未來(lái)無(wú)人駕駛汽車的傳感器方案發(fā)展趨勢(shì)(上)

◆文/安徽 程增木

無(wú)人駕駛汽車系統(tǒng)主要包括感知、定位、決策、規(guī)劃、控制等模塊，感知模塊是無(wú)人駕駛汽車的“眼睛”，其將感知的結(jié)果傳輸給后續(xù)模塊供其使用。感知模塊主要使用的傳感器包括攝像頭、激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)等傳感器。本文重點(diǎn)介紹激光雷達(dá)和攝像頭。

一、激光雷達(dá)傳感器的組成及工作原理

激光雷達(dá)是利用可見(jiàn)光和近紅外光(多為950nm波段附近的紅外光）發(fā)射一個(gè)信號(hào)，經(jīng)目標(biāo)反射后被接收系統(tǒng)收集，通過(guò)測(cè)量反射光的運(yùn)行時(shí)間而確定目標(biāo)的距離。激光雷達(dá)具有高分辨率、強(qiáng)抗干擾能力、可全天時(shí)工作、信息量豐富的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于無(wú)人駕駛汽車中，但是其容易受到大氣條件以及工作環(huán)境的煙塵的影響。

激光雷達(dá)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)四部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.激光發(fā)射系統(tǒng)

激光發(fā)射系統(tǒng)的激勵(lì)源周期性地驅(qū)動(dòng)激光器，發(fā)射激光脈沖，利用激光調(diào)制器通過(guò)光束控制器控制發(fā)射激光的方向和線數(shù)， 最后通過(guò)光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)將激光發(fā)射至目標(biāo)物體。

2.激光接收系統(tǒng)

激光接收系統(tǒng)經(jīng)光學(xué)接收系統(tǒng)光電探測(cè)器接收目標(biāo)物體反射回來(lái)的激光， 產(chǎn)生接收信號(hào)。

3.信息處理系統(tǒng)

信息處理系統(tǒng)將接收信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理和數(shù)模轉(zhuǎn)換后， 由信息處理模塊計(jì)算，獲取目標(biāo)表面形態(tài)、 物理屬性等特征， 最終建立物體模型。

4.掃描系統(tǒng)

掃描系統(tǒng)以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所在平面的掃描，并產(chǎn)生實(shí)時(shí)的平面圖信息。

激光雷達(dá)的工作原理與雷達(dá)非常相近，以激光作為信號(hào)源，由激光器發(fā)射出的脈沖激光，打到地面的樹(shù)木、道路、橋梁和建筑物上，引起散射，一部分光波會(huì)反射到激光雷達(dá)的接收器上，根據(jù)激光測(cè)距原理計(jì)算，就得到從激光雷達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的距離。脈沖激光不斷地掃描目標(biāo)物，就可以得到目標(biāo)物上全部目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，用此數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理后，就可得到精確的三維立體圖像。

在激光雷達(dá)前端有一個(gè)光學(xué)發(fā)射和光學(xué)接收系統(tǒng)，在發(fā)射系統(tǒng)后端有N組發(fā)射模塊，在接收系統(tǒng)后端也有N組與發(fā)射模塊對(duì)應(yīng)的接收模塊。當(dāng)激光雷達(dá)開(kāi)始工作時(shí)，N組發(fā)射模塊和N組接收模塊在系統(tǒng)電路的精確控制下，按照一定的時(shí)間順序輪流工作，發(fā)射和接收激光束。編碼器是一種用于運(yùn)動(dòng)控制的傳感器，它利用光電、電磁、電感等原理，檢測(cè)物體的機(jī)械位置及其變化，并將此信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)作為運(yùn)動(dòng)控制的反饋，傳遞給各種運(yùn)動(dòng)控制裝置。光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器屬于編碼器中較為特殊的一種，它通過(guò)光電轉(zhuǎn)換，可將輸出軸的角位移、角速度等機(jī)械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量輸出，可以精確地測(cè)試電機(jī)角位移和旋轉(zhuǎn)位置。旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)掃描鏡按照一定的順序和速度旋轉(zhuǎn)，將激光器發(fā)出的激光束發(fā)射出去，然后反射回來(lái)的激光束通過(guò)光學(xué)接收系統(tǒng)進(jìn)行處理計(jì)算，這樣就可以形成光學(xué)掃描，其工作原理如圖2所示。

攝像頭是光線通過(guò)鏡頭進(jìn)入攝像頭內(nèi)部，然后經(jīng)過(guò)紅外濾光片過(guò)濾紅外光，最后到達(dá)光感傳感器(主要包括CMOS和CCD兩種），光感傳感器可以將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過(guò)內(nèi)部的模數(shù)電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后傳輸給控制器。攝像頭具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、感知距離遠(yuǎn)、視角范圍大等優(yōu)勢(shì)，但是其受周圍光線影響交大，容易受到光源及環(huán)境的干擾。

視覺(jué)傳感器主要由光源、鏡頭、圖像傳感器、模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像處理器、圖像存儲(chǔ)器等組成，其主要功能是獲取足夠的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)要處理的原始圖像，如圖3所示。

光源是一個(gè)物理學(xué)名詞，世界上的物體有的發(fā)光，有的不發(fā)光，我們把能夠自行發(fā)光且正在發(fā)光的物體叫作光源，如太陽(yáng)、打開(kāi)的電燈、燃燒的蠟燭等都是光源。

鏡頭是視頻傳感器的關(guān)鍵部件，它的質(zhì)量好壞直接影響著攝像頭的指標(biāo)。鏡頭相當(dāng)于人眼的晶狀體，如果沒(méi)有晶狀體人眼看不到任何物體。 如果沒(méi)有鏡頭，那么攝像頭所輸出的圖像就是白茫茫的一片，沒(méi)有清晰的圖像輸出。

圖像傳感器通常使用電荷耦合器件(CCD)或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)(CMOS) 技術(shù)將光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。圖像傳感器的任務(wù)本質(zhì)上就是采集光源并將其轉(zhuǎn)換為平衡噪聲、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)字圖像。圖像是像素的集合，暗光產(chǎn)生暗像素，亮光產(chǎn)生較亮的像素。圖像傳感器能夠確保攝像頭具有正確的分辨率以適合應(yīng)用，分辨率越高，圖像細(xì)節(jié)越高，測(cè)量準(zhǔn)確度越高。

模/數(shù)轉(zhuǎn)換器即通常所說(shuō)的A/D轉(zhuǎn)換器，是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)的電子元件，能夠把輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字信號(hào)。

圖像處理器是一個(gè)進(jìn)行分類、合成等處理的軟件。它通過(guò)取樣和量化過(guò)程，將一個(gè)以自然形式存在的圖像變換為適合計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字形式，包括圖片直方圖、灰度圖等的顯示。圖片修復(fù)，即指通過(guò)圖像增強(qiáng)或復(fù)原來(lái)改進(jìn)圖片的質(zhì)量。

圖像存儲(chǔ)是指各種圖形和影像在存儲(chǔ)器中最多可以存儲(chǔ)多少幀的視頻信號(hào)。數(shù)字圖像文件存儲(chǔ)方式主要有位映射圖像、光柵圖像以及矢量圖像等。

車載視覺(jué)系統(tǒng)是能夠讓汽車具備視覺(jué)感知功能的系統(tǒng)，利用視覺(jué)傳感器獲取周邊環(huán)境的圖像，并通過(guò)視覺(jué)處理器進(jìn)行圖像的分析和理解，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的定義符號(hào)，使汽車能夠辨識(shí)并確認(rèn)物體位置及各種狀態(tài)。被拍攝的物體經(jīng)過(guò)視覺(jué)傳感器的鏡頭聚焦到視覺(jué)傳感器上面，視覺(jué)傳感器由多個(gè)X-Y縱橫排列的像素點(diǎn)組成，每個(gè)像素點(diǎn)都由一個(gè)光電二極管及相關(guān)電路組成。光電二極管將拍攝到的光線轉(zhuǎn)變成對(duì)應(yīng)的電荷，在相關(guān)電路的控制下逐點(diǎn)輸出，經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換，然后形成數(shù)字視頻信號(hào)輸出，最后通過(guò)顯示屏還原后，就可以看到和拍攝場(chǎng)景一樣的圖像了，如圖4所示。

在2021年的廣州車展中，不少車企展出了搭載激光雷達(dá)的車型，主要包括小鵬G9、沙龍機(jī)甲龍、哪吒S、飛凡R7、極狐阿爾法S全新HI版。為什么激光雷達(dá)越來(lái)越多的搭載在即將量產(chǎn)的車型上？首先，激光雷達(dá)具備分辨率高、穩(wěn)定、可采集三維數(shù)據(jù)等優(yōu)勢(shì)，激光雷達(dá)點(diǎn)云經(jīng)過(guò)處理后可以獲得目標(biāo)的距離、角度、反射強(qiáng)度、速度等信息，生成目標(biāo)的多維度圖像，并且激光雷達(dá)可全天時(shí)工作，相比于毫米波雷達(dá)，激光雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬物體的檢測(cè)，并且相比于攝像頭，激光雷達(dá)的探測(cè)距離更遠(yuǎn)。從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，激光雷達(dá)可以彌補(bǔ)攝像頭和毫米波雷達(dá)的不足，滿足后續(xù)高階自動(dòng)駕駛的系統(tǒng)要求。

現(xiàn)在給大家展示的車型有可能是以后各位讀者接觸到的高階自動(dòng)駕駛版車型，大家閱讀后可以了解到硬件傳感器配置方案和應(yīng)用場(chǎng)景，有助于各位對(duì)無(wú)人駕駛有一個(gè)初步的了解。

讓我們看一下，近兩年搭載激光雷達(dá)車型(以后你可能買到的車型）在技術(shù)和應(yīng)用場(chǎng)景兩方面有什么亮點(diǎn)吧。筆者將從市場(chǎng)表現(xiàn)以及技術(shù)兩方面分析本次新推出車型的無(wú)人駕駛感知系統(tǒng)傳感器性能表現(xiàn)。

各家主機(jī)廠的傳感器配置、應(yīng)用功能及場(chǎng)景如表1所示。