一文帶你了解自動(dòng)駕駛傳感器

隨著汽車電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化發(fā)展，自動(dòng)駕駛的雛形也逐漸出現(xiàn)，雖然自動(dòng)駕駛汽車還未完全商用化，但很多車企已經(jīng)開始布局L3甚至L4級(jí)別的自動(dòng)駕駛汽車。

美國(guó)國(guó)家公路交通安全管理局（NHTSA）根據(jù)駕駛行為中車輛占據(jù)的控制權(quán)，將自動(dòng)駕駛分為六個(gè)等級(jí)（表1），其中

L0級(jí)即無自動(dòng)，駕駛員需要隨時(shí)掌握車輛的所有機(jī)械、物理功能，車輛僅配備警報(bào)裝置，在車輛行駛過程中給駕駛員提供安全警示，車輛不參與任何駕駛行為過程；

L1級(jí)是由駕駛員操作車輛，但車輛可以配備諸如車輛防抱死系統(tǒng)等可以幫助行車安全的功能，這些功能僅輔助行車安全，車輛的控制權(quán)依舊掌握在駕駛員手中；

L2級(jí)還是由駕駛員操作車輛，車輛配備的定速巡航系統(tǒng)，盲點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)等功能可以減輕駕駛員操作負(fù)擔(dān)；

L3級(jí)是在部分駕駛場(chǎng)景中，車輛已經(jīng)可以自主控制，無需駕駛員的參與，但當(dāng)車輛偵測(cè)到需要駕駛員控制車輛的路況時(shí)，會(huì)讓駕駛員立刻進(jìn)行后續(xù)的監(jiān)管；

L4級(jí)是車輛可以在有條件的情況下完整的完成自動(dòng)駕駛，一般無需駕駛員的介入，此時(shí)車輛可以按照設(shè)定的程序?qū)⒊丝退偷侥康牡?，但是在?yán)苛的氣候或者道路模糊不清、意外、不具備自動(dòng)駕駛條件的道路環(huán)境時(shí)，車輛會(huì)提醒駕駛員，并給駕駛員足夠?qū)捲５臅r(shí)間進(jìn)行接管，在L4級(jí)時(shí)駕駛員仍需要監(jiān)管車輛的運(yùn)作；

L5級(jí)自動(dòng)駕駛時(shí)駕駛員無需在駕駛室，車輛也無需駕駛員監(jiān)控，可以獨(dú)立自主在所有道路環(huán)境下完成自動(dòng)駕駛行為，車輛可以對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行最優(yōu)的道路規(guī)劃和決策。

自動(dòng)駕駛的本質(zhì)是車輛可以自主完成駕駛行為，這個(gè)過程是需要車輛作為載體，是一個(gè)硬件與軟件加以輔助的強(qiáng)耦合的系統(tǒng)工程。自動(dòng)駕駛汽車和人一樣，在路面行駛時(shí)是一個(gè)感知、規(guī)劃、控制、執(zhí)行的行為，這些過程離不開硬件與軟件協(xié)同，如果說軟件是自動(dòng)駕駛汽車的大腦，起著規(guī)劃和控制的行為，那么硬件就是自動(dòng)駕駛汽車的神經(jīng)與四肢，起著感知和執(zhí)行的動(dòng)作。

執(zhí)行是車輛根據(jù)軟件規(guī)劃做出諸如加速、減速、停車等行為，這一環(huán)節(jié)是由車輛來完成所需步驟，而感知是信息接收的一個(gè)過程，是車輛實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛動(dòng)作的源頭，為軟件的規(guī)劃和控制提供所需的道路信息，這一環(huán)節(jié)更像是車的眼睛，查看周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)，進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)物體識(shí)別、偵測(cè)與追蹤等，可以讓自動(dòng)駕駛車輛與駕駛員快速察覺可能發(fā)生的危險(xiǎn)，以提高行駛過程中的主動(dòng)安全性，這一過程需要很多的傳感器協(xié)作完成。自動(dòng)駕駛感知主要由車載攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)等傳感器構(gòu)成，不同的傳感器起著不同的作用，在自動(dòng)駕駛過程中完成不同的任務(wù)需求。

車載攝像頭

車載攝像頭是實(shí)現(xiàn)眾多預(yù)警、識(shí)別類高級(jí)輔助駕駛功能的基礎(chǔ)，對(duì)于駕駛員來說也更為直觀，類似車道偏離預(yù)警、前向碰撞預(yù)警、交通標(biāo)識(shí)識(shí)別、車道保持輔助、行人碰撞預(yù)警、全景泊車、駕駛員疲勞預(yù)警等高級(jí)輔助駕駛功能，都需要車載攝像頭的輔助來實(shí)現(xiàn)。

車載攝像頭的主要硬件包括光學(xué)鏡頭、圖像傳感器、圖像信號(hào)處理器ISP、串行器、連接器等，光學(xué)鏡頭中包含光學(xué)鏡片、濾光片和保護(hù)膜等。光學(xué)鏡片負(fù)責(zé)聚焦光線，將視野中的物體投射到成像介質(zhì)表面，根據(jù)成像效果的要求不同，可能要求多層光學(xué)鏡片，濾光片可以將人眼看不到的光波段進(jìn)行濾除，只留下人眼視野范圍內(nèi)的實(shí)際景物的可見光波段。圖像傳感器可以利用光電器件的光電轉(zhuǎn)換功能將感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例關(guān)系的電信號(hào)，主要分為CCD和CMOS兩種。ISP圖像處理器主要使用硬件結(jié)構(gòu)完成圖像傳感器輸入的圖像視頻源RAW格式數(shù)據(jù)的前處理，可轉(zhuǎn)換為YCbCr等格式，還可以完成圖像縮放、自動(dòng)曝光、自動(dòng)白平衡、自動(dòng)聚焦等多種工作。串行器將處理后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，可用于傳輸RGB、YUV等多種圖像數(shù)據(jù)種類。連接器主要用于連接固定攝像頭。

車載攝像頭在制造工藝及可靠性要求方面也高于工業(yè)攝像頭和商用攝像頭，汽車的工作環(huán)境多變，有時(shí)還會(huì)在惡劣環(huán)境中工作，為了應(yīng)對(duì)高、低溫環(huán)境；強(qiáng)振動(dòng)；高濕熱等復(fù)雜工況下穩(wěn)定工作，車載攝像頭根據(jù)安裝位置不同可分為前視攝像頭、環(huán)視攝像頭、后視攝像頭、側(cè)式攝像頭及內(nèi)視攝像頭5類。

前視攝像頭使用頻率最高，單一攝像頭可實(shí)現(xiàn)多重功能，通過算法開發(fā)優(yōu)化，單一前視攝像頭可以實(shí)現(xiàn)行車記錄、車道偏離預(yù)警、向前碰撞預(yù)警、行人識(shí)別、交通標(biāo)識(shí)識(shí)別等多重功能。前視攝像頭主要安裝在前擋風(fēng)玻璃上，用于實(shí)現(xiàn)車輛行駛過程中視覺感知及識(shí)別功能，更具功能不同，前視攝像頭可以分為前視主攝像頭、前視窄角攝像頭和前視廣角攝像頭（圖1），前視主攝像頭在L2級(jí)別的高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)中作為主攝像頭使用，前視廣角攝像頭的作用主要是用來識(shí)別距離較近的物體，用于城市道路工況、低速行駛等場(chǎng)景，前視窄角攝像頭主要作用是進(jìn)行紅綠燈、行人等目標(biāo)的識(shí)別。前視攝像頭的類型主要包括單目和雙目，其中雙目前視攝像頭擁有更好的測(cè)距功能，但需要裝在兩個(gè)位置。

圖1  特斯拉前視攝像頭模組

環(huán)視攝像頭主要是廣角鏡頭，安裝在車輛四周，用來進(jìn)行圖像拼接實(shí)現(xiàn)全景圖，加入算法即可實(shí)現(xiàn)道路感知，環(huán)視攝像頭可以分為前向魚眼攝像頭、左側(cè)魚眼攝像頭、右側(cè)魚眼攝像頭、后向魚眼攝像頭。后視攝像頭主要是廣角或魚眼鏡頭，主要用來輔助泊車功能。由于后視鏡的范圍有限，會(huì)導(dǎo)致車輛在行駛時(shí)給駕駛員造成視野盲區(qū)，因?yàn)槊^(qū)的存在，給行車安全造成了巨大的隱患，側(cè)視攝像頭將成為替代后視鏡最好的設(shè)備，加裝側(cè)式攝像頭后，可以覆蓋盲區(qū)，當(dāng)有物體進(jìn)入盲區(qū)后會(huì)給駕駛員進(jìn)行提醒，實(shí)現(xiàn)了盲區(qū)檢測(cè)功能。內(nèi)視攝像頭就是在車內(nèi)加裝攝像頭，用來監(jiān)控駕駛員行駛狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)駕駛員行駛時(shí)出現(xiàn)疲勞表情或出現(xiàn)不利于安全駕駛的行為，可以及時(shí)掌握信息并進(jìn)行提醒。特斯拉作為純視覺自動(dòng)駕駛的狂熱分子，就在車身搭載了8個(gè)車載攝像頭，搭配Autopilot系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛功能，由于車載攝像頭無法探測(cè)深度，因此僅使用純視覺自動(dòng)駕駛方案的特斯拉，在出現(xiàn)鬼探頭的路況時(shí)，很難及時(shí)做出反應(yīng)。

毫米波雷達(dá)

毫米波雷達(dá)是指波長(zhǎng)在1 mm至10 mm之間的電磁波，毫米波的波長(zhǎng)介于厘米波和光波之間，因此毫米波兼有微博制導(dǎo)和光電制導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)，毫米波雷達(dá)相對(duì)于厘米波雷達(dá)，具有體積小，易集成和空間分辨率高的特點(diǎn)，毫米波雷達(dá)可以全天候工作，在極端天氣及夜晚也可以發(fā)揮作用，毫米波雷達(dá)測(cè)距也比較遠(yuǎn)，但是分辨率低、難以成像且無法識(shí)別圖像。

毫米波雷達(dá)相對(duì)技術(shù)比較成熟，在高級(jí)輔助駕駛功能上使用比較普及，是感知環(huán)節(jié)中重要的一環(huán)，但是分辨率較低，不能作為激光雷達(dá)的替代品，目前汽車毫米波雷達(dá)的分辨率分為24 GHz、77 GHz和79 GHz三種頻段，24 GHz又稱為短波雷達(dá)，感測(cè)距離從0.1５公尺至約30公尺左右，主要用來作為停車輔助；77 GHz感測(cè)距離從1公尺至約100公尺左右，主要用來盲點(diǎn)檢測(cè)；79 GHz感測(cè)范圍可以達(dá)到250公尺，主要運(yùn)用在主動(dòng)巡航系統(tǒng)和汽車前向碰撞報(bào)警系統(tǒng)，可以讓車主有足夠時(shí)間來剎車或者閃避。

4D高精成像毫米波雷達(dá)的提出增加了雷達(dá)對(duì)目標(biāo)俯仰高度數(shù)據(jù)的探測(cè)和解析，可以實(shí)現(xiàn)俯仰角、時(shí)間、距離、方位角的信息感知，4D高精成像毫米波增加時(shí)間維度信息后可以有效地解析目標(biāo)的行為、大小輪廓及類別等數(shù)據(jù)。4D高精成像毫米波雷達(dá)通過增加虛擬通道，大幅提升分辨率以及目標(biāo)檢測(cè)的置信度和檢測(cè)范圍（如距離和FOV），同時(shí)進(jìn)化出激光雷達(dá)一樣的高密度點(diǎn)云，可帶來豐富的感知增強(qiáng)應(yīng)用。

在識(shí)別較小的物體，對(duì)遮擋物體、靜止物體和橫向移動(dòng)障礙物的檢測(cè)，以及應(yīng)用更多的復(fù)雜路況時(shí)，4D高精成像毫米波雷達(dá)對(duì)視覺和激光雷達(dá)提供不能獲取的更有價(jià)值的路況信息，從而提高系統(tǒng)融合后的安全性。

4D高精成像毫米波雷達(dá)在現(xiàn)有雷達(dá)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過四個(gè)維度感知環(huán)境，提供比傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)更豐富的數(shù)據(jù)；4D高精成像毫米波雷達(dá)進(jìn)入大規(guī)模量產(chǎn)后，成本僅是激光雷達(dá)的1/10。因此4D高精成像雷達(dá)會(huì)成為自動(dòng)駕駛核心傳感器，代替低端激光雷達(dá)，并會(huì)在未來的自動(dòng)駕駛方案中占據(jù)主導(dǎo)地位，實(shí)現(xiàn)低成本，高性能可大規(guī)模的量產(chǎn)自動(dòng)駕駛方案。

激光雷達(dá)

激光雷達(dá)，也稱為光學(xué)雷達(dá)，是激光探測(cè)與測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，它通過測(cè)定傳感器發(fā)射器與目標(biāo)物體之間的傳播距離，分析目標(biāo)物體表面的反射能量大小、反射波譜的幅度、頻率和相位信息等，從而呈現(xiàn)出目標(biāo)物精確的三維結(jié)構(gòu)信息。激光雷達(dá)住喲啊應(yīng)用于測(cè)距、定位及地表物體的三維繪制，目前在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域和無人飛行領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用（圖2）。

圖2  激光雷達(dá)測(cè)繪圖

激光雷達(dá)作為軍轉(zhuǎn)民的高進(jìn)度雷達(dá)技術(shù)，具有優(yōu)良的性能，可以獲得極高的角度、距離和速度分辨率，通常激光雷達(dá)的角分辨率不低于0.1mard也就是說可以分辨3km距離上相距0.3m的兩個(gè)目標(biāo)，并可同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo)；距離分辨率可達(dá)0.1m；速度分辨率能達(dá)到10m/s以內(nèi)。如此高的距離、速度分辨率意味著激光雷達(dá)可以利用多普勒成像技術(shù)獲得非常清晰的圖像。激光雷達(dá)是直線傳播，方向性好，光束非常窄，彌散性非常低，因此激光雷達(dá)具有較高的精度，與微波、毫米波雷達(dá)不同的是，自然界中可以對(duì)激光雷達(dá)產(chǎn)生干擾的信號(hào)源并不多，因此激光雷達(dá)的抗干擾能力特別強(qiáng)。大多數(shù)的激光雷達(dá)系統(tǒng)是由激光器、光學(xué)掃描器、光電檢測(cè)器、導(dǎo)航系統(tǒng)4個(gè)部分構(gòu)成。

根據(jù)作用不同，激光雷達(dá)可以分為一維激光雷達(dá)、二維激光雷達(dá)、三維激光雷達(dá)等，一維激光雷達(dá)主要用于測(cè)距測(cè)速、二維激光雷達(dá)主要用于輪廓測(cè)量、物體識(shí)別、區(qū)域監(jiān)控等，三維激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)空間的三維建模，在自動(dòng)駕駛汽車車頂安裝的激光雷達(dá)是三維激光雷達(dá)，通過高速的旋轉(zhuǎn)，可以獲得車輛周圍空間的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而繪制出車輛周圍的三維空間地圖，且激光雷達(dá)還可以測(cè)出周圍車輛、行人的距離、速度、加速度、角速度等信息，再結(jié)合GPS地圖計(jì)算出周圍車輛、行人的位置信息，以供自動(dòng)駕駛汽車做出駕駛判斷。

超聲波雷達(dá)

超聲波雷達(dá)是利用超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波，再由接收探頭接收經(jīng)障礙物反射回來的超聲波，根據(jù)超聲波反射接收的時(shí)間差計(jì)算與障礙物之間的距離。超聲波傳感器成本較低，探測(cè)距離近且精度較高，不受光線條件的影響，在防水、防塵、即使有少量泥沙遮擋的環(huán)境下都不受影響，因此多用在泊車系統(tǒng)中。

但超聲波雷達(dá)在速度較高的情況下測(cè)量距離具有一定的局限性，因?yàn)槌暡ɡ走_(dá)受天氣影響較大，在不同的天氣情況下，超聲波的傳輸速度不同，當(dāng)傳輸速度較慢且車速較高時(shí)，超聲波的測(cè)距無法跟上汽車速度的變化，就會(huì)造成較大的誤差。由于超聲波散射角度大，因此方向性較差，在測(cè)量較遠(yuǎn)距離時(shí)，回波信號(hào)會(huì)大幅減弱，影響測(cè)量的精度。

超聲波發(fā)生器常用的工作頻率有40 kHz、48 kHz和58 kHz三種，一般來說，頻率越高，靈敏度就會(huì)越高，但是水平與垂直方向的探測(cè)角度就會(huì)越小，一般采用40 kHz的工作頻率，常見的超聲波雷達(dá)有兩種。第一種是安裝在汽車前后保險(xiǎn)杠上的，也就是用于測(cè)量汽車前后障礙物的倒車?yán)走_(dá)，這種雷達(dá)業(yè)內(nèi)稱為UPA；第二種是安裝在汽車側(cè)面的，用于測(cè)量側(cè)方障礙物距離的超聲波雷達(dá)，業(yè)內(nèi)稱為APA。目前大多數(shù)汽車使用的是倒車?yán)走_(dá)UPA，隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的不斷提升，基于超聲波雷達(dá)的自動(dòng)泊車功能逐漸進(jìn)入大眾視野，APA市場(chǎng)會(huì)逐漸打開。

自動(dòng)駕駛的商用化離不開傳感器的應(yīng)用，作為汽車的“眼睛”，道路數(shù)據(jù)的搜集和探測(cè)是十分重要的，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，成本的不斷降低，在中、低型汽車上也將搭配更多的高級(jí)輔助駕駛功能，屆時(shí)傳感器的使用也會(huì)更為普及。