智能汽車環(huán)境感知傳感器研究進(jìn)展

呂翱

福建船政交通職業(yè)學(xué)院 福建省福州市 350007

1 引言

智能汽車（Intelligent Vehicles，IV）通過車載傳感系統(tǒng)具備主動(dòng)環(huán)境感知能力，利用車載信息終端實(shí)現(xiàn)與人、車、路等信息的交換，是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分[1]。自主式智能汽車的初級(jí)階段是具有先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(Advanced Driver Assistance Systems，ADAS)的汽車，具備自主決策能力自動(dòng)分析車輛行駛的安全及危險(xiǎn)狀態(tài)，能夠執(zhí)行車輛制動(dòng)、驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向干預(yù)，并利用聲音、影像、燈光、觸覺報(bào)警等方式提醒駕駛員[2]。

自主式智能汽車ADAS 系統(tǒng)是車輛從被動(dòng)安全技術(shù)向主動(dòng)安全技術(shù)的重要變革，其核心是環(huán)境感知系統(tǒng)，主要由感知層、決策層和執(zhí)行層組成，本文重點(diǎn)介紹ADAS 系統(tǒng)感知層中攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等各類傳感器的技術(shù)特征及發(fā)展趨勢(shì)。

2 智能汽車環(huán)境感知傳感器

2.1 視覺傳感器

視覺傳感器是利用攝像頭獲取到的圖像進(jìn)行圖像處理，捕捉對(duì)象物如面積、重心、尺寸、方位等關(guān)鍵特征量，并能夠輸出數(shù)據(jù)便于決策單元做分析的傳感器，是實(shí)現(xiàn)眾多預(yù)警、識(shí)別類ADAS 功能的基礎(chǔ)，同時(shí)也是自動(dòng)駕駛必備的傳感器之一[3]。

按照車載視覺傳感器原理和布置方式的不同，主要分為：單目攝像頭、多目攝像頭、環(huán)視攝像頭、紅外夜視攝像頭等，其技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比表如表1 所示。

表1 各類視覺傳感器技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

視覺傳感器特點(diǎn)主要有：

1、視覺圖像信息豐富，可識(shí)別交通標(biāo)示、地面標(biāo)志物、車道線、交通信號(hào)燈等；

2、視覺攝像頭可實(shí)現(xiàn)道路特征與高精度地圖匹配后的輔助定位，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)；

3、與機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等人工智能相融合，可獲取更高檢測(cè)效果。

4、受天氣影響大，算法及算力要求較高。

2.2 毫米波雷達(dá)

車載毫米波雷達(dá)主要由發(fā)射模塊、接收模塊、信號(hào)處理模塊及天線等組成，其工作原理如圖1 所示[5]。雷達(dá)天線向外發(fā)射毫米波信號(hào)，通過接收目標(biāo)的反射信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理模塊獲取車輛周邊的環(huán)境信息，主要包括與探測(cè)物體間的相對(duì)距離、速度、角度及運(yùn)動(dòng)方向等；依據(jù)此信息進(jìn)行目標(biāo)跟蹤和識(shí)別，結(jié)合車身信息狀態(tài)，經(jīng)車輛ECU 處理及決策后，以聲音、圖像和振動(dòng)等形式提醒駕駛員，或及時(shí)做出制動(dòng)、驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向干預(yù)。

圖1 車載毫米波雷達(dá)工作原理

毫米波雷達(dá)按照工作原理可分為脈沖式毫米波雷達(dá)與調(diào)頻式連續(xù)毫米波雷達(dá)，脈沖式毫米波雷達(dá)通過發(fā)射、接受電磁脈沖信號(hào)間的時(shí)間差計(jì)算目標(biāo)位置信息，但由于需要在微秒級(jí)別內(nèi)發(fā)射大功率脈沖信號(hào)，且需要對(duì)收、發(fā)設(shè)備進(jìn)行隔離技術(shù)處理，導(dǎo)致這類型毫米波雷達(dá)在硬件設(shè)計(jì)上較為復(fù)雜，產(chǎn)品成本高；同時(shí)在高速情況下回波信號(hào)易到周圍環(huán)境影響，接收系統(tǒng)靈敏度有限，故在智能車用領(lǐng)域較少采用。調(diào)頻式連續(xù)毫米波雷達(dá)是目前車載毫米波的主流方案，主要利用多普勒效應(yīng)(Dopler Effect)測(cè)量目標(biāo)狀態(tài)信息，通過分析一個(gè)或多個(gè)發(fā)射信號(hào)頻率與反射信號(hào)頻率的變化，計(jì)算出目標(biāo)與雷達(dá)的相對(duì)位置信息，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多目標(biāo)識(shí)別，技術(shù)相對(duì)成熟。

毫米波雷達(dá)按照探測(cè)距離可分為短程毫米波雷達(dá)（SRR）、中程毫米波雷達(dá)（MRR）和遠(yuǎn)程毫米波雷達(dá)（LRR）三類，具體參數(shù)對(duì)比如表2 所示。目前MRR/LRR 相比LRR 具有體積小、單芯片集成度高、性能好以及研發(fā)、物料成本低的優(yōu)點(diǎn)，MRR/LRR將成為行業(yè)未來發(fā)展主要方向。

表2 不同探測(cè)距離毫米波雷達(dá)技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

毫米波雷達(dá)特點(diǎn)主要有：

1、視野覆蓋范圍廣，探測(cè)距離遠(yuǎn)，最大探測(cè)距離可達(dá)250m；

2、探測(cè)性能好，成像能力強(qiáng)，不受物體顏色與環(huán)境溫度影響，可在極端環(huán)境下全天候正常工作；

3、靈敏度高、響應(yīng)速度快、方向性好、低空跟蹤精度較高；

4、體積小、質(zhì)量輕、技術(shù)成熟、工藝相對(duì)簡單，性價(jià)比高；

5、抗干擾能力強(qiáng)，受地面雜波及噪聲影響小；

6、覆蓋區(qū)域呈扇形，存在盲區(qū)；無法識(shí)別交通標(biāo)志及信號(hào)燈。

2.3 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)（Light Detection and Ranging，LiDAR）是一種以利用激光器為發(fā)射光源，利用光電探測(cè)方式的光學(xué)遙感傳感器，通過向目標(biāo)物體發(fā)射探測(cè)激光信號(hào)，比較接收、發(fā)射信號(hào)差異，輸出點(diǎn)云，呈現(xiàn)目標(biāo)物精確的三維結(jié)構(gòu)信息，從而獲取距離、方位和高度等位置信息及速度、姿態(tài)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的傳感器，從而對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)、跟蹤和識(shí)別，能幫助汽車實(shí)現(xiàn)周圍環(huán)境的精準(zhǔn)3D 重建，被稱為最有效的智能汽車環(huán)境感知方案之一[6]。

不同類型的激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)略有差異，但都主要由激光發(fā)射系統(tǒng)、激光接收系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)四大部分組成。激光發(fā)射系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電路周期性的驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)射激光脈沖，通過激光調(diào)制器的光束控制器調(diào)整發(fā)射激光的方向及線數(shù)，再由發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射激光；經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)，光電探測(cè)器接收目標(biāo)物體反射的激光信號(hào)，并將信息傳遞至信息處理系統(tǒng)；信息處理系統(tǒng)經(jīng)過放大處理及數(shù)模轉(zhuǎn)換，由控制單元計(jì)算分析獲取目標(biāo)表面形態(tài)、物理屬性等特征，建立物體模型；掃描系統(tǒng)則是能夠改變激光束的空間投射方向，能夠以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)對(duì)所在平面進(jìn)行掃描，并產(chǎn)生實(shí)時(shí)平面圖信息，實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)的3D 建模及雷達(dá)定位，具體組成原理如圖2 所示。

圖2 激光雷達(dá)工作原理

按照掃描系統(tǒng)原理差異，激光雷達(dá)主要分為機(jī)械激光雷達(dá)、混合固態(tài)激光雷達(dá)、固態(tài)激光雷達(dá)三種類型。機(jī)械式激光雷達(dá)是帶有控制激光發(fā)射角度的旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行全面掃描；混合固態(tài)激光雷達(dá)無需機(jī)械旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，而是采用內(nèi)部玻璃片旋轉(zhuǎn)的方式改變光束角度，主要有微機(jī)電系統(tǒng)MEMS、轉(zhuǎn)鏡式、棱鏡式三種類型；固態(tài)激光雷達(dá)也無需機(jī)械旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，而是依靠電控方式改變激光發(fā)射方向，主要有Flash 和光學(xué)相控陣OPA 兩種類型。不同掃描系統(tǒng)原理的激光雷達(dá)技術(shù)特點(diǎn)如表3 所示。

表3 不同掃描系統(tǒng)原理的激光雷達(dá)技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

按照發(fā)射光波長的差異，目前主流的三維成像激光雷達(dá)發(fā)射光主要有905nm 和1550nm 兩種波長。其中905nm 激光接收器使用價(jià)格較低的硅材質(zhì)，以半導(dǎo)體激光器為光源器件，成本較低、尺寸相對(duì)較小，是目前最主流的激光雷達(dá)類型，但為避免對(duì)人眼造成傷害，其發(fā)射功率和探測(cè)距離會(huì)受到限制；1550nm 波長激光則不會(huì)對(duì)人體視網(wǎng)膜產(chǎn)生傷害，發(fā)射功率較高、探測(cè)距離遠(yuǎn)、穿透能力強(qiáng)、受日光干擾小，但需要以光纖激光器為光源器件，探測(cè)器材料成本較高。

激光雷達(dá)主要有以下特點(diǎn)：

1）分辨率高。激光雷達(dá)距離分辨率可達(dá)±5cm 以下；速度分辨率達(dá)10m/s 以內(nèi)，可同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo)；

2）探測(cè)范圍廣。探測(cè)距離可達(dá)300m 以上、水平視場(chǎng)角可達(dá)360°、垂直視場(chǎng)角可達(dá)40°；

3）信息量豐富。激光雷達(dá)不僅可以探測(cè)周邊車輛信息，還能有效識(shí)別路面凹凸、拋灑物、大型靜止障礙物等目標(biāo)物。

4）可全天候工作。無需外接光照條件即可正常工作。

5）隱蔽性好，抗干擾能力強(qiáng)。激光雷達(dá)發(fā)射口徑小，接收區(qū)域窄，干擾源少。

6）多線激光雷達(dá)成本較高，易受大雨、濃煙、濃霧等天氣影響，同頻段激光雷達(dá)易相互干擾。

3 環(huán)境感知傳感器性能對(duì)比

智能汽車高級(jí)別的自動(dòng)駕駛需要環(huán)境感知系統(tǒng)多種傳感器的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，不同類型傳感器性能對(duì)比如表4 所示[7]。

表4 各類型傳感器技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

不同類型的環(huán)境感知傳感器有各自的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用局限性，目前發(fā)展趨勢(shì)是通過多傳感器信息融合以彌補(bǔ)單一傳感器的不足。多傳感器融合可更加準(zhǔn)確、全面識(shí)別外界環(huán)境，顯著提高智能駕駛系統(tǒng)的安全性和可靠性，是高級(jí)別無人駕駛的必然選擇。多傳感器融合在硬件層面上要求傳感器數(shù)量要足夠，保證功能互補(bǔ)、信息全面、可信度高、識(shí)別能力強(qiáng)；軟件層面上要求算法數(shù)據(jù)運(yùn)算速度快、并行處理能力強(qiáng)、兼容協(xié)調(diào)性好、容錯(cuò)率高，保證決策的時(shí)效性和準(zhǔn)確度。

4 結(jié)語

本文對(duì)智能汽車環(huán)境感知系統(tǒng)中的視覺傳感器、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等傳感器進(jìn)行了較為全面的介紹，并對(duì)比了各類傳感器的技術(shù)特點(diǎn)。相較其他類型傳感器，激光雷達(dá)所見即所得，能夠?qū)崿F(xiàn)三維實(shí)時(shí)感知，避開對(duì)算法和數(shù)據(jù)的高度依賴，在探測(cè)精度、可靠性和抗干擾能力等方面具備特色優(yōu)勢(shì)，而1550nm 波長、FMCW 測(cè)距方式的固態(tài)激光雷達(dá)方案已是目前發(fā)展趨勢(shì)。目前“毫米波雷達(dá)+攝像頭”方案是短期內(nèi)最有可能的技術(shù)組合，但長遠(yuǎn)來看，隨著成本的下降，“固態(tài)激光雷達(dá)+攝像頭”具備更大潛力，或?qū)⒊蔀橹髁鳌?/p>