智能網聯汽車基礎(七)
——ADAS激光雷達和視覺系統(上)

◆文/江蘇 周曉飛

(接上期)

一、激光雷達

1.激光雷達相關定義

China SAE標準《智能網聯汽車激光雷達點云數據標注要求及方法》對激光雷達、場景、點云等給出一系列的定義和規范。

激光雷達(l g h t d e t e c t i o n a n d ranging)：發射激光束并接收回波以獲取目標三維信息的系統。

2.激光雷達特點

車載激光雷達是目前車載環境感知精度最高的感知方式，探測距離可達300m，精度可控制在厘米級。

激光雷達以激光作為載波，激光是光波波段電磁輻射。具有以下優點：

①全天候工作，不受白天和黑夜的光照條件的限制。

②激光束發散角小，能量集中，有更好的分辨率和靈敏度。

③可以獲得幅度、頻率和相位等信息，可以探測從低速到高速的目標。

④抗干擾能力強，隱蔽性好。激光不受無線電波干擾。

3.激光雷達類型

車載激光雷達根據其掃描方式的不同，可分為機械激光雷達和固態激光雷達。機械激光雷達外表上最大的特點就是總成有機械旋轉機構(圖1)。

固態激光雷達由于無需旋轉的機械機構，依靠電子部件來控制激光發射角度，其結構相對簡單、體積較小，可安裝于車體內。長遠來看微機電系統激光雷達(MEMS)、快閃激光雷達(Flash)等固態激光雷達有望成為重點。

4.激光雷達結構原理

激光雷達主要包括激光發射、掃描系統、激光接收和信息處理四大系統，這四個系統相輔相成，形成傳感閉環。一般由光學發射部件、光電接收部件、運動部件和信號處理模塊等部件組成。

激光雷達工作原理是向指定區域發射探測信號(激光束)，經過目標物反射后，收集反射回來的信號，與發射信號進行處理比較，即可獲得待測區域環境和目標物體的有關空間信息，如目標距離、方位角、尺寸、移動速度等參數，從而實現對特定區域的環境和目標進行探測、跟蹤和識別。

5.微機電系統激光雷達(MEMS)

法雷奧SCALA激光雷達是一款已經應用到量產車上的車規級激光雷達(圖2)，擁有145°的水平視場角(FOV)，可以探測到150m以內的動態或靜態障礙物，垂直視場角為3.2°(圖3)。已經搭載在奧迪款A8、A6等車型上(圖4)。

法雷奧SCALA激光掃描儀主要包含三個部分，激光單元、旋轉掃描鏡和主板。光束操作單元是旋轉掃描鏡，光源是高功率激光二極管，探測器是具有三個敏感單元的光電二極管(APD)陣列，并裝配在帶有玻璃窗口的低成本印刷電路板主板(PCB)上。

MEMS激光雷達的一大優勢是沒有了傳統機械雷達的旋轉部件，通過在硅基芯片上集成的MEMS微振鏡來代替傳統的機械式旋轉裝置，由微振鏡反射激光形成較廣的掃描角度和較大的掃描范圍。

6.雙激光雷達

例如小鵬P5汽車搭載的雙激光雷達，也就是采用雙棱鏡的掃描方案，可以提升識別縱向和橫向位置精度，提升障礙物識別率。單顆激光雷達的橫向FOV為120°，雙雷達組合可以覆蓋到前方橫向150°的視野，最遠可以主動探測到150m外的黑色低反射率目標(10%反射率目標物)。

二、視覺采集系統

1.視覺傳感器相關術語

智能網聯汽車的視覺可以說是車對內外界的感覺，這種感覺需要視覺傳感器來獲取，視覺傳感器就是俗稱的攝像頭。

車載攝像頭指安裝在汽車上，用于監控汽車內外環境情況以輔助汽車駕駛員行駛的攝像設備。

全景影像監測系統(around view monitoring system；AVMS)向駕駛員提供車輛周圍360°范圍內環境的實時影像信息的系統。

在GB/T《智能網聯汽車 術語和定義》中，這樣定義感知：

感知(perception)駕駛自動化系統獲取車輛周圍駕駛環境信息的技術。這里周圍駕駛環境包括可通行區域、道路標志、道路標線、交通參與者、障礙物等。

在GB/T36415-2018《汽車行業信息化 實施規范》中，也定義了“感知層”，對感知層的圖形傳感器的智能識別做出說明。

2. 攝像頭的類型和特點

單目攝像頭搭配毫米波雷達與超聲波雷達，完全可以滿足L1、L2，以及部分L3場景下的功能。除了較為多見的單目與雙目攝像頭方案，多目(三個及以上)攝像頭也在應用，如蔚來和特斯拉。攝像頭特點如表1所示。

3. 攝像頭安裝位置

車載攝像頭是主流感知系統必備的傳感器，根據其在自動駕駛汽車上的安裝位置，車載攝像頭可以分為前視(圖5)、后視(圖6)、側視(圖7)等車內監控(圖8)多種類型(表2)。

全景影像系統(圖9)是通過前后左右至少四顆攝像頭采集車身周圍圖像，合成一幅360°俯視圖，并通過顯示屏顯示出來的泊車輔助系統。

以長安某款車例舉全景影像，圖10全景界面主要包括3個區域：界面操作區域①②③④、環視圖區域⑤⑥⑦⑧、單視圖區域⑨⑩??。

當然，就舉例的圖7而言，攝像頭較少，全景影像可能使物體在屏暮上的輪廓變形,因此不能完全依靠影像估算本車與障礙物，車輛、行人等的距離,行車必須根據實際情況進行判斷,確保安全。

全景系統分辦率限制，某些物體不能顯示或不能清楚的顯示,例如細隔離柱、格柵和樹木等全景影像前后視圖仍存在少量視野盲區。要始終注意觀察汽車周圍。

全景影像只能在屏幕上顯示二維圖像,由于缺少空間深度,很難或根本不能通過全景影像識別路面上的突出物或凹坑。

分辨率代表著圖像是否能夠清晰地呈現，在一定程度上決定著圖像的品質。分辨率的高低取決于攝像頭中圖像傳感器芯片上像素多少，其像素越多，則攝像頭的分辨率就會越高。分辨率的大小決定著所拍攝圖像的清晰度，攝像頭分辨率越高，成像后對細節的展示就越明顯。

三、多傳感器融合

傳感器是智能網聯汽車關鍵部件，各種傳感器都有不同的特征和優缺點，將很多傳感器的信息進行融合(包括定位信息、雷達、攝像頭等)會達到更精準可靠探測周圍環境的效果。現在毫米波雷達和計算機視覺攝像頭等的融合應用已非常可靠。

智能網聯汽車ADAS感知系統所采用的傳感器包括超聲波雷達、毫米波雷達、激光雷達以及各種形式的攝像頭，或是由這些感知傳感器進行不同組合形成的多融合的感知系統。攝像頭+毫米波雷達+激光雷達的配置已經成為智能駕駛的標準組合。例如：

1.理想0NE搭載800萬像素輔助駕駛前攝像頭、前向毫米波雷達、4個角毫米波雷達、12個超聲波雷達、4個環視視攝像頭；

2.蔚來ES8搭載了1個三目前向攝像頭、4個環視攝像頭、5個毫米波雷達、12個超聲波傳感器；

3.威馬W6(ACE極智版、X特別版)在售車輛搭載了共24個視覺傳感器，包括4個高清環視攝像頭、2個高清前視攝像頭、5個亳米波雷達12個超聲波雷達、1個駕駛行為檢測攝像頭；測量單元)等多種感知硬件對環境進行視覺+雷達360°雙重感知(圖12)。

上述例舉這些車載傳感器的融合使用更大程度上可360°(有些甚至540°AR底盤透視)感知路面信息。這些都是多傳感器融合的工作模式，每個傳感器提供互不相同的環境信息特征 ,此時配置多個傳感器目的是增強系統環境感知能力。

四、智能視覺系統

4.極氪汽車的視覺融合感知系統搭載了含7個800萬像素長距高清攝像頭、1個250m超長感知毫米波雷達、12個短距超聲波雷達、4個短距環視高清攝像頭、2個車內監測攝像頭、1個車外監測攝像頭、1個后流媒體攝像頭；

5.智幾(iML7)汽車搭載了12個高精度攝像頭、5個毫米波雷達、12個超聲波傳感器，并兼容激光雷達軟硬件架構升級方案(圖11)；

6.極狐(阿爾法S華為Hi)搭載了3個激光雷達、6個毫米波雷達12個超聲波雷達9個ADS攝像頭4個環視攝像頭；

7.小鵬P7(智尊版、鵬翼版)搭載了5個高精毫米波雷達、12個超聲波傳感器、4個環視攝像頭、10個高感知攝像頭；

8.小鵬P5(550P、600P版)融合了2個激光雷達、12個超聲波傳感器、5個毫米波雷達、13個高感知攝像頭、1套亞米級高精定位單元(GNSS導航系統+IMU慣性

智能視覺系統是直觀上講是一種視野上的視覺感受，對駕駛安全和智能化技術也提升到了一個新的高度，這就是平視顯示系統。

平視顯示系統(HUD)其英文縮寫直譯過來就是抬頭顯示器，也就是不用低頭看儀表顯示，平視前方即可讀取車輛信息的一種顯示系統，通常也稱為抬頭系統。系統用于將重要的車輛參數直接投影顯示在駕駛員的視線范圍之內,使駕駛員總是能在基本的視野中獲得與駕駛相關的各種信息(圖13)。

HUD的運作以一個通過攝像頭拍攝車輛前方環境的圖像處理系統為基礎。系統會通過一個圖像處理軟件隨即對拍攝下的照片進行限速交通標志分析。

HUD的作用是將對行車相對重要的信息以全系投影的形式在前擋風或專屬透明顯示區中體現，駕駛者可以不必低頭尋找儀表臺上的訊息，需要的數據在不移動頭部跟視線的狀況下就可以完全被讀取。這樣的使用方式確實給駕駛者帶來了便利，更重要的是它將駕駛安全性提升到新的高度，擁有很強的實用性。駕駛員不必低頭(因為低頭可能存在著很高的危險性，車速在120km/h的情況下，每低一次頭看儀表就相當于盲開了50m左右。就可以看到信息，從而避免分散對前方道路的注意力，很大程度上也可避免眼睛的疲勞。

平視顯示系統的顯示使駕駛員能夠快速、精準地獲得重要的車輛信息。在裝配平視顯示系統的車輛上使用專門的擋風玻璃(由于技術的迭代，以后普通的擋風玻璃即可實現)可以讓人產生這樣的感覺：平視顯示系統所顯示的內容并不是出現在擋風玻璃上,而是出現在離駕駛員2~2.5m的舒適距離上(圖14)。

例如，華為AR HUD提供13°×5°的大視角，這是一個70inch的大顯示區域，可以覆蓋前方7.5m的范圍(圖15)。為了讓駕駛員的視線不受干擾，不會產生任何導致分心的情況發生。新的AR HUD將能夠提供基于導航的信息，如路線距離，關于即將到來的道路上的車道數量，以及其他關鍵信息，如天氣狀況。此外，系統也可能是在大雨、光線不足的情況下提供夜視或輔助視覺功能，乘駕的安全性有更新的提高。

AR HUD還將具有高達100PPD的FHD顯示屏，并且不會受到低亮度、低對比度或困擾傳統HUD技術的圖像失真等問題的阻礙。也就是個多媒體工具，提供視頻、電影等功能，以及其他個性化的應用包括能夠提供三維地圖系統，實時提供停車場、餐館、商店、加油站等信息。