定位可以通過提高圖像配準(zhǔn)方法的效率來降低計(jì)算復(fù)雜性。與基于激光雷達(dá)和視覺的定位相比，基于數(shù)據(jù)融合的定位可以實(shí)現(xiàn)更好的實(shí)時(shí)性能，因?yàn)槊總€(gè)獨(dú)立傳感器不需要開發(fā)復(fù)雜的算法來實(shí)現(xiàn)其最佳定位潛力。V2X技術(shù)可以提高定位魯棒性。最后，討論了基于定量比較結(jié)果的AVs定位的潛在解決方案和未來方向。

2介紹

自動(dòng)駕駛車輛（AVs）有望在未來的智能交通系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，因?yàn)樗鼈冊(cè)诖_保安全駕駛、緩解交通壓力和降低能耗方面具有潛力。目前對(duì)AVs的研究已進(jìn)入道路測(cè)試階段。例如，百度已經(jīng)在復(fù)雜的道路場(chǎng)景中測(cè)試了Apollo 5.0系統(tǒng)，例如沒有特殊標(biāo)記的彎道或十字路口[1]。谷歌Waymo項(xiàng)目也在美國(guó)公共道路上完成了1000多萬英里的路測(cè)，并在模擬中完成了70億英里的路測(cè)[2]。然而，在AVs商業(yè)化之前，該行業(yè)仍需要應(yīng)對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括a）提出實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確和低成本的自定位解決方案；b）實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確的環(huán)境感知模型；c）在復(fù)雜場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)智能、安全和高效的決策。同時(shí)，環(huán)境感知和決策模塊顯著依賴于自動(dòng)駕駛汽車的實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確的自定位，以實(shí)現(xiàn)安全駕駛。因此，自定位是AV的核心要素之一。此外，只有當(dāng)自動(dòng)定位達(dá)到毫秒級(jí)實(shí)時(shí)性能和厘米級(jí)精度時(shí)，才能確保安全駕駛，如避免碰撞[3]。 作為一種典型的方法，地圖匹配算法廣泛應(yīng)用于許多配備激光雷達(dá)[4]、雷達(dá)[5]、相機(jī)[6]或V2X[7]的定位解決方案中。地圖匹配方法之一是使用現(xiàn)有地圖來匹配檢測(cè)到的環(huán)境特征（例如，拐角和道路標(biāo)記），從而獲得車輛位置信息。另一種技術(shù)是在應(yīng)用程序中使用的SLAM，無需先驗(yàn)地圖。它通過同時(shí)構(gòu)建用于順序映射的環(huán)境模型（地圖）來實(shí)現(xiàn)車輛定位。地圖算法主要關(guān)注從各種傳感器提取的抽象數(shù)據(jù)，如激光雷達(dá)、雷達(dá)、相機(jī)或它們的組合。在基于傳感器的定位技術(shù)方面，它依靠車載傳感器來估計(jì)車量車輛的絕對(duì)或相對(duì)位置。之前的綜述對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)討論[8]。在許多基于傳感器的定位研究中，“傳感器”被視為主要的定位傳感器，作者試圖探索一種主要基于其測(cè)量的創(chuàng)新方法，旨在解決某些特殊場(chǎng)景中的定位挑戰(zhàn)。這并不意味著定位系統(tǒng)僅使用單個(gè)傳感器來實(shí)現(xiàn)車輛定位。作為解釋這一概念的示例，對(duì)于基于IMU的定位，參考文獻(xiàn)[9]提出了一種交互多模型（IMM）方法，通過使用IMU和里程計(jì)傳感器數(shù)據(jù)來消除由全球定位系統(tǒng)（GPS）中斷或GPS信號(hào)塊引起的系統(tǒng)漂移，從而提高了此類駕駛場(chǎng)景中的定位魯棒性和完整性性能。基于傳感器的定位技術(shù)可以指導(dǎo)AV定位系統(tǒng)的部署，包括如何選擇能夠滿足實(shí)時(shí)性能的傳感器、定位算法、融合算法和計(jì)算資源。此外，關(guān)注定位輸入（傳感器硬件）可以讓讀者更好地了解不同系統(tǒng)部署在準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、魯棒性和成本方面的優(yōu)缺點(diǎn)。因此，本次調(diào)查將從車載傳感器開始，討論不同的基于傳感器的定位技術(shù)，然后討論V2X定位技術(shù)，最后討論基于數(shù)據(jù)融合的定位。 圖1顯示了車輛不同自定位技術(shù)，包括車載傳感器、V2X和基于數(shù)據(jù)融合的技術(shù)?；谲囕d傳感器的定位系統(tǒng)，包括基于主動(dòng)和被動(dòng)傳感器的技術(shù)，依靠車載傳感器感知周圍環(huán)境，然后估計(jì)車輛位置?；赩2X的定位方法與周圍環(huán)境節(jié)點(diǎn)（例如，相鄰車輛或基礎(chǔ)設(shè)施）通信，以接收其位姿信息，包括基于車輛對(duì)車輛（V2V）和車輛對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）的技術(shù)，這些技術(shù)可以為定位算法提供多個(gè)參考坐標(biāo)。數(shù)據(jù)融合不是一種直接感測(cè)位置的方法，而是一種后處理定位感測(cè)技術(shù)。其目標(biāo)是融合各種傳感器的測(cè)量結(jié)果，以獲得比單個(gè)傳感器更好的結(jié)果。

基于主動(dòng)傳感器的定位通過車載傳感器（包括激光雷達(dá)、雷達(dá)和超聲波傳感器）主動(dòng)感知周圍環(huán)境以估計(jì)車輛位置。它們的測(cè)距原理是相同的，這是基于到達(dá)時(shí)間（TOA）方法的。它們的區(qū)別在于信號(hào)載體，即激光雷達(dá)、雷達(dá)和超聲波傳感器的激光、無線電和超聲波。信號(hào)載波波長(zhǎng)的差異導(dǎo)致這些傳感器的成本和精度的顯著變化。例如，激光雷達(dá)通常成本最高，但精度最好，超聲波[10]-[13]的情況正好相反。 基于被動(dòng)傳感器的定位被動(dòng)地接收環(huán)境信息，從中計(jì)算車輛位置。傳感器包括GPS、IMU和視覺（例如，單目或雙目攝像機(jī)）。根據(jù)空間三角測(cè)量方法，GPS需要在開闊的天空區(qū)域中有三顆或更多的衛(wèi)星來獲取車輛位置（2–10m）。GPS的優(yōu)點(diǎn)是成本低，但在城市環(huán)境中，它經(jīng)常遭受多徑和nonline-of-sight（NLOS）誤差以及緩慢的位置更新率。IMU使用高頻采樣率（>100Hz）測(cè)量車輛加速度和轉(zhuǎn)速。因此，可以通過給定初始姿態(tài)的航位推算來推導(dǎo)車輛的位置和方向[14]。盡管IMU具有快速的位置刷新率和高可靠性，但它也容易出現(xiàn)大量累積錯(cuò)誤。基于視覺的定位通過使用來自單目或雙目相機(jī)的圖像作為輸入來估計(jì)車輛位置。這類似于根據(jù)平面三角測(cè)量確定障礙物位置的人類視覺系統(tǒng)。圖像中豐富的環(huán)境信息可以在適當(dāng)?shù)恼彰鳁l件下提供令人滿意的定位性能，但消耗大量的內(nèi)存和計(jì)算資源。 基于V2V的定位是指vehicular ad hoc network（VANET）下的自動(dòng)駕駛車輛，使用專用短程通信（DSRC）或長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)來確定其他車輛的位姿，從而提高車輛的位置精度?；赩2I的定位是指目標(biāo)車輛和靜態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信，使用它們的精確已知位置來確定目標(biāo)車輛位置。基礎(chǔ)設(shè)施的類型包括磁性標(biāo)記、射頻識(shí)別（RFID）標(biāo)簽、路邊單元（RSU）和GPS基站?；赩2X的定位具有廣泛的全局感知范圍（300m[15]），但可能會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)延遲和城市擁堵的影響。 已經(jīng)發(fā)表了許多調(diào)查，總結(jié)了現(xiàn)有的自定位技術(shù)，并全面討論了它們的優(yōu)缺點(diǎn)以及每種基于傳感器的方法的潛在應(yīng)用。然而，在評(píng)估各種定位方法時(shí)，最新的綜述文件僅關(guān)注以下方面：

a） 經(jīng)濟(jì)和可靠的定位技術(shù)[8]，其中經(jīng)濟(jì)對(duì)應(yīng)于定位系統(tǒng)的成本，可靠對(duì)應(yīng)于定位性能（包括準(zhǔn)確性和可靠性），這些技術(shù)可以在各種駕駛場(chǎng)景（例如，下雪天氣）中實(shí)現(xiàn)；

b） 準(zhǔn)確度、可靠性和可用性[16]，其中與定位系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的可用性應(yīng)在不同環(huán)境中可用，例如隧道中基于GPS的定位系統(tǒng)，在通信延遲的情況下的V2V方法；

c） 魯棒性和可擴(kuò)展性[17]，[18]，其中與定位系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的魯棒性在不同季節(jié)和交通條件下以低故障率長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，可擴(kuò)展性與車輛處理大規(guī)模自動(dòng)駕駛的能力相對(duì)應(yīng)。

自動(dòng)定位的實(shí)時(shí)性能是評(píng)估AV安全駕駛的關(guān)鍵指標(biāo)之一。上述調(diào)查還提到，研究人員在設(shè)計(jì)定位系統(tǒng)時(shí)應(yīng)仔細(xì)考慮不同技術(shù)的計(jì)算負(fù)載和實(shí)時(shí)性能。然而，到目前為止，還沒有調(diào)查對(duì)不同的自定位技術(shù)的實(shí)時(shí)性能進(jìn)行比較和深入討論。通過比較駕駛員行為對(duì)決策過程的反應(yīng)時(shí)間[28]。論文進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述，以展示從感知障礙物到執(zhí)行控制動(dòng)作的時(shí)刻，AV行為的反應(yīng)時(shí)間，如表I所示。根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)際測(cè)試，為了滿足安全駕駛，AV的整個(gè)決策過程的反應(yīng)時(shí)間通?？s短至0.5s。然而，在極端情況下，檢測(cè)和識(shí)別模塊、規(guī)劃和決策模塊以及執(zhí)行模塊將占用近0.5秒，這導(dǎo)致為定位模塊預(yù)留的執(zhí)行時(shí)間非常有限。因此，快速實(shí)時(shí)定位解決方案可以為AV系統(tǒng)的其他模塊（如決策）節(jié)省計(jì)算資源，以實(shí)施復(fù)雜的策略以確保安全駕駛。目前，在各種硬件平臺(tái)和編程語言上呈現(xiàn)了不同定位解決方案的實(shí)時(shí)性能。直接使用每個(gè)自定位研究論文提供的數(shù)據(jù)來比較實(shí)時(shí)性能沒有意義，也不能反映AV中內(nèi)存和計(jì)算資源的相對(duì)消耗。也沒有調(diào)查對(duì)同一基準(zhǔn)下各種定位解決方案的計(jì)算復(fù)雜性進(jìn)行量化，這與定位系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能和部署成本有關(guān)。本文旨在研究現(xiàn)有的最先進(jìn)的定位技術(shù)，并著重于提出的每種解決方案的創(chuàng)新算法或方法，以及在實(shí)時(shí)性能、準(zhǔn)確性和魯棒性方面的整體定位性能；提出一種等效方法，定量比較基于各種硬件平臺(tái)和編程語言的不同定位解決方案之間的相對(duì)實(shí)時(shí)性能；最后總結(jié)現(xiàn)有的定位技術(shù)，并基于AV中的定量比較結(jié)果討論潛在的解決方案和未來方向。表II總結(jié)了論文的調(diào)查與最近現(xiàn)有調(diào)查之間的關(guān)系和差異。

3基于主動(dòng)傳感器的定位

基于激光雷達(dá)的定位

基于激光雷達(dá)的定位通常需要預(yù)先構(gòu)建參考地圖，以與點(diǎn)云數(shù)據(jù)或激光雷達(dá)反射強(qiáng)度數(shù)據(jù)相匹配。但在沒有先驗(yàn)地圖的情況下，它將使用SLAM技術(shù)構(gòu)建實(shí)時(shí)地圖以與先前生成的地圖匹配。在AVs的應(yīng)用中，高維地圖包含豐富的特征信息，這提高了位置估計(jì)精度，但降低了存儲(chǔ)效率并增加了處理時(shí)間[29]，[30]。 Im等人[31]基于城市道路兩側(cè)建筑物的垂直角建立了一維角地圖，用于匹配和定位。他們使用迭代端點(diǎn)擬合來提取垂直角的特征，并根據(jù)垂直線的長(zhǎng)度和方向構(gòu)建角特征圖。然后，他們應(yīng)用特征匹配和點(diǎn)云數(shù)據(jù)來計(jì)算車輛位置。由于提取的特征信息較少，該方法減少了匹配時(shí)間和地圖數(shù)據(jù)文件大?。s14KB/km）。然而，最大水平位置誤差達(dá)到0.46m；此外，這種方法不適用于沒有建筑物的地區(qū)。參考文獻(xiàn)[32]構(gòu)建了由基于道路標(biāo)記的道路反射密集圖和基于垂直結(jié)構(gòu)的概率占用網(wǎng)格圖組成的2D占用網(wǎng)格圖。首先，他們通過提取道路標(biāo)記和拐角的線條特征，構(gòu)建了一個(gè)1D擴(kuò)展線地圖（ELM）。這些要素僅包含直線兩個(gè)端點(diǎn)的緯度和經(jīng)度信息。然后，他們將ELM轉(zhuǎn)換為2D網(wǎng)格地圖，以便在定位過程中進(jìn)行匹配。與[31]相比，[32]增加了道路標(biāo)記特征以提高準(zhǔn)確性性能，但該方法將ELM數(shù)據(jù)大小增加到134KB/km。 用于激光雷達(dá)定位的二維平面地圖匹配在當(dāng)前的研究中非常流行。例如，Levinson等人[4]通過使用SLAM式松弛算法來構(gòu)建沒有任何潛在移動(dòng)物體的平坦地面反射圖，然后使用部分濾波器（PF）來關(guān)聯(lián)激光雷達(dá)，從而獲得車輛定位。為了進(jìn)一步提高魯棒性，參考文獻(xiàn)[33]使用了表示為remittance values的高斯分布的概率圖，而不是表示為固定infrared remittance values的先前地圖。它使地圖中的靜止物體和一致的角反射率能夠通過貝葉斯推斷快速識(shí)別。然后使用離線SLAM來對(duì)齊先前序列地圖中的重疊軌跡，這使得定位系統(tǒng)不斷學(xué)習(xí)和改進(jìn)地圖。與參考文獻(xiàn)[4]中的方法相比，參考文獻(xiàn)[33]提高了動(dòng)態(tài)城市環(huán)境中AV的定位精度和魯棒性。然而，這兩種方法的地圖數(shù)據(jù)大小已增加到每英里10MB左右。其他相關(guān)算法[29]、[35]—[42]可以參考具體論文。 基于3D地圖的匹配可以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的位置，因?yàn)樗h(huán)境對(duì)象的高度信息。參考文獻(xiàn)[43]通過提取道路標(biāo)記特征構(gòu)建了3D地圖。然后，系統(tǒng)使用正態(tài)分布變換（NDT）來處理不確定信息，之后基于PF推導(dǎo)出魯棒性和精確定位。然而，3D NDT方法可能需要大量?jī)?nèi)存來保存ND體素（用于匹配的3D ND體素總數(shù)高達(dá)100MB[30]），這導(dǎo)致定位時(shí)間與second level一樣長(zhǎng)[44]。Li等人[45]提出構(gòu)建3D占用網(wǎng)格地圖，然后使用混合過濾框架（即cubature Kalman filter和PF的組合）來計(jì)算大規(guī)模戶外定位并減少地圖數(shù)據(jù)大小。盡管數(shù)據(jù)量減少了，但實(shí)驗(yàn)表明，該方法可以保持穩(wěn)定、可靠的定位性能，這意味著定位誤差小于0.097m。

基于雷達(dá)的定位

與基于激光雷達(dá)和視覺的定位相比，基于雷達(dá)的定位可以滿足實(shí)時(shí)性能要求，因?yàn)槠鋬?nèi)存效率高且計(jì)算負(fù)載低[46]，[47]。然而，基于雷達(dá)的SLAM在地圖匹配中面臨數(shù)據(jù)配準(zhǔn)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)橛袝r(shí)會(huì)提取不真實(shí)的特征，從而導(dǎo)致定位精度低的風(fēng)險(xiǎn)[5]。面向軌跡的擴(kuò)展卡爾曼濾波器（EKF）-SLAM技術(shù)使用傅里葉-梅林變換順序配準(zhǔn)雷達(dá)圖像，并在不匹配特征的情況下計(jì)算車輛位置，以避免此類特征帶來的風(fēng)險(xiǎn)。缺點(diǎn)是定位誤差達(dá)到13m（平均值）[46]。參考文獻(xiàn)[48]旨在通過Levy過程擴(kuò)展半馬爾可夫鏈，以提高長(zhǎng)期變化環(huán)境中的魯棒性，83%的估計(jì)位置誤差小于0.2m。對(duì)于雨雪情況，[49]通過對(duì)誤差傳播的不確定性進(jìn)行建模，然后匹配雷達(dá)圖像以實(shí)現(xiàn)可靠定位，從而建立了參考地圖。參考文獻(xiàn)[50]提出了一種聚類SLAM技術(shù)，該技術(shù)使用基于密度的流聚類算法對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境中的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行聚類。提出了一種無測(cè)量噪聲的環(huán)境掃描用于地圖匹配。PF用于使用該匹配結(jié)果來計(jì)算車輛位置。該技術(shù)中使用的地圖大小僅為200KB。 此外，參考文獻(xiàn)[51]和[52]提出了一種基于空間和多普勒的聯(lián)合優(yōu)化框架，以進(jìn)一步提高定位速度。該框架通過構(gòu)建稀疏高斯混合模型來表達(dá)參考點(diǎn)云，該模型是一種稀疏概率密度函數(shù)，可以降低計(jì)算復(fù)雜性。該方法的定位刷新率可達(dá)17Hz。參考文獻(xiàn)[47]使用相同道路的雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建參考地圖。然后，使用迭代最近點(diǎn)（ICP）來匹配雷達(dá)圖像以估計(jì)車輛位置。最后，應(yīng)用EKF平滑估計(jì)。由于所需的映射數(shù)據(jù)的大小較小，該技術(shù)減少了地圖匹配的計(jì)算負(fù)載。然而，挑戰(zhàn)在于需要從傳感器的相同模型中獲取最新數(shù)據(jù)，并從與參考相同的道路中獲取樣本，以進(jìn)行匹配。 此外，參考文獻(xiàn)[53]設(shè)計(jì)了一種車載定位探地雷達(dá)（LGPR）系統(tǒng)，以構(gòu)建道路地下地圖。該系統(tǒng)可以抵抗復(fù)雜天氣的信號(hào)干擾，因?yàn)樗睦走_(dá)安裝在底盤下，用于掃描地面。此外，它可以實(shí)現(xiàn)高精度（RMSE為12.7cm）和出色的實(shí)時(shí)性能（~126Hz刷新率）。然而，作者還提到，LGPR陣列的高度需要進(jìn)一步降低，以適應(yīng)更多的乘用車。

基于超聲波的定位

由于低成本的超聲波傳感器，基于超聲波的定位被廣泛用于室內(nèi)機(jī)器人定位。然而，短的檢測(cè)距離和對(duì)環(huán)境溫度、濕度和灰塵的敏感性都限制了超聲波傳感器在AV定位中的廣泛應(yīng)用[54]，[55]。Moussa等人[56]使用EKF算法實(shí)現(xiàn)了基于超聲波的輔助導(dǎo)航解決方案。當(dāng)GPS無法限制車輛位置的漂移并增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性時(shí)，該解決方案使用超聲波傳感器作為定位的主要傳感器。它可以實(shí)現(xiàn)出色的實(shí)時(shí)性能（約92Hz刷新率），但位置誤差高達(dá)7.11m。Jung等人[13]使用超聲波傳感器、編碼器、陀螺儀和數(shù)字磁羅盤，以及SLAM方法來估計(jì)車輛的絕對(duì)位置。該方法的平均位置更新時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10.65s。此外，長(zhǎng)時(shí)間的SLAM計(jì)算過程可能會(huì)導(dǎo)致定位系統(tǒng)在位置更新之前由IMU導(dǎo)致的一些累積誤差。因此，能夠滿足位置精度要求的平均行駛距離僅約為5.2m?？傊?，基于超聲的定位技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)低成本和低功耗的定位系統(tǒng)。然而，它的定位精度和魯棒性仍然不能滿足自動(dòng)駕駛的要求。

討論

基于激光雷達(dá)的地圖匹配技術(shù)中的準(zhǔn)確和魯棒的特征檢測(cè)方法可以提高AV定位的準(zhǔn)確性和魯棒性[57]?？傊?，就基于激光雷達(dá)的1D地圖匹配技術(shù)而言，由于該方法僅采用少數(shù)異形線作為特征，例如參考文獻(xiàn)[31]和[32]中所示的垂直角，因此特征配準(zhǔn)中的計(jì)算負(fù)載和內(nèi)存使用量較低。然而，這種方法需要解決路邊沒有垂直建筑物的情況下的挑戰(zhàn)。與1D地圖相比，2D地圖包含豐富的特征類型，但增加了地圖存儲(chǔ)空間?；趶?qiáng)度的2D地圖方法可以增強(qiáng)積雪路面場(chǎng)景中的道路表示?；诨旌系貓D的算法可以減少內(nèi)存使用，并解決實(shí)時(shí)性能和定位精度之間的權(quán)衡，例如參考文獻(xiàn)[38]中所示的拓?fù)涠攘康貓D。基于3D地圖的匹配算法可以獲得受益于3D特征的準(zhǔn)確和魯棒的位置。然而，與基于1D地圖和2D地圖的方法相比，它需要最大的計(jì)算資源，這將增加AV定位系統(tǒng)的部署成本。與基于高成本激光雷達(dá)的定位相比，雷達(dá)是一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，但毫米波雷達(dá)獲得的環(huán)境模型分辨率低，且缺乏物體高度信息，使得定位系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)魯棒性和準(zhǔn)確性。目前，雷達(dá)被廣泛用作輔助定位傳感器，以檢測(cè)車輛與障礙物之間的距離。超聲波傳感器的檢測(cè)范圍（約3m）決定了基于超聲波的定位主要用于短距離定位應(yīng)用，例如自動(dòng)停車，其中幾個(gè)參考目標(biāo)位于近距離。

4基于被動(dòng)傳感器的定位

基于GPS的定位

GPS可以為AV提供低成本、高效的定位解決方案。然而，GPS經(jīng)常受到城市中NLOS、多徑或信號(hào)阻塞的影響，所有這些都對(duì)提供可靠車輛定位的目標(biāo)提出了挑戰(zhàn)[58]，[59]。 當(dāng)前主流的基于GPS的定位通過位置校正技術(shù)提高了準(zhǔn)確性和可靠性，包括融合來自不同來源的測(cè)量[60]、過濾異常信號(hào)[61]和地圖輔助[62]。參考文獻(xiàn)[63]通過融合來自其他來源（包括GPS、RFID和V2V）的測(cè)量結(jié)果，改進(jìn)了基于GPS的定位。作者分析了不同數(shù)據(jù)源的準(zhǔn)確性，并過濾掉了冗余連接。它們只保留具有期望精度的連接，以在GPS降級(jí)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)魯棒性要求。所提出方法的位置精度約為2.9m，計(jì)算復(fù)雜度約為[64]的0.8%。參考文獻(xiàn)[61]提出了一種GPS異常信號(hào)識(shí)別處理框架，以提高基于GPS的定位的魯棒性。該框架可以根據(jù)原始GPS的質(zhì)量決定輸出原始GPS、估計(jì)GPS或去除異常信號(hào)的GPS。與前兩種技術(shù)不同，Lu等人[65]通過匹配低精度開源地圖來提高GPS精度。然而，該方法的局限性在于難以提取道路交叉口中的車道標(biāo)記特征。同時(shí)，[66]通過去除異常GPS信號(hào)并結(jié)合數(shù)字地圖的地形高度輔助，提出了一種基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的定位方法。參考文獻(xiàn)[67]通過匹配NLOS信號(hào)延遲提高了GNSS精度。盡管如此，[66]和[67]的位置RMS誤差在城市場(chǎng)景中仍高達(dá)約10m?？傊?，使用獨(dú)立GPS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)可靠、準(zhǔn)確的車輛定位是困難的。

基于IMU的定位

IMU是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）的一個(gè)組件，可以測(cè)量加速度和俯仰率，并具有強(qiáng)大的抗干擾能力[68]。然而，由于累積誤差的缺點(diǎn)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)不能使用IMU計(jì)算長(zhǎng)距離的位置。在這種情況下，IMU被廣泛用作備用傳感器或融合源之一，以確保主定位傳感器短時(shí)中斷時(shí)的連續(xù)定位[69]。 參考文獻(xiàn)[70]提出使用基于航位推算（DR）的緊密耦合（TC）方案來提高城市中的精度性能。參考文獻(xiàn)[71]使用具有異常GPS測(cè)量抑制的修正TC，以在GPS無效環(huán)境下實(shí)現(xiàn)連續(xù)定位。Wang等人[72]提出了一種基于一組自回歸、移動(dòng)平均預(yù)測(cè)模型和占用網(wǎng)格約束的方案，以進(jìn)一步提高定位精度；該方案還可以減少DR系統(tǒng)的累積誤差和GPS上的多徑干擾。其他相關(guān)算法[73]-[76]可以參考具體論文。除DR方法外，IMU輸出的俯仰率信號(hào)的模式識(shí)別也可用于計(jì)算車輛位置。該方法的原理是通過分析俯仰率信號(hào)來提取車輛的振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)模式。然后，利用預(yù)先構(gòu)建的索引地圖進(jìn)行模式匹配以進(jìn)行位置估計(jì)。該技術(shù)沒有累積誤差，因此具有合理的精度（約5m）。然而缺點(diǎn)是它很容易受到測(cè)量噪聲的影響[68]，[77]，[78]。

基于視覺的定位

基于視覺的定位通?？梢赃_(dá)到合理的精度。多核CPU和GPU的普及及其強(qiáng)大的并行圖像處理能力的提高緩解了此類定位方法的高計(jì)算復(fù)雜性帶來的壓力[79]，[80]。 參考文獻(xiàn)[81]使用四個(gè)魚眼攝像頭、一張預(yù)先構(gòu)建的地圖和當(dāng)前車輛位姿來檢測(cè)自主停車場(chǎng)景中給定范圍內(nèi)的對(duì)稱停車標(biāo)記。然后，將檢測(cè)結(jié)果作為方向標(biāo)記，以與預(yù)先構(gòu)建的地圖匹配。該方法可以實(shí)現(xiàn)車輛定位，平行位置誤差為0.3米，定位時(shí)間為0.04s。Du等人[82]開發(fā)了一種改進(jìn)的序列RANSAC算法，以有效地從圖像中提取車道線，用于特征匹配；在具有車道線的場(chǎng)景中，它們實(shí)現(xiàn)了大約0.06m的位置誤差和0.12s的定位刷新率。參考文獻(xiàn)[83]為特征匹配構(gòu)建了基于道路地標(biāo)的輕量級(jí)3D語義地圖，然后最小化殘余配準(zhǔn)誤差以估計(jì)車輛位置。該地圖可以減少內(nèi)存使用，這只會(huì)導(dǎo)致圖像匹配的四次迭代。然而，這種方法的缺點(diǎn)是，當(dāng)在彎道場(chǎng)景中使用時(shí)，仍需要進(jìn)一步測(cè)試。其他相關(guān)算法[6]、[84]、[85]、[86]、[87]可以參考具體論文。 同時(shí)，參考文獻(xiàn)[88]開發(fā)了一個(gè)拓?fù)淠Ｐ停詮膮⒖嫉貓D中獲得一組接近捕獲圖像的可能節(jié)點(diǎn)。然后，他們將提取的整體特征與最近節(jié)點(diǎn)的可能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匹配。最后通過將該節(jié)點(diǎn)的特征與圖像中的局部特征相關(guān)聯(lián)，以0.45m的位置精度實(shí)現(xiàn)了可靠的車輛定位。然而，這種方法受到照明靈敏度的影響，這可能導(dǎo)致定位失敗。參考文獻(xiàn)[89]提出了一種擴(kuò)展的赫爾普查變換方法，用于從全方位圖像數(shù)據(jù)集進(jìn)行語義描述和特征提取，以構(gòu)建拓?fù)鋱D。通過結(jié)合基于內(nèi)容和特征的圖像檢索方法進(jìn)行場(chǎng)景識(shí)別，該工作通過將識(shí)別結(jié)果與拓?fù)鋱D匹配，在變化的亮度和動(dòng)態(tài)障礙場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)了約85.5%置信度的魯棒定位。然而，這種技術(shù)的挑戰(zhàn)在于其位置刷新周期長(zhǎng)達(dá)2秒。

討論

總之，基于無源傳感器的定位技術(shù)的分析顯示了獲得低成本AV定位的顯著優(yōu)勢(shì)。然而，需要注意的是，獨(dú)立的無源傳感器不能滿足精度和魯棒性要求。GPS經(jīng)常受到城市中NLOS、多徑或信號(hào)阻塞的影響，這對(duì)定位的一致性和完整性提出了挑戰(zhàn)。通過融合來自不同來源的GPS測(cè)量、缺陷信號(hào)邊界和地圖輔助，可以改進(jìn)基于GPS的定位。當(dāng)GPS信號(hào)不可用時(shí)，DR系統(tǒng)可以提供實(shí)時(shí)一致的車輛位置。例如，如[9]所示，基于DR的IMM方法減少了系統(tǒng)漂移，提高了GPS中斷或GPS信號(hào)模塊環(huán)境中的定位魯棒性和完整性。然而，基于GPS和基于IMU的定位仍然需要進(jìn)一步提高GPS-IMU信號(hào)長(zhǎng)期異常情況下的精度、一致性和完整性性能?；谝曈X的定位可以實(shí)現(xiàn)0.14米的定位RMSE。但合理的定位時(shí)間通常要求系統(tǒng)配備GPU以加速。此外，相機(jī)在照明不足或惡劣天氣（如霧和雨）條件下的可靠性仍需進(jìn)一步研究。上述討論表明，通過融合多個(gè)低成本傳感器，數(shù)據(jù)融合技術(shù)將成為實(shí)現(xiàn)成本高效定位解決方案的趨勢(shì)。同時(shí)，參考文獻(xiàn)[90]–[93]中關(guān)于傳感器故障檢測(cè)和識(shí)別方法的最新研究表明，在提高定位魯棒性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，如基于IMM的故障識(shí)別方法、基于多模型和模糊邏輯的故障檢測(cè)方法等。未來的研究需要集中于這些技術(shù)和缺陷數(shù)據(jù)建模方法。

5基于V2X的定位

基于V2V的定位

基于V2V的定位不要求車輛配備高精度傳感器，以實(shí)現(xiàn)VANET下的精確位置。相反，它可以通過融合來自其他連接車輛的粗略位姿信息來實(shí)現(xiàn)合理的位置精度[94]。然而，其缺點(diǎn)是道路上參與車輛的分布不足或不均勻可能導(dǎo)致定位精度不足[95]，[96]。 Liu等人[15]提出了一種基于與其他車輛共享GPS偽距離測(cè)量值的加權(quán)最小二乘-雙差法來計(jì)算車輛間距離。他們使用分布式位置估計(jì)算法來融合共享數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了約4米的定位精度。該解決方案減少了隨機(jī)噪聲的影響，并提高了計(jì)算車輛間距離的準(zhǔn)確性。參考文獻(xiàn)[97]提出使用貝葉斯方法來融合來自其他車輛的目標(biāo)車輛GPS位置和車輛間距離的GPS位置信息，以進(jìn)行車輛定位。該方法可以顯著降低定位不確定性。為了消除參與車輛需要預(yù)定義動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)模型來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合的挑戰(zhàn)，參考文獻(xiàn)[98]計(jì)算了關(guān)于車輛當(dāng)前位置的置信度，這是一種可以推斷車輛位置并在VANET中傳播的概率。然后，他們使用到達(dá)角度和TOA技術(shù)來測(cè)量車輛間距離，從而顯示相鄰車輛的相對(duì)位置。最后，通過計(jì)算相鄰位置的權(quán)重和來估計(jì)車輛位置；位置包括相對(duì)位置和信念。該方法的位置精度約為1.95m，但刷新率高達(dá)1.4s（7輛車接入網(wǎng)絡(luò)）。其他相關(guān)算法[99]-[103]可以參考具體論文。

基于V2X的定位

基于V2I的定位基于附近基礎(chǔ)設(shè)施的位置推斷車輛位置。它可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)和魯棒的定位性能。V2I技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括基礎(chǔ)設(shè)施的高精度定位、獨(dú)立于時(shí)間的穩(wěn)定數(shù)據(jù)源和低計(jì)算復(fù)雜性。 參考文獻(xiàn)[104]和[105]提出了基于磁標(biāo)記的V2I定位。首先，在道路上以一定的間隔布置具有獨(dú)特高斯極陣分布的磁標(biāo)記，并將每個(gè)標(biāo)記的位置和分布存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。然后，檢測(cè)每個(gè)標(biāo)記，并在車輛行駛過程中計(jì)算其高斯分布。最后，通過在數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索該分布來確定車輛位置。該方法將失真的影響降至最低，并達(dá)到厘米級(jí)（<10cm）的定位精度。RFID技術(shù)，包括低成本的RFID讀取器和RFID標(biāo)簽也用于定位。RFID標(biāo)簽部署在路面上，配備有RFID讀取器的車輛可以根據(jù)標(biāo)簽確定位置[106]，[107]。至于缺點(diǎn)，這些技術(shù)需要高密度的基礎(chǔ)設(shè)施，并且容易受到基礎(chǔ)設(shè)施堵塞的影響。其他相關(guān)算法[108]-[113]可以參考具體論文。

討論

從V2X定位技術(shù)的回顧來看，V2V和V2I解決方案都不需要昂貴的專用硬件。對(duì)于基于V2V的解決方案，道路上參與車輛的充分和均勻分布可以提高定位精度和魯棒性。然而，不斷增加的車輛可能會(huì)導(dǎo)致較高的系統(tǒng)計(jì)算開銷，但精度沒有太大提高。用于在節(jié)點(diǎn)之間創(chuàng)建層次結(jié)構(gòu)的高效集群架構(gòu)可以在具有長(zhǎng)距離的VANET下提供準(zhǔn)確的V2V通信服務(wù)。通過對(duì)此類架構(gòu)的進(jìn)一步研究，可以克服車輛間準(zhǔn)確信息交換的挑戰(zhàn)。CMM方法可以提供一種潛在的方法來消除天線之間的多徑誤差，但傳播信號(hào)延遲的問題仍然需要進(jìn)一步解決。V2X系統(tǒng)的信號(hào)延遲建議在10ms內(nèi)[3]?？梢酝ㄟ^優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（例如，數(shù)據(jù)波特率、傳播頻率和天線功率等）來解決信號(hào)降級(jí)和丟包問題，之前的調(diào)查已經(jīng)對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)討論[8]?；赗FID的V2I系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)成本高效的AV定位。然而，這些方法需要高密度的基礎(chǔ)設(shè)施，并且容易受到基礎(chǔ)設(shè)施堵塞的影響?；赗FID的技術(shù)非常適用于AV在固定路線上行駛的應(yīng)用，例如動(dòng)物園的觀光巴士或港口的集裝箱裝卸車。優(yōu)化RSU高度、傳播角度和傳輸功率之間的關(guān)系可以確保信號(hào)強(qiáng)度和網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，以實(shí)現(xiàn)基于RSU的V2I定位。盡管信號(hào)延遲仍需要進(jìn)一步解決以提高定位精度。

6基于數(shù)據(jù)融合的定位

基于多傳感器的數(shù)據(jù)融合定位

之前的討論表明，沒有獨(dú)立的傳感器能夠滿足AV定位的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和可靠性要求。多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)融合顯示出實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)和可靠的自我定位的巨大潛力。 參考文獻(xiàn)[114]開發(fā)了一種交互式多模型（IMM）濾波器，該濾波器由車輛動(dòng)力學(xué)模型和車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)模型組成，以通過使用低成本傳感器實(shí)現(xiàn)成本高效的AV定位。GPS數(shù)據(jù)和車內(nèi)傳感器（即車輪速度傳感器和轉(zhuǎn)向角傳感器）數(shù)據(jù)用于該過濾器。IMM濾波器可以基于各種駕駛場(chǎng)景來權(quán)衡數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)的適當(dāng)模型。該方法可以在32位嵌入式處理器中實(shí)現(xiàn)合理的定位性能。參考文獻(xiàn)[115]建議使用三個(gè)基于IMM的UKF構(gòu)建模型，以融合低成本傳感器數(shù)據(jù)，如GPS和慣性傳感器。該模型減少了來自慣性傳感器的大部分不確定噪聲，預(yù)測(cè)并補(bǔ)償了定位誤差，并可以在GPS中斷期間實(shí)現(xiàn)1.18米的位置精度。對(duì)于動(dòng)態(tài)機(jī)動(dòng)情況，如強(qiáng)加速、高速轉(zhuǎn)彎以及啟動(dòng)和停止，Ndjeng等人[116]表明，使用低成本傳感器（如IMU、里程計(jì)和GPS）的基于IMM的定位系統(tǒng)優(yōu)于基于EKF的定位系統(tǒng)。他們通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，基于IMM的定位魯棒性性能優(yōu)于基于EKF的車輛動(dòng)力學(xué)操縱的高可變性。其他相關(guān)算法[117]-[131]可以參考具體論文。

基于地圖的數(shù)據(jù)融合定位

基于地圖的數(shù)據(jù)融合技術(shù)基于多傳感器測(cè)量，并通過添加地圖信息來提高定位性能。例如，Suhr等人[132]提出將低成本傳感器與數(shù)字地圖融合，以提高實(shí)時(shí)性能。他們將車道和道路標(biāo)記特征表示為一組關(guān)鍵點(diǎn)，并使用前視攝像頭模塊處理捕獲的圖像。該解決方案可以減少內(nèi)存使用和計(jì)算開銷；此外，其位置刷新率約為100Hz，位置精度約為0.5m。蔡等人[133]提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模型，不使用慣性傳感器來消除積分誤差的挑戰(zhàn)。他們通過使用高清地圖校正了GPS位置和相機(jī)的橫向距離，然后將這兩種信息用作融合數(shù)據(jù)。與純GPS定位相比，該方法的位置誤差減少了1/3。Gruyer等人[134]，[135]提出了一種基于精確數(shù)字地圖、GPS、IMU和兩個(gè)相機(jī)的地圖輔助數(shù)據(jù)融合方法，以獲得亞分米精度的AV橫向位置。他們首先通過兩個(gè)側(cè)面攝像頭估計(jì)了車輛到車輛左右兩側(cè)道路標(biāo)記的距離。然后，他們使用EKF通過GPS和IMU傳感器測(cè)量來估計(jì)車輛位置。最后，他們將先前估計(jì)的車輛位置和通過基于點(diǎn)到線段的地圖匹配算法獲得的匹配線段位置相結(jié)合，以進(jìn)一步提高定位精度和可靠性。其他相關(guān)算法[136]-[139]可以參考具體論文。

討論

分析表明，基于低成本多傳感器（如GPS、IMU、攝像頭和里程計(jì)等）數(shù)據(jù)融合的技術(shù)可以為自動(dòng)駕駛車輛提供一種經(jīng)濟(jì)高效的商業(yè)定位解決方案。融合GPS測(cè)量的多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)仍然需要解決GPS完整性問題?；贗MM的融合方法可以減少來自慣性傳感器的大部分不確定噪聲，并在GPS中斷或GPS信號(hào)阻塞期間提高定位精度和魯棒性。然而，IMM的定位誤差仍然達(dá)到米級(jí)。通過將缺陷數(shù)據(jù)建模為區(qū)間，區(qū)間方法可以實(shí)現(xiàn)具有高完整性和一致性的車輛定位。該方法的定位RSSE和更新時(shí)間可以分別為約15cm、約170ms。間隔技術(shù)可以為市場(chǎng)提供一種潛在的基于融合的定位解決方案。然而，在不同復(fù)雜環(huán)境中的整體定位性能仍需要進(jìn)一步驗(yàn)證，以實(shí)現(xiàn)完全AVs。與地圖融合的協(xié)作方法還可以獲得準(zhǔn)確和魯棒的定位解決方案。例如，參考文獻(xiàn)[136]顯示了一種協(xié)作方法，該方法可以通過與多傳感器（例如GPS、相機(jī)等）、SLAM和地圖融合來增強(qiáng)定位精度和魯棒性。此外，還可以關(guān)注不同傳感器的故障檢測(cè)和識(shí)別技術(shù)，以確保更穩(wěn)健的AV定位。綜上所述，上述討論表明，基于數(shù)據(jù)融合的技術(shù)具有在經(jīng)濟(jì)性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和魯棒性之間權(quán)衡商用自動(dòng)駕駛車輛定位性能的巨大潛力。

7精度和實(shí)時(shí)性能討論

定位性能評(píng)估的相關(guān)工作

實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確和穩(wěn)健的AV定位是確保安全駕駛的關(guān)鍵要素之一。不同定位技術(shù)的性能比較可以指導(dǎo)AV系統(tǒng)的傳感器選擇和研究目的。已經(jīng)發(fā)表了許多與不同定位算法的準(zhǔn)確性和魯棒性性能比較相關(guān)的工作。Zhang等人[138]從理論上分析了RI-EKF-SLAM的收斂性和一致性，并將其定位性能與SO（3）-EKF-SLAM進(jìn)行了比較。Zhang等人通過一維、二維和三維模擬比較了基于RI-EKF的SLAM和基于優(yōu)化的SLAM的準(zhǔn)確性和一致性性能。[140]。此外，Mourllion等人[141]在車輛定位的預(yù)測(cè)步驟中展示了卡爾曼濾波器變量的性能，例如EKF、UKF以及一階和二階的除法差（DD1和DD2）。Gruyer等人[142]使用基于精度和濾波器不確定性和一致性的標(biāo)準(zhǔn)以及多傳感器實(shí)驗(yàn)測(cè)量，比較了這些KF變體的整體定位過程（預(yù)測(cè)和校正步驟）。Ndjeng等人[116]評(píng)估了動(dòng)態(tài)機(jī)動(dòng)場(chǎng)景下基于IMM和基于EKF的低成本定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和魯棒性性能。到目前為止，很少有工作對(duì)定位實(shí)時(shí)性能進(jìn)行了比較。參考文獻(xiàn)[6]和[149]比較了基于CPU和GPU平臺(tái)的同一解決方案的定位時(shí)間。參考文獻(xiàn)[143]在CPU和GPU上運(yùn)行濾波算法，以比較它們的執(zhí)行時(shí)間。然而，上述實(shí)時(shí)性能比較僅在各種平臺(tái)上運(yùn)行相同的算法。在各種硬件平臺(tái)和編程語言上展示了不同定位解決方案的實(shí)時(shí)性能。此外，整個(gè)解決方案的定位時(shí)間受數(shù)據(jù)提取和原始搜索步驟、核心定位算法執(zhí)行、地圖存儲(chǔ)和更新（如果使用了地圖）的影響。為了在沒有實(shí)際測(cè)試的情況下對(duì)不同解決方案進(jìn)行快速實(shí)時(shí)性能比較，首先，論文假設(shè)不同研究論文中顯示的定位時(shí)間與完整的定位解決方案有關(guān)，而不僅僅是算法。其次假設(shè)每個(gè)解決方案中運(yùn)行的代碼都充分利用了所有計(jì)算源。因此，基于不同的硬件計(jì)算能力和編程語言執(zhí)行效率，可以將不同解決方案的本地化時(shí)間轉(zhuǎn)換為相同的基準(zhǔn)。然后，可以近似地和定量地比較不同解決方案的實(shí)時(shí)性能。

等效比較法

對(duì)不同定位技術(shù)的討論表明，AV定位主要依賴CPU和GPU作為硬件平臺(tái)，MATLAB和C/C++作為編程語言。眾所周知，不同的硬件具有不同的計(jì)算能力。例如，當(dāng)使用濾波算法處理激光雷達(dá)3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，GPU比CPU快52倍[143]。對(duì)于編程語言來說，C/C++是一種編譯語言，在執(zhí)行之前被翻譯成機(jī)器語言。MATLAB是一種解釋語言，其中每行代碼都必須在執(zhí)行期間由解釋器讀取和解釋，這使得它比編譯語言要慢得多[144]，[145]。因此，在比較不同定位技術(shù)的實(shí)時(shí)性能時(shí)，必須考慮使用硬件和編程語言的因素。 作為第一步，必須確定CPU/GPU系列之間以及CPU和GPU之間的定位算法操作能力（LAOC）等效轉(zhuǎn)換系數(shù)。CPU/GPU系列中的所有CPU/GPU都源自不同定位技術(shù)的硬件平臺(tái)。在本文中，使用單精度浮點(diǎn)（SPFP）峰值性能來確定GPU/CPU系列的LAOC等效轉(zhuǎn)換關(guān)系，因?yàn)槎ㄎ凰惴ㄍǔＩ婕癝PFP操作。在CPU系列中，SPEC CPU2006基準(zhǔn)測(cè)試[146]旨在比較不同CPU在硬件級(jí)別的計(jì)算密集型性能。這取決于處理器、內(nèi)存結(jié)構(gòu)和總線的因素。該基準(zhǔn)可以全面評(píng)估和比較不同CPU的硬件性能[147]。因此，CPU系列之間的LAOC等效轉(zhuǎn)換關(guān)系基于SPECfp2006[148]，其中給出了每秒CPU相對(duì)峰值浮點(diǎn)運(yùn)算（FLOPS）性能。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)化，本文所示相對(duì)峰值FLOPS性能的最小值作為基線，其LAOC等效轉(zhuǎn)換系數(shù)確定為。CPU系列之間的LAOC等效轉(zhuǎn)換系數(shù)通過使用，如表III所示。

對(duì)于GPU系列，影響FLOPS功能的因素包括頻率f、內(nèi)核數(shù)量N和每個(gè)內(nèi)核FMA的每個(gè)周期的單精度融合乘加運(yùn)算（FMA）。FMA可以在所選GPU的官方網(wǎng)站中找到。理論上的單精度峰值性能可以通過使用以下方程來估計(jì)。 對(duì)于相同的數(shù)據(jù)傳輸和復(fù)制，可以表示GPU的實(shí)際SPFP計(jì)算能力，GPU系列之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系基于。對(duì)于歸一化，論文將本文中給出的最小FLOPS峰值性能定義為基線，其LAOC等效轉(zhuǎn)換因子為。GPU系列之間的LAOC等效轉(zhuǎn)化因子通過使用a計(jì)算，如表IV所示：

對(duì)于CPU和GPU之間的LAOC等效關(guān)系，Charmette等人[6]，[149]在比較定位應(yīng)用中的CPU和GPU計(jì)算性能方面進(jìn)行了許多有代表性的工作。在本文中，CPU和GPU之間的轉(zhuǎn)換因子基于他們的最新研究結(jié)論[6]。結(jié)論表明，同一種方法GPU的定位時(shí)間大約是CPU的45倍。作者提到，雙核CPU中只有一個(gè)內(nèi)核用于定位。因此，論文認(rèn)為[6]中CPU的峰值FLOPS性能是相同雙核CPU的一半，如表III所示。[6]中CPU和GPU之間的LAOC等效轉(zhuǎn)換系數(shù)確定為。 論文考慮將C/C++作為編程語言基準(zhǔn)，其LAOC等效轉(zhuǎn)換因子設(shè)置為。MATLAB設(shè)置為。 最后論文選擇基準(zhǔn)峰值FLOPS性能作為硬件基準(zhǔn)，選擇C/C++作為編程語言基準(zhǔn)?；诓煌布途幊陶Z言的定位時(shí)間必須轉(zhuǎn)移到此基準(zhǔn)進(jìn)行比較。轉(zhuǎn)換方法由以下等式給出。

方法驗(yàn)證

在本文中，參考文獻(xiàn)[29]用于評(píng)估所提出的基于LAOC的等效比較方法。參考文獻(xiàn)[29]比較了基于CPU和GPU平臺(tái)的相同解決方案的定位時(shí)間。CPU和GPU的TR和TC、硬件和軟件的LAOC等效轉(zhuǎn)換因子h和s分別列于表V中。表V顯示，轉(zhuǎn)換前定位時(shí)間的差異是由于硬件平臺(tái)（CPU和GPU）不同造成的。轉(zhuǎn)換后的定位時(shí)間大大增加，因?yàn)橛布鶞?zhǔn)的峰值FLOPS性能最低，編程語言也相同。此外，轉(zhuǎn)換結(jié)果表明，，這意味著轉(zhuǎn)換后基于CPU和GPU的定位時(shí)間相似。這是因?yàn)榻鉀Q方案A和解決方案B都是相同的解決方案，但在不同的硬件平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)。因此，基于LAOC的等效比較方法是合理的，可以用于近似和定量地比較不同的定位解決方案。表VI總結(jié)了使用方程（2）計(jì)算的不同定位技術(shù)的相對(duì)計(jì)算復(fù)雜性。

討論

1）準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性能：本節(jié)定量比較了上述所有定位技術(shù)的計(jì)算復(fù)雜性和位置誤差。圖2顯示，在基于激光雷達(dá)的定位中，基于3D地圖的方法在精度方面優(yōu)于基于2D地圖的方法，因?yàn)樗S富的特征信息。然而，基于3D地圖的技術(shù)增加了內(nèi)存使用量和計(jì)算負(fù)載，導(dǎo)致算法的計(jì)算復(fù)雜度較高。此外，盡管基于2D地圖的技術(shù)之間的精度差異較小，但由于不同的方法，計(jì)算復(fù)雜性差異很大。例如，[29]中的2D GMM匹配技術(shù)的計(jì)算復(fù)雜度約為[42]中多層RANSAC配準(zhǔn)和2D地圖匹配方法的組合的2000倍。與基于激光雷達(dá)的定位技術(shù)相比，基于雷達(dá)和超聲波的定位技術(shù)具有更低的計(jì)算復(fù)雜性，因?yàn)樗鼈儼l(fā)射低密度電磁波。雷達(dá)定位的計(jì)算復(fù)雜性和位置誤差介于激光雷達(dá)和超聲波定位之間；盡管粒子群優(yōu)化和網(wǎng)格地圖匹配方法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了合理的定位性能，但該方法需要嚴(yán)格的傳感器部署。由于超聲波傳感器的低精度，基于超聲波的技術(shù)位置精度的位置精度約為10m。

圖3顯示，對(duì)于開闊天空中的純GPS定位，GPS接收機(jī)可以輸出頻率為1Hz、精度為2–10m的位置信息，而不受車輛操作系統(tǒng)的限制。與其他基于傳感器的定位相比，基于IMU的技術(shù)由于其快速的位置刷新率，可以實(shí)現(xiàn)最低的計(jì)算復(fù)雜度，但其累積誤差僅在10分鐘的駕駛時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致約1m的定位誤差。在基于視覺的定位方面，圖像中包含的豐富環(huán)境信息使其計(jì)算復(fù)雜性與基于激光雷達(dá)的方法相似。然而，由于圖像質(zhì)量和鏡頭失真的挑戰(zhàn)，視覺無法準(zhǔn)確測(cè)量周圍物體的范圍。因此，其定位精度低于基于激光雷達(dá)的技術(shù)。此外，它的計(jì)算復(fù)雜度隨著參考地圖的維數(shù)而降低，但其位置精度變化不大。

如圖4所示，與基于激光雷達(dá)和視覺的定位相比，基于V2X的定位的實(shí)時(shí)性能更好，但由于信號(hào)延遲或參與節(jié)點(diǎn)不足的挑戰(zhàn)，其精度不令人滿意。

圖5顯示，與其他基于傳感器的定位相比，基于數(shù)據(jù)融合的技術(shù)可以在精度和實(shí)時(shí)性能方面實(shí)現(xiàn)平衡。這是因?yàn)樗妹總€(gè)傳感器的優(yōu)點(diǎn)來減少其他傳感器缺點(diǎn)的影響，并且每個(gè)獨(dú)立傳感器不需要開發(fā)復(fù)雜的算法來實(shí)現(xiàn)其最佳定位潛力。

總之，不同的基于傳感器的定位技術(shù)的計(jì)算復(fù)雜性最大相差約10^7倍，而位置誤差相差約100倍。表VII總結(jié)了不同傳感器技術(shù)在精度和實(shí)時(shí)性能方面的性能。

2）應(yīng)用場(chǎng)景：滿足AV應(yīng)用安全駕駛要求的精度和實(shí)時(shí)性能分別是位置誤差和位置輸出頻率，要求分別小于30cm[3]和100ms[151]。分析表明，基于激光雷達(dá)、視覺和數(shù)據(jù)融合的定位具有滿足精度性能的潛力。基于激光雷達(dá)和視覺的技術(shù)使用強(qiáng)大的處理器，如高性能GPU和多核CPU，可以滿足實(shí)時(shí)性能要求?；跀?shù)據(jù)融合的技術(shù)融合多個(gè)低成本傳感器（例如，相機(jī)、GPS、IMU和車載傳感器）的計(jì)算復(fù)雜性低于基于激光雷達(dá)和視覺的技術(shù)?？傊诤霞夹g(shù)在實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的自主定位方面具有相當(dāng)大的潛力。 此外，表VII還可以指導(dǎo)不同場(chǎng)景下的定位解決方案選擇。對(duì)于行人和車輛高度參與交通的城市環(huán)境，與其他常見駕駛環(huán)境相比，定位精度和實(shí)時(shí)要求最高。盡管基于激光雷達(dá)、視覺和基于激光雷達(dá)或視覺的數(shù)據(jù)融合技術(shù)可能會(huì)增加硬件部署成本以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性能，但這些技術(shù)可以獲得精確的定位精度。高速公路和郊區(qū)場(chǎng)景中，AV周圍的行人和車輛較少。這些場(chǎng)景中的精度要求可能低于城市環(huán)境中的精度。然而，AVs需要遠(yuǎn)距離檢測(cè)傳感器來感知周圍的障礙物和高頻位置輸出，以滿足高速駕駛。因此，具有遠(yuǎn)距離傳感器感知和實(shí)時(shí)性能的定位技術(shù)可能是一種潛在的選擇，例如基于數(shù)據(jù)融合、雷達(dá)和V2V的技術(shù)。由于專用車道上的障礙物較少，且用作城市巴士或觀光巴士的AVs行駛速度較低，因此準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性要求低于上述情況。在這種情況下，低成本的數(shù)據(jù)融合、V2I和基于雷達(dá)的定位技術(shù)可能是首選方案。在自動(dòng)停車場(chǎng)景中，檢測(cè)距離和定位實(shí)時(shí)性能不需要像上述應(yīng)用中那樣高。因此，低成本的超聲波和雷達(dá)技術(shù)可能是最有前途的選擇。

8結(jié)論

本文綜述了基于主動(dòng)傳感器、被動(dòng)傳感器、V2X和數(shù)據(jù)融合的最新自定位技術(shù)，并定量比較了它們的精度和計(jì)算復(fù)雜性性能。與1D地圖和3D地圖匹配方法相比，基于激光雷達(dá)的2D地圖匹配方法顯示了在成本、準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和魯棒性之間平衡商用AVs定位性能的最重要前景。然而，基于激光雷達(dá)的定位比其他基于傳感器的定位（如基于雷達(dá)的定位、基于視覺的定位和基于V2X的定位）更昂貴。此外，基于激光雷達(dá)的（2D）解決方案的實(shí)時(shí)性能可能受到系統(tǒng)計(jì)算能力的限制，并且需要強(qiáng)大的CPU/GPU加速，這會(huì)增加AV的部署成本。需要進(jìn)一步改進(jìn)基于激光雷達(dá)的（2D）解決方案，以使用低成本處理器縮短定位更新時(shí)間?；跓o源傳感器的定位解決方案在部署成本低方面顯示出顯著優(yōu)勢(shì)。挑戰(zhàn)在于，對(duì)于典型的無源傳感器，例如基于GPS的傳感器和IMU，定位的完整性和一致性使得該技術(shù)仍然難以應(yīng)用于AV?；谝曈X的定位可以實(shí)現(xiàn)高精度的車輛位置，但可能需要GPU加速來處理大量圖像數(shù)據(jù)。相機(jī)在照明不足或惡劣天氣下的可靠性也需要進(jìn)一步解決。V2X技術(shù)可以在VANET的廣泛信號(hào)強(qiáng)度和網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)提供成本高效的AV定位解決方案?；赗FID的技術(shù)非常適合固定路線的AV應(yīng)用，例如動(dòng)物園的觀光巴士、港口的集裝箱裝卸車。然而，V2X系統(tǒng)中的信號(hào)延遲和數(shù)據(jù)包丟失問題需要進(jìn)一步優(yōu)化，以提高定位精度和一致性。與其他基于傳感器的定位解決方案相比，基于數(shù)據(jù)融合的技術(shù)在權(quán)衡商用AV的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和魯棒性的定位性能方面具有最大的潛力。例如，基于區(qū)間理論的技術(shù)可以通過融合低成本傳感器數(shù)據(jù)（例如GPS、IMU和里程計(jì)）來實(shí)現(xiàn)具有高完整性和一致性的車輛定位。在商業(yè)化之前，在不同的變化環(huán)境和各種駕駛條件（如長(zhǎng)途駕駛）下對(duì)該技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究和驗(yàn)證至關(guān)重要。 此外，實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性性能之間的比較分析表明，不同基于傳感器的定位技術(shù)的位置誤差最大相差約100倍?；诩す饫走_(dá)、視覺和數(shù)據(jù)融合的定位技術(shù)有可能滿足AV安全駕駛的精度要求（小于30cm）。與其他基于傳感器的技術(shù)相比，基于激光雷達(dá)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了最佳的定位精度，并且不同基于激光雷達(dá)方法實(shí)現(xiàn)的位置精度相似。此外，高維地圖匹配或基于強(qiáng)度的匹配方法可以將位置誤差減少約2-3倍，但可以將計(jì)算復(fù)雜性增加約20-2000倍。與基于激光雷達(dá)的定位相比，基于視覺和數(shù)據(jù)融合的定位在提高位置精度方面的潛力約為2–5倍。就實(shí)時(shí)性能而言，不同基于傳感器的技術(shù)之間的計(jì)算復(fù)雜度最大變化約10^7倍。與精度相比，它有很大的改進(jìn)空間。IMU、超聲波、多傳感器融合和基于雷達(dá)的自定位可以通過低成本處理器滿足安全駕駛的實(shí)時(shí)性能要求（<100ms），而基于激光雷達(dá)和視覺的定位可以通過使用強(qiáng)大的處理器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位。然而，基于IMU、超聲波和雷達(dá)的技術(shù)定位精度不足，通常被用作AV中的輔助定位解決方案。與不同的方法相比，基于激光雷達(dá)的技術(shù)具有最高的計(jì)算復(fù)雜性和大約2000倍的最大差異。重點(diǎn)改進(jìn)激光雷達(dá)圖像配準(zhǔn)方法可以提高基于激光雷達(dá)的技術(shù)的實(shí)時(shí)定位性能。基于視覺的定位的計(jì)算復(fù)雜性與基于激光雷達(dá)的方法相似，與不同方法相比，其最大差異約為1000倍。提高捕獲圖像關(guān)聯(lián)的效率和準(zhǔn)確性可以提高準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性能。此外，匹配低維特征可以降低計(jì)算復(fù)雜性，但對(duì)精度沒有實(shí)質(zhì)性影響。與基于激光雷達(dá)和視覺的定位相比，基于數(shù)據(jù)融合的定位實(shí)現(xiàn)了更好的實(shí)時(shí)性能，因?yàn)槊總€(gè)獨(dú)立傳感器不需要開發(fā)復(fù)雜的算法來實(shí)現(xiàn)其最佳定位潛力。此外，它實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性能之間的最佳平衡?？傊诩す饫走_(dá)、視覺和數(shù)據(jù)融合的技術(shù)在實(shí)時(shí)性能方面仍有很大提高。 討論表明，沒有一個(gè)傳感器能夠滿足自動(dòng)駕駛的所有定位要求。與其他基于單一傳感器的技術(shù)相比，基于數(shù)據(jù)融合的技術(shù)將是實(shí)現(xiàn)AV成本高效自定位的研究重點(diǎn)。除了傳統(tǒng)的融合信息源，如GPS和IMU，V2X將是一個(gè)有前途的解決方案，主要原因是它對(duì)光照和天氣具有出色的魯棒性。它具有廣泛的檢測(cè)范圍（約300m），可以增加數(shù)據(jù)源并提高其穩(wěn)定性。然而，精度、實(shí)時(shí)性能和魯棒性之間的權(quán)衡仍需進(jìn)一步研究。此外，未來的研究需要集中于傳感器故障檢測(cè)和識(shí)別技術(shù)以及缺陷數(shù)據(jù)建模方法，以確保穩(wěn)健和一致的AV定位。隨著新的新興方法的興起，如機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)?；诘貓D的定位性能可以得到增強(qiáng)，因?yàn)槿斯ぶ悄芩惴ň哂凶詣?dòng)學(xué)習(xí)特征的巨大潛力。我們讓讀者參考Fayyad等人最近的調(diào)查[152]，該調(diào)查對(duì)基于深度學(xué)習(xí)的定位進(jìn)行了全面綜述。

9參考

[1] Real-Time Performance-Focused Localization Techniques for Autonomous Vehicle: A Review

編輯：黃飛

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