从零开始的无人驾驶 2

Sensor

对于无人驾驶系统而言，多传感器已经是默认配置

Kalman Filter 卡尔曼滤波

Kalman Filter 经常运用于无人驾驶系统中感知模块，用于目标状态估计。用人话说，就是物体追踪。

简单来说，有个运动的小车，用来测量小车运动的传感器其实有测量噪声 (Measurement Noise)，所以得到的结果是个高斯分布

如果我们用带误差的测量值来预测下一时刻的位置，由于加入了速度估计噪声，所以不确定性更大了

于是用传感器再做一次测量，新的测量依然带有误差(还是个高斯分布)

将得到的两个高斯分布加权取平均，得到新的高斯分布(绿)

这步操作中使用到的加权数值叫做卡尔曼增益，决定了我们对当前测量的信任程度。新得到的绿色高斯分布，拥有比前两次测量值更小的方差。说明卡尔曼滤波从两个不确定较高的分布，得到了一个相对确定的分布。并且新的高斯分布可以作为下次预测的初始值(卡尔曼滤波假设本次测量只和上次测量有关)，所以卡尔曼滤波可以迭代。

小车插图图源《Understanding the Basis of the Kalman Filter Via a Simple and Intuitive Derivation》

多传感融合 Lidar and Radar Fusion

一个简单的感知反馈模型其实只有两步：状态预测与测量更新

在多传感器条件下，各传感器之间想要同步反馈速度其实并无必要。每个传感器异步地参与感知反馈

在任何时间，只要收到传感器的数据，就会触发一次测量更新

这个过程中，会一直使用KF预测和KF更新

状态预测 State Prediction

线性模型假设，物体在运动时，每段时间间隔中速度恒定。实际上，每次测量时间之间的间隔是不定的，物体的加速也是不定的

时间和加速度的不确定性决定了过程噪声process Noise

下图引入了状态转移矩阵

过程协方差矩阵 Process Covariance Matrix

由于状态向量只包含位置和速度信息，实际上加速度在模型中是作为随机噪声的

由于加速度不确定，所以直接当成随机成分。然后对上面的式子求导，就得到下面的随机加速向量v

v是服从于N(0, Q)分布

再把v分解成两个矩阵。一个4x2的矩阵G，其中不包含随机变量。一个2x1的矩阵a，包含随机加速项。

根据定义，协方差矩阵Q又是v乘上v的转置的数学期望。由于G不包含随机项，所以移到了数学期望的外面

剩下的就是ax的方差，ay的方差，ax和ay的协方差。由于ax和ay不相关，所以协方差是0. 前前后后放到一起，就是下面这玩意儿

激光检测 Laser Measurement

使用激光传感器，获取点云数据，探测物体。利用卡尔曼滤波进行转台预测

预测效果如下

选取近似直线部分放大，发现预测跟实际物体运行高度吻合

选取转向部分放大，预测偏离实际运行轨迹。因为在每个小的时间间隔中，我们一直假设方向不变

雷达检测 Radar Measurement

激光可以获得车辆的位置信息，要完成传感融合还需要从雷达获取速度信息

雷达信息包含了三个变量：Range范围(与路人的距离); Bearing方位(从x轴开始逆时针转向路人方向的角度); Radial Velocity是车速在行人方向上的速度分量，也叫range rate

测量函数h(x')会将测量空间投射到预测空间

Extended Kalman Filter 扩展卡尔曼滤波

EKF(Extended Kalman Filter）是卡尔曼滤波的非线性版本。

原本的卡尔曼滤波假设被Prediction(Estimate)服从高斯分布，且Measurement(Noisy)也服从高斯分布。但是现实状态中，基本都是非线性变换（简单说就是因为现实中被测物体多半处于受力状态，比如摩擦力）。