想象一下,在一个紧急的军事会议上,侦察兵(摄像头)报告:"发现一个移动的绿色物体!";声纳兵(激光雷达)说:"确认一个高约1.7米的实体,距离50米!";雷达兵(毫米波雷达)补充:"目标径向速度5米/秒,正在靠近!"。
指挥官需要综合所有这些信息,才能得出唯一正确的结论:"一名身着迷彩的士兵正在以5米/秒的速度向我方靠近。" 这个过程,就是多传感器融合。在智能驾驶中,它就是担任"指挥官"角色的核心技术。
4.1 为什么需要融合?------冗余与互补的哲学
融合的根本动力源于单一传感器的固有局限性,其价值主要体现在两个方面:
- 互补性------扬长避短,形成完整认知
每种传感器都有其独特的优势和劣势,融合可以让它们相互补充,形成对环境的全面感知。
摄像头 + 激光雷达: 摄像头能识别"是什么"(是车还是人),但测距不准;激光雷达能精确知道"在哪里"(位置和形状),但无法识别颜色和纹理。两者结合,就能同时知道"那里有一个行人,他距离我们20.1米"。
毫米波雷达 + 摄像头/激光雷达: 毫米波雷达能直接、精确地测量"速度",但在横穿车辆等场景下可能漏检或定位不准。与摄像头或激光雷达融合,可以稳定、准确地跟踪运动目标。
- 冗余性------多重备份,确保系统鲁棒
安全是智能驾驶的生命线。关键信息必须有备份,当一个传感器失效时,系统依然能依靠其他传感器正常工作。
极端天气: 在大雾天,摄像头和激光雷达性能可能急剧下降,而毫米波雷达依然可以稳定工作,确保能发现前方车辆。
传感器故障: 如果某个摄像头突然损坏,系统可以依赖其他摄像头和激光雷达的数据,继续感知环境,并提示驾驶员接管,而不是瞬间"失明"。
通过融合,系统获得了一个 "1+1>2" 的感知能力,它更全面、更准确、也更安全。
4.2 融合层级:数据级、特征级、决策级
根据融合发生的阶段,可以将其分为三个层次,如同三级信息加工工厂。
4.2.1 数据级融合
做法: 在最原始的层级进行融合。直接将不同传感器的原始数据(如摄像头像素和激光雷达点云)进行对齐、合并,然后对融合后的统一数据进行特征提取和目标识别。
比喻: 如同将小麦(图像)和大豆(点云)磨成粉末后,再混合在一起制作新食材。
优点: 信息损失最少,理论上能获得最高的精度。
缺点: 对数据同步和传感器标定要求极高,计算量巨大,且因为数据模态不同(图像是2D稠密数据,点云是3D稀疏数据),实现难度很大。
4.2.2 特征级融合
做法: 这是目前最主流、最实用的融合方式。各个传感器先独立处理自己的原始数据,提取出有意义的特征(如摄像头提取出2D边界框和类别,激光雷达提取出3D边界框,毫米波雷达提取出目标点和速度),然后将这些特征信息送到融合中心进行关联与整合。
比喻: 面包师先分别将小麦做成面粉,将大豆榨成豆油,然后再将面粉和豆油混合起来烤面包。
优点: 实现了信息压缩,计算量适中,灵活性强,是目前工程上最成熟的方案。
缺点: 在特征提取阶段会损失一部分原始信息。
4.2.3 决策级融合
做法: 每个传感器独立完成从数据到感知再到决策的完整过程(如摄像头自己判断"前方有车",激光雷达自己判断"前方有障碍物"),最后只将各自的"决策结果"进行融合(如投票、加权平均)。
比喻: 每个顾问独立给出自己的结论("应该投资"/"不应该投资"),老板最后根据所有顾问的意见做出最终决策。
优点: 系统容错性好,对通信带宽要求低,实现简单。
缺点: 信息损失最大,融合精度最低。
4.3 经典融合算法:卡尔曼滤波及其变种------追踪目标的"预言家"
在特征级和决策级融合中,核心问题之一是如何稳定、精确地跟踪一个目标的状态(位置、速度等)。卡尔曼滤波就是解决这一问题的经典且强大的工具。
4.3.1 卡尔曼滤波的直观理解
你可以把它想象成一个不断自我修正的"预测-更新"循环,它非常"聪明",知道该相信自己的预测多一点,还是该相信传感器的测量多一点。
第一步:预测
根据目标上一时刻的状态(如位置、速度),利用运动模型(如匀速运动),预测出它当前时刻最可能的状态。
例如: 上一秒车在10米处,速度是2米/秒,那么预测这一秒它应该在12米处。
第二步:更新
此时,传感器(如摄像头和雷达)给出了它们观测到的目标位置(比如摄像头说是11.8米,雷达说是12.1米)。
卡尔曼滤波不会简单地取平均值。它会根据 "预测的不确定性" 和 "观测的不确定性" ,来计算一个最优的权重,将预测值和观测值融合起来,得到一个比任何单一数据源都更精确、更平滑的最优估计值。
它还会根据本次融合的结果,动态调整下一轮循环中对自己预测和传感器观测的"信任度"。
4.3.2 变种与扩展
扩展卡尔曼滤波: 当系统不是简单的线性关系时,EKF通过局部线性化来解决,应用广泛。
无损卡尔曼滤波: 一种更精确、更稳定的非线性滤波方法,适用于更复杂的系统模型。
粒子滤波: 适用于任何非线性、非高斯系统,通过大量"粒子"来模拟状态的概率分布,计算量巨大但非常强大。
这些滤波算法是多目标跟踪数据关联的核心,它们保证了系统能够输出稳定、不跳变的目标轨迹。
4.4 前沿融合技术:基于深度学习的前融合方案
随着深度学习的发展,融合技术正向着更前端、更紧密的方向演进。
4.4.1 BEV感知:鸟瞰视角下的统一
这是当前最炙手可热的前沿方向。其核心思想是:将不同传感器(主要是摄像头和激光雷达)的数据,全部转换到同一个统一的鸟瞰图坐标系下,再进行融合和感知。
工作原理:
对于摄像头,通过深度学习网络(如LSS, BEVFormer等模型),将2D图像特征"提升"到3D空间,生成一个伪激光雷达点云或BEV特征图。这个过程让摄像头具备了"深度知觉"。
对于激光雷达,其点云数据可以自然地投影到BEV空间,形成BEV特征图。
现在,两种不同来源的数据都在同一个BEV空间里了,可以非常方便地进行数据级或特征级融合,然后直接在BEV空间中进行3D目标检测、车道线识别等任务。
巨大优势:
解决了空间不对齐问题: 传统融合需要艰难地将图像上的2D框和激光雷达的3D框进行关联,而BEV天生就在同一个3D空间里。
全局感知: BEV视角更符合人类的驾驶视角,能更好地理解全局场景和物体间的空间关系,对于路径规划极其友好。
4.4.2 端到端融合
这是更极致的"前融合"。它不明确区分感知和融合模块,而是设计一个庞大的神经网络,直接将所有传感器的原始数据(多张图像+点云)作为输入,直接输出最终的感知结果(如3D边界框、地图分割等)。
愿景: 让神经网络自己学习如何最优地融合不同模态的数据,实现性能上限的突破。
挑战: 对数据量和算力要求极高,模型是"黑箱",可解释性差,目前仍以研究为主。