[首發(fā)于智駕最前沿微信公眾號(hào)]自動(dòng)駕駛系統(tǒng)依賴多種傳感器來(lái)感知外界環(huán)境，攝像頭負(fù)責(zé)將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為圖像數(shù)據(jù)供算法解析，激光雷達(dá)生成描述物體三維形狀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，毫米波雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的距離與速度，超聲波雷達(dá)則專門負(fù)責(zé)近距離障礙物檢測(cè)。

這些傳感器都對(duì)外界物理接觸十分敏感。一旦傳感器表面被泥水、鹽漬、雪花、飛蟲、油膜或灰塵等污染物覆蓋，采集到的數(shù)據(jù)就會(huì)出現(xiàn)偏差，進(jìn)而導(dǎo)致后續(xù)算法判斷失誤。攝像頭若被水霧或泥點(diǎn)遮擋，可能無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別車道線或交通標(biāo)志；激光雷達(dá)的發(fā)射或接收面若附著積雪、結(jié)霜或鹽霧，會(huì)導(dǎo)致回波強(qiáng)度下降或產(chǎn)生散射噪聲；毫米波雷達(dá)雖然具有一定穿透霧霾的能力，但在特定強(qiáng)度的雨滴或表面附著物影響下也會(huì)產(chǎn)生干擾雜波。簡(jiǎn)而言之，臟污可能引發(fā)“視覺(jué)模糊”、“回波紊亂”和“近距探測(cè)失靈”等多種問(wèn)題，這些都會(huì)降低感知系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的判斷信心，最終影響車輛的路徑規(guī)劃與行駛決策。

對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車來(lái)說(shuō)，感知系統(tǒng)若出現(xiàn)臟污，所導(dǎo)致的問(wèn)題不僅僅是簡(jiǎn)單的性能衰減，更會(huì)帶來(lái)非常嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)攝像頭而言，一個(gè)微小的污點(diǎn)如果恰好遮擋了前方行人或車牌等關(guān)鍵區(qū)域，就可能導(dǎo)致致命的漏檢事故。對(duì)激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，整體回波強(qiáng)度下降會(huì)使障礙物的幾何形狀變得模糊，直接影響車輛的定位精度和避障能力。如果自動(dòng)駕駛系統(tǒng)未能及時(shí)識(shí)別出傳感器處于"不可靠"狀態(tài)，車輛可能會(huì)繼續(xù)按照正常策略行駛，這會(huì)顯著增加碰撞或誤判的概率。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮如何讓傳感器本身盡量減少污染附著，也要確保軟件能夠盡早發(fā)現(xiàn)污損情況并做出安全響應(yīng)。

感知硬件與機(jī)械清潔設(shè)計(jì)

傳感器在雨雪、泥濘、多塵等復(fù)雜道路條件下被臟污覆蓋幾乎無(wú)法避免，因此在車輛設(shè)計(jì)中必須將“臟污”視為常態(tài)工況來(lái)對(duì)待。為了避免傳感器臟污導(dǎo)致的各種問(wèn)題，可以將關(guān)鍵傳感器布置在不易被飛濺物直接命中的位置，或者加裝物理護(hù)罩和導(dǎo)流結(jié)構(gòu)來(lái)減少污染物直接附著的機(jī)會(huì)。此外還可以通過(guò)特殊的材料選擇和表面處理工藝來(lái)避免臟污，如在鏡頭或窗口表面施加疏水疏油涂層，可以使水滴和油污更容易滑落。這類涂層在普通雨雪天氣下效果顯著，但對(duì)于黏性較強(qiáng)的污漬或鹽漬，其防護(hù)效果仍然有限。

主動(dòng)清潔系統(tǒng)也是避免傳感器出現(xiàn)臟污重要的應(yīng)對(duì)手段。為攝像頭和激光雷達(dá)配置微型雨刮、噴水嘴、氣流吹掃裝置或振動(dòng)器，可以在需要時(shí)及時(shí)清理鏡面污染物。還可以將噴水與暖風(fēng)功能結(jié)合，利用熱空氣或電加熱元件來(lái)融化冰霜和鹽結(jié)晶，然后再用氣流吹干表面。針對(duì)激光雷達(dá)，振動(dòng)去污可以有效清除附著的積雪；對(duì)于攝像頭，則可以采用細(xì)密刮片或氣體噴嘴配合透明擋板的清潔方式。為了不損壞這些傳感器，這些機(jī)械或氣動(dòng)系統(tǒng)必須具有很高的可靠性，不能在關(guān)鍵時(shí)刻出現(xiàn)卡滯或損壞，否則會(huì)造成比污染更嚴(yán)重的問(wèn)題。

有些臟污不可避免，因此在加裝傳感器時(shí)要注意冗余設(shè)計(jì)和分布式布局。將多組攝像頭和多個(gè)雷達(dá)傳感器分布在車頭、車側(cè)、車頂?shù)炔煌恢茫梢源_保當(dāng)某一個(gè)傳感器被局部污染時(shí)，其他傳感器仍然能夠提供補(bǔ)充信息。在進(jìn)行這種布局設(shè)計(jì)時(shí)，需要仔細(xì)考慮各個(gè)傳感器的視角重疊和相互遮擋關(guān)系，確保關(guān)鍵感知方向至少有兩條以上的感知鏈路可以覆蓋。冗余設(shè)計(jì)帶來(lái)的好處不僅在于提升系統(tǒng)的容錯(cuò)能力，還能為軟件層面通過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)來(lái)判斷哪個(gè)傳感器出現(xiàn)異常提供依據(jù)。

當(dāng)然，不能為了避免傳感器臟污而將傳感器安裝在特別隱蔽或不易維修的區(qū)域，在安裝傳感器時(shí)，還需考慮到傳感器維護(hù)的便利性。傳感器應(yīng)該設(shè)計(jì)得易于接近、拆卸和清潔，這對(duì)后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)至關(guān)重要。特別是對(duì)于商業(yè)化的自動(dòng)駕駛車隊(duì)，需要將傳感器的日常清潔和定期檢修納入標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)維流程，以最大限度地減少現(xiàn)場(chǎng)人工介入的時(shí)間成本與安全風(fēng)險(xiǎn)。

軟件層面的檢測(cè)與補(bǔ)償

雖然硬件設(shè)計(jì)可以在一定程度上減少污染，但軟件系統(tǒng)需要承擔(dān)最終的保障職責(zé)。自動(dòng)駕駛系統(tǒng)應(yīng)能準(zhǔn)確識(shí)別傳感器何時(shí)處于異常狀態(tài)。傳感器自檢功能可以提供如激光雷達(dá)的回波強(qiáng)度分布、攝像頭的曝光直方圖特征、雷達(dá)的噪聲頻譜特性等信息。

利用這些信號(hào)特征可以建立傳感器“正常”與“異?！睜顟B(tài)的統(tǒng)計(jì)模型，當(dāng)某個(gè)傳感器的輸出數(shù)據(jù)偏離正常模式時(shí)，軟件就可以將其標(biāo)記為“低置信度”或“可疑”狀態(tài)。多傳感器之間的交叉驗(yàn)證也非常重要。當(dāng)攝像頭視野不清時(shí)，如果激光雷達(dá)仍然能提供清晰的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，系統(tǒng)就可以用點(diǎn)云信息來(lái)補(bǔ)償視覺(jué)信息的缺失；如果多個(gè)傳感器同時(shí)出現(xiàn)異常，那就應(yīng)該觸發(fā)更高等級(jí)的系統(tǒng)告警。

在感知算法層面需要具備容錯(cuò)設(shè)計(jì)能力?；诙鄠鞲衅魅诤系南到y(tǒng)架構(gòu)應(yīng)該能夠根據(jù)每個(gè)傳感器當(dāng)前的置信度動(dòng)態(tài)調(diào)整其融合權(quán)重，而不是簡(jiǎn)單粗暴地完全忽略某類傳感器的數(shù)據(jù)。這樣的動(dòng)態(tài)加權(quán)機(jī)制可以在傳感器局部污染時(shí)保持整體感知的連續(xù)性。

時(shí)間維度上的連續(xù)性也可以作為傳感器是否臟污失效重要的判定依據(jù)，如果某個(gè)傳感器在連續(xù)幾幀內(nèi)的輸出發(fā)生劇烈變化，而之前一直保持穩(wěn)定，系統(tǒng)可以臨時(shí)降低該傳感器的影響權(quán)重，甚至觸發(fā)清潔動(dòng)作或通知用戶進(jìn)行處理。

當(dāng)軟件診斷到某個(gè)傳感器受污染影響特別嚴(yán)重時(shí)，系統(tǒng)需要立即啟用降級(jí)運(yùn)行策略。降級(jí)并不意味著完全停止運(yùn)行，而是讓車輛切換到一個(gè)更加謹(jǐn)慎、保守的行為模式。如適當(dāng)降低行駛速度、增大跟車距離、避免執(zhí)行復(fù)雜的變道操作、提前制動(dòng)準(zhǔn)備，或者在合適的位置尋找停車區(qū)域等待人工處理或自動(dòng)清潔完成。這些降級(jí)操作需要平滑過(guò)渡，不應(yīng)突然打斷乘客的乘坐體驗(yàn)或?qū)χ車煌髟斐砂踩L(fēng)險(xiǎn)。

利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行污損識(shí)別是近年來(lái)的常見(jiàn)做法。通過(guò)給模型輸入攝像頭的圖像特征、激光雷達(dá)的回波統(tǒng)計(jì)信息、雷達(dá)的雜波分布特征，可以訓(xùn)練出能夠識(shí)別“雪/霧/泥/油膜/蟲漬”等不同污染類型的分類器。

準(zhǔn)確識(shí)別出污染類型后，系統(tǒng)可以選擇更適合的處置策略。如發(fā)現(xiàn)是薄霧遮擋可能只需要調(diào)整算法參數(shù)，而發(fā)現(xiàn)是黏性泥點(diǎn)則需要觸發(fā)機(jī)械清洗或安排人工維護(hù)。這類模型需要在多種場(chǎng)景下使用大量標(biāo)注數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練并持續(xù)更新，同時(shí)還要保證在邊緣計(jì)算設(shè)備上運(yùn)行時(shí)的處理效率。

仿真測(cè)試也可以應(yīng)用到傳感器臟污的測(cè)試中。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境通常使用干凈、可控的信號(hào)來(lái)測(cè)試感知系統(tǒng)，但實(shí)際應(yīng)用中臟污的形態(tài)千變?nèi)f化。將各種臟污數(shù)據(jù)納入仿真測(cè)試平臺(tái)，或者使用帶有真實(shí)污漬的鏡頭和點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸測(cè)試，能夠幫助工程師發(fā)現(xiàn)更多的邊緣案例，并有效檢驗(yàn)各種清潔策略的實(shí)際效果。

運(yùn)營(yíng)層面的制度與用戶提示不可或缺

再完善的工程設(shè)計(jì)方案也需要配套的運(yùn)營(yíng)管理制度來(lái)支撐。對(duì)于商用車隊(duì)或自動(dòng)駕駛出租服務(wù)，必須建立規(guī)范的日常檢查和定期維護(hù)流程，將傳感器清潔工作列為例行職責(zé)。車輛在進(jìn)出洗車設(shè)施時(shí)，自動(dòng)化的清潔流程應(yīng)該覆蓋所有關(guān)鍵傳感器區(qū)域，或者配備專門的高壓低溫清洗設(shè)備來(lái)保證清潔效果。對(duì)于私人用戶，產(chǎn)品說(shuō)明書和車載人機(jī)界面應(yīng)該清晰地指導(dǎo)用戶如何檢查和清潔攝像頭與傳感器，并在必要時(shí)通過(guò)車載信息系統(tǒng)及時(shí)提醒用戶當(dāng)前傳感器的置信度狀況和相應(yīng)的建議操作。

實(shí)時(shí)提示功能與人機(jī)協(xié)同機(jī)制非常重要。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到感知置信度下降時(shí)，應(yīng)該以清晰、明確但不過(guò)度引起恐慌的方式通知駕駛者，詳細(xì)說(shuō)明受影響的具體范圍和推薦的操作建議。如提示“前置攝像頭受雨水影響，視野受限，建議減速并準(zhǔn)備切換為人工駕駛”就比含糊的“系統(tǒng)異常”提示更有實(shí)用價(jià)值。對(duì)于自動(dòng)駕駛車隊(duì)運(yùn)營(yíng)，應(yīng)該將此類事件及時(shí)上報(bào)至后端管理平臺(tái)，便于統(tǒng)計(jì)各類臟污事件的發(fā)生頻次和主要原因，從而為系統(tǒng)的持續(xù)改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持。

在法規(guī)與保險(xiǎn)層面，運(yùn)營(yíng)方需要明確界定傳感器維護(hù)的責(zé)任邊界。許多事故調(diào)查都會(huì)圍繞“設(shè)備是否按照要求進(jìn)行維護(hù)”來(lái)判斷責(zé)任歸屬，提前建立完備的維護(hù)記錄和提醒機(jī)制可以顯著降低潛在的法律風(fēng)險(xiǎn)。

最后的話

感知系統(tǒng)受臟污影響是自動(dòng)駕駛行業(yè)中一個(gè)非?，F(xiàn)實(shí)且復(fù)雜的問(wèn)題，必須通過(guò)硬件設(shè)計(jì)、主動(dòng)清潔、軟件檢測(cè)與降級(jí)策略以及嚴(yán)格的運(yùn)營(yíng)維護(hù)等綜合措施來(lái)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)。只有將“傳感器會(huì)被弄臟”視為設(shè)計(jì)的前提條件而不是偶然的異常情況，整個(gè)系統(tǒng)才可能在真實(shí)道路環(huán)境中安全、穩(wěn)健地持續(xù)運(yùn)行。

審核編輯 黃宇