自動駕駛環(huán)境感知系統(tǒng)研究

郝俊

長春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校 吉林省長春市 130013

1 引言

美國汽車工程師學(xué)會SAE將自動駕駛分為6個等級：L0無自動化、L1駕駛支持、L2部分自動化、L3有條件自動化、L4高度自動化和L5完全自動化。

《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》中指出，到2020年，汽車DA（駕駛輔助）、PA（部分自動駕駛）、CA（有條件自動駕駛）系統(tǒng)新車裝配率超過50%，網(wǎng)聯(lián)式駕駛輔助系統(tǒng)裝配率達到10%，滿足智慧交通城市建設(shè)需求。到2025年，汽車DA、PA、CA新車裝配率達80%，其中PA、CA級新車裝配率達25%，高度和完全自動駕駛汽車開始進入市場。

自動駕駛系統(tǒng)主要包含三個部分：感知、決策、控制。其中環(huán)境感知系統(tǒng)是實現(xiàn)自動駕駛的基礎(chǔ)，它的原理是利用車輛搭載的傳感器對周圍的行駛環(huán)境信息進行數(shù)據(jù)采集，然后進行數(shù)據(jù)處理。

2 自動駕駛環(huán)境感知系統(tǒng)傳感器

目前，現(xiàn)有的車載傳感器包含激光雷達、毫米波雷達、攝像頭、超聲波雷達等。傳感器負責(zé)采集自動駕駛汽車所需要的信息，比如汽車自身、行駛環(huán)境等，為自動駕駛汽車的安全行駛提供可靠的決策依據(jù)。

2.1 激光雷達

激光雷達實時感應(yīng)周邊環(huán)境信息，形成高清立體圖形。激光雷達的工作原理是，激光發(fā)射器發(fā)射脈沖調(diào)制光線，觀察反射光線與發(fā)射光線間的時間差來計算距離，通過掃描或多股光線同步測量來獲得角度信息。速度反應(yīng)快、探測距離遠、精度較高，所以它是目前已知的環(huán)境測量方案中測量精度最高的傳感器解決方案。

圖1 自動駕駛汽車環(huán)境感知技術(shù)

激光雷達可以用來探測路面場景中的其他車輛和障礙物，其他道路使用者，比如行人和非機動車，還可以探測道路。但是如果在不利的天氣下，它的靈敏度也會降低，比較容易受到天氣條件的影響。

激光雷達的價格過于昂貴，目前還難以在批量產(chǎn)品上使用。目前潛在的市場有兩種趨勢。一種是在性能上降低成本，生產(chǎn)制造的激光雷達只能完成特定任務(wù)，且探測距離有限；另一種是使用純固態(tài)電子存封工藝降低成本。

2.2 毫米波雷達

毫米波雷達是在自動駕駛中廣泛使用的傳感器，主要用于對道路車輛的檢測，檢測速度快、準(zhǔn)確，不易受到天氣影響，對車道線交通標(biāo)志等無法檢測。毫米波雷達由芯片、天線、算法共同組成，基本原理是發(fā)射一束電磁波，觀察回波與入射波的差異來計算距離、速度等。成像精度的衡量指標(biāo)為距離探測精度、角分辨率、速度差分辨率。毫米波頻率越高，帶寬越寬，成像約精細。

毫米波雷達工作在毫米波頻段，是指長度在1～10mm的電磁波，對應(yīng)的頻率范圍為30～300GHz。在毫米波雷達的頻率選擇上，主要由三種波段，24GHz，60GHz，77GHz。

毫米波雷達波長短，頻帶寬，穿透能力強，探測距離遠，可以在雨雪天氣等各種惡劣環(huán)境中穩(wěn)定工作，但是精度不高。

毫米波雷達分為長距雷達（LRR）和短距雷達（SRR），由于毫米波在大氣中衰減弱，所以可以探測感知到更遠的距離，其中長距雷達可以實現(xiàn)超過200m的感知與探測。短距雷達SRR是一種超寬頻的脈沖雷達，可以在一個24GHz的載波頻率上運行。它主要安裝在汽車車身的邊緣區(qū)域，用來探測靠近汽車的物體，也可以用來監(jiān)控汽車的后方區(qū)域。目前主要應(yīng)用在停車輔助、盲點檢測、并線輔助、防撞系統(tǒng)等。ACC系統(tǒng)中的啟停控制功能也會用到。長距雷達LRR的工作頻段通常是77GHz，探測范圍是150-200m，通常被安裝在前保險杠的中間，主要用于正面防撞。有時也被安裝在保險杠上，或者兩個長距雷達同時安裝在前保險杠上。目前主要應(yīng)用于ACC系統(tǒng)。通常來說，為了滿足不同距離范圍的探測需求，車輛上會安裝多個短距、長距毫米波雷達。

自動駕駛各傳感器性能比較

2.3 攝像頭

對于既能使用雷達也能使用攝像頭的應(yīng)用場合，攝像頭是成本較低的傳感解決方案。攝像頭的安裝位置有前視、側(cè)視、后視和內(nèi)置。主要用于前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)、車道偏離警示系統(tǒng)、交通標(biāo)志識別系統(tǒng)、停車輔助系統(tǒng)、盲點偵測系統(tǒng)。

攝像頭通常分為單目攝像頭和雙目攝像頭兩種，通常情況下單目車載攝像頭的視角為50°-60°，可視距離為100m-200m。而雙目攝像頭能夠通過模擬人類的視覺成像方式進行3D成像，比較兩個攝像頭獲得的不同圖像信號，識別物體更可靠，通過算法得出物體的距離、速度信息等。

與激光雷達相比，攝像頭能在白天使用自然光；可以識別汽車、交通燈 的顏色；在光照充足的條件下，可以識別很遠的物體，有更高的分辨率，而且成本較低。但是它也存在一些缺點，比如容易受到雨雪天氣和光照的影響，光照的變化對其識別精度的影響較大，而且目前的攝像頭技術(shù)對于靜態(tài)圖像中的遠方物體難以識別。

攝像頭由鏡頭、鏡頭模組、濾光片、CMOS／CCD、ISP、數(shù)據(jù)傳輸部分組成。光線經(jīng)過光學(xué)鏡頭和濾光片后聚焦到傳感器上，通過CMOS或CCD集成電路將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再由圖像處理器ISP轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的RAW等格式的數(shù)字圖像信號，通過數(shù)據(jù)傳輸接口傳到計算機端。

攝像頭CMOS：是攝像頭的感光元件，價值約占攝像頭成本的三分之一，是攝像頭的核心部件。

攝像頭鏡頭：舜宇光學(xué)車載的鏡頭出貨量是全球第一，全球市場占有率達30%左右。已進入BMW、奔馳、奧迪等各大車企的前裝市場。

攝像頭模組：車載攝像頭模組安全等級要求高，工藝也更加復(fù)雜，Panasonic、Sony等廠商占據(jù)較大市場份額，國內(nèi)歐菲光、舜宇光學(xué)在手機攝像頭模組封裝領(lǐng)域有明顯優(yōu)勢，目前也已全面進入攝像頭模組封裝制造中。

2.4 超聲波雷達

超聲波雷達是利用聲波的傳播來提取環(huán)境信息的。首先發(fā)出高頻聲波，并且接收物體反射來的回波，最后計算從發(fā)送信號到收到回波的時間間隔，從而確定物體的距離。超聲波雷達的成本較低，重量輕，功耗低，但是探測距離很近，適合測量0.2m-4m左右的距離。

從表中可以看出，自動駕駛車輛感知環(huán)境的傳感器繁多，不同傳感器的原理、功能各不相同，在不同的使用場景里可以發(fā)揮各自優(yōu)勢，難以互相替代。比如，激光雷達安裝在車頂，那么車輛底部是無法測量的圓形區(qū)域。未來要實現(xiàn)智能駕駛、無人駕駛，僅靠單一的傳感器是無法實現(xiàn)的。一個重要的趨勢是將不同的傳感器融合在一起，使傳感器之間可以優(yōu)勢互補，最終提升精確性。

3 多傳感器融合技術(shù)

多傳感器融合是實現(xiàn)自動駕駛環(huán)境感知的必然趨勢，它是把車輛上搭載的不同位置、不同種類的多個傳感器獲取的信息綜合在一起，通過計算機技術(shù)進行分析，同時要消除傳感器信息間的冗余和矛盾，提高系統(tǒng)的可靠性，獲得更快速、正確的信息。激光雷達和攝像頭都是光學(xué)類的傳感器，核心部分和處理電路較相似，在傳感器的內(nèi)部實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，可以降低后端的計算處理過程。

多傳感器融合可以看作是人的大腦對周圍環(huán)境的信息處理過程，人的眼、耳等器官相當(dāng)于是傳感器，將感知到的圖像、聲音等信息傳輸至大腦，相當(dāng)于傳感器的信息融合中心，并與原有的經(jīng)驗，相當(dāng)于數(shù)據(jù)庫進行綜合處理，最終做出快速、準(zhǔn)確的判斷。

多傳感器融合，對于硬件和軟件都有一定的要求。硬件方面，要求配備不同種類的傳感器，才能保證信息獲取充分且有冗余；而軟件方面，核心是算法，算法要足夠優(yōu)化，數(shù)據(jù)處理速度要夠快，且容錯性好，才能保證最終決策的準(zhǔn)確和速度。目前，多傳感器融合的理論方法有貝葉斯準(zhǔn)則法、卡爾曼濾波法、D-S證據(jù)理論法等。多傳感器融合的重點和難點是算法。

4 結(jié)語

自動駕駛環(huán)境感知系統(tǒng)的各種傳感器各有各的優(yōu)劣勢，難以相互替代，未來要實現(xiàn)自動駕駛，一定是多個傳感器相互配合共同構(gòu)成環(huán)境感知系統(tǒng)的。為了保證行車的安全，多傳感器融合是大勢所趨，也為更高階的自動駕駛方案提供了必要的技術(shù)儲備。