高級輔助駕駛系統與車聯網（上）

◆文/山東 劉春暉

一、ADAS簡介

ADAS（Advanced Driver Assistance Systems）是高級輔助駕駛系統的縮寫，有文獻認為是智能汽車的縮寫。所謂高級輔助駕駛系統，就是幫助人們更好地操控車輛的輔助裝置，一般提供更安全的駕駛條件或更舒適的用戶體驗。利用安裝于車上各式各樣的傳感器及攝像頭，在第一時間收集車內外的環境數據，進行靜、動態物體的辨識、偵測與追蹤等技術上的處理，從而能夠讓駕駛者在最快的時間察覺可能發生的危險。

1.ADAS功能類別

目前，ADAS涉及到12門技術，主要基于三種傳感器——攝像頭、雷達、激光雷達。在這12門技術中，組合出了感知、控制、決策這自動駕駛三大模塊。目前較為常用的ADAS可以按照功能分類，如表1所示。

2.汽車不同的自動化階段

ADAS的功能還遠不止表1所示這些，還有許多功能在開發中。比如法雷奧公司目前正在研發的AP&C（Automated Parking & Charging）等。目前的ADAS不等于自動駕駛。ADAS僅僅是輔助駕駛，還需要人進行主導；而自動駕駛是人工智能主導，駕乘人員稍微關注甚至完全不用關注路況。如圖1所示為根據SAE劃分的汽車自動化階段圖。

圖1 汽車自動化階段圖

表1 ADAS功能類別及名稱

3.智能汽車和車聯網的關系

隨著汽車智能化、電子化的推進，無人駕駛已經是未來汽車發展的必然趨勢，智能汽車（ADAS）和車聯網（Vehicle-toeverything，V2X）分別實現無人駕駛的內部和外部要求，而5G技術即成為車聯網V2X中的關鍵制衡。

汽車智能化的終極目標是無人駕駛，而實現無人駕駛是一個漸進式的發展過程，在這個過程中，車內硬件智能（ADAS）和車際互聯通信（V2X）兩條腿走路，比較而言，ADAS技術只需要在車體本身做傳感器加裝和算法改進，相較于具備強外部性的V2X技術更易推進，是智能汽車的早期技術，目前國內國外在跑的中高端車型上基本加裝了部分ADAS功能，幾乎能協助車輛達成L3級別以下的自動駕駛。要實現更高級別的自動駕駛乃至無人駕駛，其制衡點更多在于車際互聯（V2X）技術，這項技術簡單化理解就是以聯網通信的模式強化感知，相當在車輛上加裝了更為靈敏的“眼睛”，實現真正的車路協同。但是V2X技術具備強外部性，要求對整體道路基建做整改，對通信協議做規范，同時對高速移動通信的質量提出更高的要求，V2X這項技術在國內極高概率是以智能互聯示范區的模式推進。

要充分發揮V2X下車路協同的優勢，傳輸信息和信號，需要非常大的流量和帶寬以及很短的延時，差之毫厘失之千里，5G技術即成為車聯網V2X中的關鍵制衡。隨著5G通信技術的發展以及我國在全球通信產業的地位提升，未來汽車智能駕駛不僅限于硬件端（ADAS），還將向通信端發力，這期間搭建通訊收發設備，覆蓋5G應用網絡的智能互聯示范區將獲得迅速發展。

智能駕駛的最終目標就是無人駕駛，而智能汽車（ADAS）和車聯網（V2X）分別是實現無人駕駛的內部和外部要求。5G商用是車際網發展的重要催化劑。

二、車聯網

1.車聯網的分類

車聯網（V2X）是通向無人駕駛高級階段的核心技術。廣義車聯網包含車內、車際和車云網。

車聯網有廣義和狹義之分，狹義車聯網單指“Telematics”（車載移動互聯網，又稱車云網）。這里定義車聯網為廣義車聯網，即車內、車際、車云三網融合。廣義的車聯網是最終實現無人駕駛的重要一環，一方面，車際網聯合產業鏈前端的ADAS實現車路協同；另一方面，車云網將數據上傳至云平臺進行清晰分析，開辟產業鏈后端廣闊的汽車后服務市場。

（1）車內網：是指通過應用CAN總線技術建立一個標準化的整車網絡。

（2）車際網（V2X）：是指基于DSRC技術和IEEE 802.11系列無線局域網協議的動態網絡。這是促進車際互聯的最核心技術。

（3）車云網（Telematics）：又稱車載移動互聯網，是指車載終端通過3G/4G/5G等通信技術與互聯網進行無線連接。

2.車聯網的應用

車內網與車云網產業化應用成熟，車際網尚處培育階段。車內網和車云網分別對應的CAN總線與OBD盒子等產品在國內均有較為成熟的應用和市場規模。而以V2X芯片為核心產品的車際網，是推動車路協同，促進車際互聯的關鍵，由于其技術壁壘最高，發展步伐最為緩慢。世界范圍內的V2X產品均處開發階段，未形成大規模生產，批量生產后可配套裝載于智能汽車和道路信號燈、加油站等基礎設施，市場前景廣闊。

如圖2所示，車際網是車聯網之魂，其核心在于V2X技術。V2X技術是通向無人駕駛高級階段的核心技術。無人駕駛依照“ADAS裝配實現車內智能→LTE-V/DSRC技術實現車際互聯→車際互聯的發展進一步推動車內智能設備的研發→車內智能對車際互聯要求的上升”的發展路徑，呈現螺旋上升趨勢。

圖2 無人駕駛螺旋式發展路徑

目前我國智能駕駛發展還是以車內智能為主，車際互聯發展較為緩慢，但隨著V2X技術的完善，車路協同檢測日漸成熟，車際互聯在未來幾年將出現較快增長。

如圖3所示，V2X技術是車內智能和車際互聯的轉換器，是智能互聯示范區最核心技術所在。V2X受益于智能互聯示范區內基礎設施建設和車內芯片裝配，產業鏈地位將大幅提升。

圖3 V2X的組成與規劃

3.車聯網的特點與實現

（1）車聯網的實現方式

V2X實現的兩種方式：V2X的實現主要有DSRC和LTE-V兩種方式。其中DSRC是美國的V2V通信標準，中國目前主導的通信技術是LTE-V。

（2）V2X技術的主要特點

V2X技術的主要特點是：①網絡拓撲不穩定；②外部環境干擾嚴重；③行車軌跡可預測；④以小數據包為主。

由此發展出了兩種研究方向，即專用短程通訊（DSRC）技術和基于蜂窩移網的（LTE-V2X）技術。①DSRC：目前廣泛應用的電子停車收費系統ETC就是基于DSRC實現的。DSRC在2014年2月被美國交通部確認為V2V標準；②）LTE-V：是基于LTE（4G）無線傳輸技術的車聯網專用通信網。

（3）車聯網市場空間

車聯網發展可以分為三大階段，當前正處于第二階段——智能網聯汽車階段。車聯網的發展從最早期的車載信息開始，車輛具備基本的聯網能力；在當前的智能網聯階段，通過V2X技術，車路開始協同；到了未來的智慧出行階段，車路協同在智能交通和高級自動駕駛中廣泛應用，不可或缺。

三、ADAS系統的結構

如圖4所示，ADAS系統有三個部分構成，分別是感知層、認知與判斷層、執行層。感知層硬件包括雷達、攝像頭等傳感器，用于探測汽車周圍的環境信息，為其他兩個功能模塊提供信息支持。認知與判斷層涉及算法、應用軟件與芯片。攝像頭、雷達等ADAS傳感器測量到的數據，還要與發動機、底盤、車身上的其他各類傳感器測量到的數據配合。不同處理器處理的信息通過總線通信，最后給執行層發出指令。執行層則對應電子剎車、電子助力轉向、電子車身穩定系統等。

圖4 高級駕駛輔助系統（ADAS）的構成

如圖5所示，ADAS的傳感器主要有超聲波雷達、毫米波雷達、激光雷達、攝像頭4類。不同傳感器的原理和功能各不相同，能在不同的場景中發揮各自的優勢，因此目前難以相互替代。

圖5 多傳感器融合，讓ADAS具備更多功能

1.超聲波雷達

超聲波雷達（圖6）是泊車系統中最常用的傳感器。超聲波雷達是通過超聲波發射裝置向外發出超聲波，到通過接收器接收到發送過來超聲波時的時間差來測算距離。目前，常用探頭的工作頻率有40kHz、48kHz和58kHz三種。一般來說，頻率越高，靈敏度越高，但水平與垂直方向的探測角度就越小，故一般采用40kHz的探頭。超聲波雷達防水、防塵，即使有少量的泥沙遮擋也不影響。圖7、圖8所示為倒車雷達原理及工作示意圖，其探測范圍在0.1～3米之間，而且精度較高，因此非常適合應用于泊車。

圖6 超聲波傳感器外形

圖7 倒車雷達示意圖

圖8 超聲波倒車雷達原理

如圖9所示，通常一套汽車倒車雷達需要安裝4個超聲波傳感器，而自動泊車系統是在倒車雷達系統的基礎上再增加4個超聲波駐車輔助（Ultrasonic ParkingAssistant）超聲波傳感器和4個自動泊車輔助（Automatic Parking Assistant）超聲波傳感器。

圖9 自動泊車原理

2.毫米波雷達

如圖10所示，毫米波雷達發射毫米波段的電磁波，利用障礙物反射波的時間差確定障礙物距離，利用反射波的頻率偏移確定相對速度。毫米波雷達穿透霧、煙、灰塵的能力強，具有全天候（大雨天除外）全天時的優點。其缺點是無法識別物體顏色；視場角較小，需要多個雷達組合使用；行人的反射波較弱，難以識別。目前市場上主流的車載毫米波雷達頻段為24GHz（用于短中距離雷達，15～30m）和77GHz（用于長距離雷達，100～200m）。但是77GHz在性能和體積上都更具優勢，77GHz的距離分辨率更高，體積比24GHz產品小了三分之一。

圖10 毫米波雷達的原理示意圖

毫米波雷達主要由天線、射頻MMIC、基帶信號處理三部分組成。現在的毫米波雷達（圖11、圖12）采用“微帶貼片天線”使得天線體積更小、重量更輕。雷達射頻前端單片微波集成電路（MMIC）用于產生和接收射頻信號。數字處理包括陣列天線的波束形成算法、信號檢測、測量算法、分類和跟蹤算法等。

圖11 毫米波雷達結構示意圖

圖12 毫米波雷達的天線陣列

3.激光雷達

如圖13所示，車載激光雷達又稱車載三維激光掃描儀，通過發射和接受返回的激光束，分析激光遇到目標后的折返時間，計算出目標與車的距離（圖14）。通過這種方法，搜集目標表面大量的密集點的三維坐標、反射率等信息，能快速復建出目標的三維模型（圖15）及各種圖件數據，建立三維點云圖，繪制出環境地圖，以達到環境感知的目的。目前市場上比較常見的有8線、16線和32線激光雷達，還有少量64線產品。激光雷達線束越多，測量精度越高，安全性也越高，但是成本也越高。

圖13 激光雷達原理

圖14 激光雷達的應用場景

圖15 激光雷達能快速復建出目標三維模型

和超身波雷達和毫米波雷達相比，激光雷達具有極高的距離分辨率、角分辨率和速度分辨率，且探測精度高、探測范圍廣；抗干擾能力強；能實時獲取的信息量比較豐富，可直接獲取目標的距離、角度、反射強度、速度等信息，從而生成目標多維度圖像。但是激光雷達卻很容易受天氣的影響，比如在雨雪、大霧等天氣條件下，其探測性能就會變的較差。

（未完待續）