如何處理自動駕駛感知傳感器臟污問題？

[首發于智駕最前沿微信公眾號]自動駕駛系統依賴多種傳感器來感知外界環境，攝像頭負責將光學圖像轉換為圖像數據供算法解析，激光雷達生成描述物體三維形狀的點云數據，毫米波雷達探測目標的距離與速度，超聲波雷達則專門負責近距離障礙物檢測。

這些傳感器都對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，采集到的數據就會出現偏差，進而導致后續算法判斷失誤。攝像頭若被水霧或泥點遮擋，可能無法準確識別車道線或交通標志；激光雷達的發射或接收面若附著積雪、結霜或鹽霧，會導致回波強度下降或產生散射噪聲；毫米波雷達雖然具有一定穿透霧霾的能力，但在特定強度的雨滴或表面附著物影響下也會產生干擾雜波。簡而言之，臟污可能引發“視覺模糊”、“回波紊亂”和“近距探測失靈”等多種問題，這些都會降低感知系統對環境的判斷信心，最終影響車輛的路徑規劃與行駛決策。

對于自動駕駛汽車來說，感知系統若出現臟污，所導致的問題不僅僅是簡單的性能衰減，更會帶來非常嚴重的安全風險。對攝像頭而言，一個微小的污點如果恰好遮擋了前方行人或車牌等關鍵區域，就可能導致致命的漏檢事故。對激光雷達來說，整體回波強度下降會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。如果自動駕駛系統未能及時識別出傳感器處于"不可靠"狀態，車輛可能會繼續按照正常策略行駛，這會顯著增加碰撞或誤判的概率。因此，在系統設計時，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現污損情況并做出安全響應。

感知硬件與機械清潔設計

傳感器在雨雪、泥濘、多塵等復雜道路條件下被臟污覆蓋幾乎無法避免，因此在車輛設計中必須將“臟污”視為常態工況來對待。為了避免傳感器臟污導致的各種問題，可以將關鍵傳感器布置在不易被飛濺物直接命中的位置，或者加裝物理護罩和導流結構來減少污染物直接附著的機會。此外還可以通過特殊的材料選擇和表面處理工藝來避免臟污，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，但對于黏性較強的污漬或鹽漬，其防護效果仍然有限。

主動清潔系統也是避免傳感器出現臟污重要的應對手段。為攝像頭和激光雷達配置微型雨刮、噴水嘴、氣流吹掃裝置或振動器，可以在需要時及時清理鏡面污染物。還可以將噴水與暖風功能結合，利用熱空氣或電加熱元件來融化冰霜和鹽結晶，然后再用氣流吹干表面。針對激光雷達，振動去污可以有效清除附著的積雪；對于攝像頭，則可以采用細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，這些機械或氣動系統必須具有很高的可靠性，不能在關鍵時刻出現卡滯或損壞，否則會造成比污染更嚴重的問題。

有些臟污不可避免，因此在加裝傳感器時要注意冗余設計和分布式布局。將多組攝像頭和多個雷達傳感器分布在車頭、車側、車頂等不同位置，可以確保當某一個傳感器被局部污染時，其他傳感器仍然能夠提供補充信息。在進行這種布局設計時，需要仔細考慮各個傳感器的視角重疊和相互遮擋關系，確保關鍵感知方向至少有兩條以上的感知鏈路可以覆蓋。冗余設計帶來的好處不僅在于提升系統的容錯能力，還能為軟件層面通過數據比對來判斷哪個傳感器出現異常提供依據。

當然，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域，在安裝傳感器時，還需考慮到傳感器維護的便利性。傳感器應該設計得易于接近、拆卸和清潔，這對后期運營維護至關重要。特別是對于商業化的自動駕駛車隊，需要將傳感器的日常清潔和定期檢修納入標準的運維流程，以最大限度地減少現場人工介入的時間成本與安全風險。

軟件層面的檢測與補償

雖然硬件設計可以在一定程度上減少污染，但軟件系統需要承擔最終的保障職責。自動駕駛系統應能準確識別傳感器何時處于異常狀態。傳感器自檢功能可以提供如激光雷達的回波強度分布、攝像頭的曝光直方圖特征、雷達的噪聲頻譜特性等信息。

利用這些信號特征可以建立傳感器“正常”與“異常”狀態的統計模型，當某個傳感器的輸出數據偏離正常模式時，軟件就可以將其標記為“低置信度”或“可疑”狀態。多傳感器之間的交叉驗證也非常重要。當攝像頭視野不清時，如果激光雷達仍然能提供清晰的點云數據，系統就可以用點云信息來補償視覺信息的缺失；如果多個傳感器同時出現異常，那就應該觸發更高等級的系統告警。

在感知算法層面需要具備容錯設計能力。基于多傳感器融合的系統架構應該能夠根據每個傳感器當前的置信度動態調整其融合權重，而不是簡單粗暴地完全忽略某類傳感器的數據。這樣的動態加權機制可以在傳感器局部污染時保持整體感知的連續性。

時間維度上的連續性也可以作為傳感器是否臟污失效重要的判定依據，如果某個傳感器在連續幾幀內的輸出發生劇烈變化，而之前一直保持穩定，系統可以臨時降低該傳感器的影響權重，甚至觸發清潔動作或通知用戶進行處理。

當軟件診斷到某個傳感器受污染影響特別嚴重時，系統需要立即啟用降級運行策略。降級并不意味著完全停止運行，而是讓車輛切換到一個更加謹慎、保守的行為模式。如適當降低行駛速度、增大跟車距離、避免執行復雜的變道操作、提前制動準備，或者在合適的位置尋找停車區域等待人工處理或自動清潔完成。這些降級操作需要平滑過渡，不應突然打斷乘客的乘坐體驗或對周圍交通流造成安全風險。

利用機器學習技術進行污損識別是近年來的常見做法。通過給模型輸入攝像頭的圖像特征、激光雷達的回波統計信息、雷達的雜波分布特征，可以訓練出能夠識別“雪/霧/泥/油膜/蟲漬”等不同污染類型的分類器。

準確識別出污染類型后，系統可以選擇更適合的處置策略。如發現是薄霧遮擋可能只需要調整算法參數，而發現是黏性泥點則需要觸發機械清洗或安排人工維護。這類模型需要在多種場景下使用大量標注數據進行訓練并持續更新，同時還要保證在邊緣計算設備上運行時的處理效率。

仿真測試也可以應用到傳感器臟污的測試中。實驗室環境通常使用干凈、可控的信號來測試感知系統，但實際應用中臟污的形態千變萬化。將各種臟污數據納入仿真測試平臺，或者使用帶有真實污漬的鏡頭和點云數據進行回歸測試，能夠幫助工程師發現更多的邊緣案例，并有效檢驗各種清潔策略的實際效果。

運營層面的制度與用戶提示不可或缺

再完善的工程設計方案也需要配套的運營管理制度來支撐。對于商用車隊或自動駕駛出租服務，必須建立規范的日常檢查和定期維護流程，將傳感器清潔工作列為例行職責。車輛在進出洗車設施時，自動化的清潔流程應該覆蓋所有關鍵傳感器區域，或者配備專門的高壓低溫清洗設備來保證清潔效果。對于私人用戶，產品說明書和車載人機界面應該清晰地指導用戶如何檢查和清潔攝像頭與傳感器，并在必要時通過車載信息系統及時提醒用戶當前傳感器的置信度狀況和相應的建議操作。

實時提示功能與人機協同機制非常重要。當系統檢測到感知置信度下降時，應該以清晰、明確但不過度引起恐慌的方式通知駕駛者，詳細說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，建議減速并準備切換為人工駕駛”就比含糊的“系統異常”提示更有實用價值。對于自動駕駛車隊運營，應該將此類事件及時上報至后端管理平臺，便于統計各類臟污事件的發生頻次和主要原因，從而為系統的持續改進提供數據支持。

在法規與保險層面，運營方需要明確界定傳感器維護的責任邊界。許多事故調查都會圍繞“設備是否按照要求進行維護”來判斷責任歸屬，提前建立完備的維護記錄和提醒機制可以顯著降低潛在的法律風險。

最后的話

感知系統受臟污影響是自動駕駛行業中一個非常現實且復雜的問題，必須通過硬件設計、主動清潔、軟件檢測與降級策略以及嚴格的運營維護等綜合措施來系統應對。只有將“傳感器會被弄臟”視為設計的前提條件而不是偶然的異常情況，整個系統才可能在真實道路環境中安全、穩健地持續運行。