探地雷达 — 将是自动驾驶车辆传感领域的下一个创新点吗？
目前，大多数自动驾驶汽车的定位策略都在试图复制人类驾驶员感知世界的方式。但 WaveSense 公司首席执行官 Tarik Bolat 认为，要想真正实现可靠的自动驾驶系统，必须打开一些新思路。他说，“技术人员需要为车辆提供更多的可用数据，而不仅仅止步于为车辆提供人类驾驶员所能感知的一切就行了。”对此，Bolat 给出的解决方案是使用采用步进频率的连续波探地雷达，感知人眼看不到的地下 10 英尺（3 米）的位置。
WaveSense 及其竞争对手Geophysical Survey Systems 公司（下简称 GSSI 公司）都使用了来自麻省理工学院林肯实验室的技术。该技术由林肯实验室开发而成，并在 2013 年完成部署，当时的主要目的是帮助阿富汗美军免受地雷威胁。这两家公司都对MIT 技术进行了改进，以提高其在汽车应用中的性能，而且均将该技术用于“定位”而非“感知”目的。这种技术的实现离不开探地雷达（LGPR），需要将探地雷达安装在车辆底盘之下，绘制一幅由地下土壤密度、植物根茎、岩石、空洞及地下公用基础设施分布情况的地图。
此后，当同样配备 LGPR 设备的车辆驶入地图覆盖的区域时，即可通过地面特征（类似指纹）来精确定位车辆的位置。由于这些标记位于地面以下，因此不受恶劣天气的影响。此外，该技术也适用于一些建筑环境雷同或 GPS 短暂失灵的情况。
作为全球唯一两家积极探索探地雷达的机构，GSSI 和 WaveSense 公司均获许可使用麻省理工学院林肯实验室的同一种基础技术。然而，WaveSense公司似乎对知识产权更有“占有欲”，并声称本公司为麻省理工定位用探地雷达系列专利组合的“全球独家许可方”。WaveSense 是一家位于 Somerville 市的众筹初创公司，成立于 2017 年，一直致力于汽车应用开发。
与此同时，GSSI 是一家总部位于新罕布什尔州 Nashua 市的具有 50 年历史的老牌公司，致力于将 LPGR 技术用于包括建筑、地球物理和考古学等各行各业。此外，这两家公司同样使用了一组相对较小的低分辨率图像，并通过与 GPS 等其他定位技术进行索引，从而达到精确定位车辆位置的目的，而且这两家公司声称的精度同样为大约 4 厘米。
WaveSense 公司表示，绘制和探测探地技术的主要差别在于经纬精确度。GSSI 公司的说法类似，但同时表示车辆系统主要可以利用的是绘制与探测环境的关联程度。“如果你距离我不到50米”GSSI 首席技术官 David Cist 表示，“那在绝大多数情况下，我们都能把你的位置精准定位在 4 厘米之内。”GSSI 公司正在与一家正在测试自动驾驶汽车定位技术的德国汽车 OEM 合作。
WaveSense 公司正在与少数几家汽车 OEM 和一级供应商合作。这些合作方主要来自美国和欧洲，也也有已经有合作意向的亚洲公司。WaveSense 公司的 Bolat 看起来对这项技术信心十足。Bolat 表示，“WaveSense 公司别出心裁地解决了标准 [自动驾驶计算]‘堆栈’目前尚无法解决的误差问题。”
但 GSSI 公司的 Cist 更加谨慎。“LGPR 技术在许多层面上都仍有待证明，”他说，“这项技术的当下进展很容易被夸大。我认为这项技术在真正可以应用至商用汽车之前，还有很长的路要走。”
这两家公司都认为探地定位技术可以很好地克服其他主流定位系统易受环境影响的缺点，比如暴风雪等恶劣天气或附近有颗树倒了等临时环境变化。这两家公司也均将探地雷达部署在车辆底盘下方，且均选择了工作在 100 到 400 MHz 频段的雷达，而不是车辆前向雷达中常见的 77 GHz 雷达。
两家公司都认为，雷达探地技术的帧匹配不需要大量数据或强大的 AI 功能支持。WaveSense 公司表示，探地雷达的速率通常是每秒扫描约 100 次。相比之下，GSSI 公司采用了可变扫描速度的策略，目前大约为每秒 10 次扫描，未来也可能会提高速率。GSSI 公司可以从五个维度进行帧匹配。除了扫描频率之外，这两家公司之间还存在其他的重要分歧点。Wavesense 公司使用的探地雷达设备看起来像一个 2 英尺 x 1 英寸的长盒子。Bolat 表示，这种设计足够结实，可以抵御任何恶劣道路情况。不过，他拒绝对该产品的设计发表评论。
Cist 表示，GSSI 公司则依赖于更大的 LGPR 硬件，尺寸达到 5 英尺 x2 英尺 x 0.33 英尺，安装位置跨越整个车辆宽度。他解释说，“我们从左到右共排列了 12 个横向对齐的天线，从而覆盖尽可能宽的道路面积。”Cist 还表示，我们必须留有足够的空气来提供背面反射，从而保证天线的正常工作。
WaveSense 公司的 Bolat表示，公司正在合作的 OEM 对如何应用探地技术有自己的想法，他们的意向包括车库中的自动停车或自动车道居中功能等。具体来说，停车场中的车位排列通常间隔均匀，而高速公路上的标记则可能是坑坑洼洼的。这些地面特征对于基于视觉的探测系统可能具有一定挑战性。但 Bolat 坚定地表示，WaveSense 公司的探地解决方案可以解决这些问题，甚至是钢桥挑战也不在话下。
“土路通常不成问题。”Bolat 说，“我们刚刚开始与一家主要 OEM 合作，开发了可以探测 20 厘米厚混凝土地面的自动停车场探测系统，帮助车辆在停车场环境中实现 5 厘米误差之内的精确定位。”
GSSI 公司的 Cist 表示，他认为，一些道路的土壤有特殊之处，“只需要探测 1 米左右就可以准确地进行定位。”而且，该系统的算法还可以进行调整，从而更好地适应不同季节中地面水分或土壤成分改变的情况。他说，“一些土壤特征或道路、桥梁结构将直接决定定位的准确与否，因此必须同时准备好 LGPR 系统一旦失效的备用方案。”
他对将 LGPR 技术应用于停车场等建筑结构中的态度更不乐观。“自动停车的情况可能没有想象美好。”他警告说，“我们的雷达可以穿透三米，但停车场的地面厚度通常只有 1.5 米，你能在这种情况下探测到哪些有用信息呢？可能很难有任何独特的信息，因为停车场地面本质上只是一排排材质相同的钢筋水泥而已。”
尽管这两家公司的乐观程度不同，但均可能同样面临更大的业务问题。总部位于圣何塞的投资银行Capstone Financial Group 的首席执行官 Dan Smith 对这项技术的印象深刻，但对其实用性仍保留意见。Capstone Financial Group 是一家专注于汽车技术的投资银行。Smith认为，将一种新型设备挂在车辆底盘之下所需进行的相关测试、验证与责任划分工作是非常繁重的。他说，“我认为，探地雷达真是个天才的主意，但将其成功商业化将是很艰难的。”
作者：Bradley Berman
本文原发表于SAE《自动驾驶车辆工程》杂志
