将要上市的自动驾驶新书《自动驾驶系统开发》中摘录各章片段 2

第五章 感知模块

我们俗称自动驾驶要回答几个问题：

• 定位-“我在哪儿 （where am I）？”
• 感知-“我周围是什么 （what’s around me）？“
• 预测-“下一步会发生什么（what will happen next）? “
• 规划-“我要做什么（What should I do）? “
• 控制- “怎么做（How to do）？

感知模块相当于自动驾驶车辆的“眼睛”，它跟传感器直接相接，获取大量传感器的数据输入，然后分析处理后得到周围环境的理解，包括障碍物检测，跟踪和距离估计，车道识别和分割，交通标志和红绿灯识别等。由于现在自动驾驶系统都是装载多个多种传感器，所以传感器融合是必要的也是重要的感知部分，甚至一些系统把它单独列出来，独立于感知模块。
本章从5.1车载各种传感器的标定开始，5.2介绍了单目摄像头测距的各种方法，以及5.3单目图像的深度估计算法；接着5.4分析了目前单目摄像头的3-D障碍物检测方法，即3-D目标长方体框在图像的投影而不是2-D矩形框而已；然后5.5对障碍物跟踪方法展开讨论，包括单目标和多目标情形；传感器融合是重要的问题，5.6从数据级和任务级两个层次分析了融合的方法；5.7、5.8和5.9主要讨论车载视觉系统关心的三个问题：车道线检测、交通牌识别和红绿灯识别； 5.10重点讨论视觉摄像头看到的可驾驶区域问题，即语义的道路分割；5.11是基于立体视觉的感知模块分析；由于行人的行为分析需要，人体姿态估计在5.12讨论； 5.13特别提到驾驶员监控系统（DMS）的实现算法；5.14对当前最新的BEV感知系统做深入讨论。

关于BEV的介绍片段：
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第六章 高清地图

“高清地图（HD map）”概念于2010年Mercedes-Benz首次引入，随后于2013年为Bertha Drive 项目做出贡献。在Bertha Drive项目中，Mercedes-Benz S500以完全自主的模式完成了Bertha-Benz Memorial Route，使用高度精确且信息丰富的3D路线图，该路线图后来被一家名为HERE的参与地图公司命名为“高清（HD）实时地图”。
高清地图（HD Map），在自动驾驶领域被看得很重，因为它能提供先验知识，让感知难度降低，同时规划有的放矢。
高清地图不是新的东西，已经有一些地图和自动驾驶公司开始制作和使用HD Map。但是，HD Map的制作和包含的信息以及精度仍然没有统一的共识。
本章6.1首先介绍高清地图的基本类型、层次、格式和制作方法，然后6.2重点讨论语义地图的各种生成方法，6.3强调车道线级别高清地图的制作方法，最后6.4介绍基于深度学习的SLAM方法。

关于高清地图制作的介绍片段：

第七章 定位模块

就道路上的自动驾驶车辆而言，首先重要的任务之一是将车辆定位在道路上。为此，车辆需要考虑来自多个传感器的信息，并将其与来自道路地图的数据融合。道路定位问题可以归结为三个部分：第一个是车辆当前行驶的道路确定；事实上，全球导航卫星系统还不够精确，无法自行推断出这些信息，因此需要一个滤波步骤；第二个是估计车辆在车道中的位置；最后第三个是评估车辆当前行驶的车道。这里讨论主要限于后两个部分，因为第一个在基于导航地图的定位中已经有成熟的方案，比如地图匹配（车辆位置与地图的路网相匹配）等。
有两种技术适合这个任务。第一种方法取决于高清地图存储的地标精确位置（例如车道标记），系统必须将检测的地标与地图中存储的地标相匹配。第二种技术完全依赖于车载传感器检测视觉地标，例如道路上的所有车道；然而，由于其他车辆的遮挡，有时无法检测到道路上所有车道标记；提取的相关道路级特征送入一个高级融合框架，该框架评估车道数和车辆行驶的车道。本章只限于讨论第一种方法。
基于地图的定位实际上分成两个阶段。在位置识别（place recognition）阶段，将传感器输出与一组地理标记的感兴趣地图区域进行比较，确定车辆在地图中的初始位置。随后，在地图度量定位（map metric localization）阶段，不断将传感器输出与经过的地图当前区域对齐，这样车辆在地图上运动的同时被跟踪。
因此，定位需要感知模块提供数据输入和地图的信息进行匹配；那么类似于感知模块，定位模块也会采用传感器融合的思路，即采用GPS/DGPS（如RTK），IMU，摄像头，激光雷达加高清地图的组合。
GPS定位是经典的方法，但是环境中电磁波的传播会因为天气、大气层，高楼大厦和山丘等因素产生时间误差，并造成估计的距离误差。为了补偿部分误差，提出了差分GPS即DGPS，比如RTK技术。千寻网络背靠中国兵器工业集团和阿里巴巴集团两个大公司，在全国提供这方面的服务。
还有另外两个定位算法：分为里程计法和惯性导航法。里程计( Odometry ) 是一种被广泛应用的方式，通过安装在车轮上的光电编码器（wheel encoder）记录车辆的运动过程从而估计其位置。惯性导航法（IMU）则利用加速度计和陀螺仪实现定位，里程计由于轮子侧滑会带来误差，而惯导的积分累积误差也会带来困扰，里程计和惯性导航的定位精度一般比较差，最好和GPS或者激光雷达/摄像头联合使用实现航位推测（dead reckoning）。
激光雷达点云数据做定位的方法，是要求感知输入的激光雷达点云（有的方法允许反射图）和高清地图的点云匹配，直接ICP计算量太大。大家熟悉的算法，常用的有正态分布变换（NDT，normal distributions transform），还有斯坦福大学的直方图滤波器（histogram filter）和粒子滤波（particle filter）之类。算法要求车载系统有激光雷达传感器，能够实时采集现场点云数据。也有压缩点云数据的快速匹配定位方法，比如TomTom的RoadDNA，Civil Maps的指纹图（Fingerprint Map），定位难度和精度上会有所折衷。
摄像头定位是视觉里程计或者视觉SLAM采用的，以前有不少研究“基于图像的重定位（Image-based Re-localization）”问题，用于SLAM的闭环（loop closure）检测和跟踪失败（tracking failure）恢复等等。SLAM方法包括稀疏法、致密法和半致密法，但在自动驾驶这个场景中，稀疏法是最合适的。不过，单纯靠视觉的特征点来实现定位是不足的，还需要语义目标的辅助，即语义地图。在自动驾驶中，语义地图最实用的是基于车道线的地图。
本章是前一章高清地图的衔接，首先7.1介绍低成本的基于车道线地图的定位技术，然后7.2讨论基于激光雷达的定位算法，接着7.3分析多传感器的融合定位方法，最后7.4介绍基于深度学习的定位方法。

关于深度学习的视觉定位分析片段：
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第八章 规划（包括预测）模块

自动驾驶中的规划模块是确定车辆的动作，它基于输入的感知结果，而结果将送入控制模块确定车辆的实际操作。前面提到感知相当于自动驾驶的“眼睛“，那么规划的作用就相当于”大脑“，是非常重要的模块。
首先，需要确定几个专业词的表述：路线 = route；路径 = path；轨迹 = trajectory。
本章8.1首先介绍基本的规划理论，分三个层次，即路线规划、行为规划和运动规划；8.2讨论驾驶行为建模和预测，主要是基于数据驱动的机器学习方法；8.3扩展到行人行为的建模和预测问题；最后8.4附带讨论如何学习老司机的驾驶技术，是8.2课题的深入。

关于运动规划的讨论片段：

关于神经规划器的介绍片段：

关于车辆预测方法的分析片段：
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