智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)

課堂教學(xué)設(shè)計(jì)表授課日期2020年月日授課學(xué)時(shí)6學(xué)時(shí)J理論實(shí)踐章名稱第4章智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知系統(tǒng)節(jié)名稱環(huán)境感知的定義與組成4.2環(huán)境感知傳感器道路識(shí)別 4.4車輛識(shí)別行人識(shí)別 4.6交通標(biāo)志識(shí)別交通信號(hào)燈識(shí)別目的與要求使學(xué)生掌握智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知的定義、組成及各種傳感器的用途；熟悉超聲波傳感器、毫米波雷達(dá)和視覺傳感器的類型，特點(diǎn)及應(yīng)用；初步了解道路識(shí)別、車輛識(shí)別、行人識(shí)別、交通標(biāo)志識(shí)別和交通信號(hào)燈識(shí)別；教學(xué)內(nèi)容環(huán)境感知的定義與組成 4.2環(huán)境感知傳感器道路識(shí)別 4.4車輛識(shí)別行人識(shí)別 4.6交通標(biāo)志識(shí)別交通信號(hào)燈識(shí)別重點(diǎn)與難點(diǎn)道路識(shí)別車輛識(shí)別行人識(shí)別交通標(biāo)志識(shí)別交通信號(hào)燈識(shí)別授課方式理論授課與視頻輔助課外作業(yè)附課件中課堂小結(jié)審批意見簽字： 年月日備注.教師所編制的教案由所在教研室主任審批；.教研室主任編制的教案由所在二級(jí)學(xué)院院長（或者專業(yè)帶頭人）審批；.二級(jí)學(xué)院院長編制的教案，有所屬專業(yè)的教研室主任審批。說明：任課教師可根據(jù)黑板的屏數(shù)自行進(jìn)行板書設(shè)計(jì)。多媒體演示，5分鐘師生進(jìn)行討論環(huán)節(jié)板書與多媒體教學(xué)相結(jié)合，理論內(nèi)容講授多媒體演示，5分鐘師生進(jìn)行討論環(huán)節(jié)板書與多媒體教學(xué)相結(jié)合，理論內(nèi)容講授8分鐘重點(diǎn)內(nèi)容講授12分鐘，提問并答疑理論內(nèi)容講授15分，進(jìn)行課堂討論八 目的、要求、方教學(xué)內(nèi)容 法、手段、時(shí),盼配、板書預(yù)案等【導(dǎo)言】未來智能網(wǎng)聯(lián)汽車能夠在道路上有序的安全行駛，特別是無人駕駛汽車，不依賴駕駛員，汽車也能安全行駛；那么智能網(wǎng)聯(lián)汽車可無人駕駛汽車依靠什么技術(shù)進(jìn)行安全行駛呢？【內(nèi)容講授】.1環(huán)境感知系統(tǒng)的定義與組成——定義環(huán)境感知的定義環(huán)境感知就是利用車載超聲波傳感器、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、視覺傳感器，以及V2X通信技術(shù)等獲取道路、車輛位置和障礙物的信息，并將這些信息傳輸給車載控制中心，為智能網(wǎng)聯(lián)汽車提供決策依據(jù)，是ADAS實(shí)現(xiàn)的第一步環(huán)境感知的對(duì)象主要有道路、車輛、行人、各種障礙物、交通標(biāo)志、交通信號(hào)燈等環(huán)境感知的組成信息采集單元、信息處理單元、信息傳輸單元.2環(huán)境感知傳感器環(huán)境感知傳感器的類型與配置(1)環(huán)境感知傳感器的類型超聲波傳感器毫米波雷達(dá)激光雷達(dá)視覺傳感器(2)環(huán)境感知傳感器的配置環(huán)境感知傳感器主要有超聲波傳感器、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、單/雙/三目攝像頭、環(huán)視攝像頭等通用公司用于研究1_4級(jí)自動(dòng)駕駛技術(shù)的Bolts5個(gè)16線束激光雷達(dá)21個(gè)毫米波雷達(dá)16個(gè)攝像頭(3)環(huán)境感知傳感器的布局(4)環(huán)境感知傳感器的融合教學(xué)內(nèi)容目的、要求、方法、手段、時(shí)'盼配、板書預(yù)案等理論內(nèi)容講授5理論內(nèi)容講授5分鐘小結(jié)本節(jié)課3分鐘布置作業(yè)2分鐘圖像級(jí)融合——是以視覺傳感器為主體，將毫米波雷達(dá)輸出的整體信息進(jìn)行圖像特征轉(zhuǎn)化，然后與視覺系統(tǒng)的圖像輸出進(jìn)行融合目標(biāo)級(jí)融合——是對(duì)視覺傳感器和毫米波雷達(dá)輸出進(jìn)行綜合可信度加權(quán)，配合精度標(biāo)定信息進(jìn)行自適應(yīng)的搜索匹配后融合輸出信號(hào)級(jí)融合一一是對(duì)視覺傳感器和毫米波雷達(dá)傳出的數(shù)據(jù)源進(jìn)行融合。信號(hào)級(jí)別的融合數(shù)據(jù)損失最小，可靠性最高，但需要大量的運(yùn)算超聲波傳感器——定義聲音以波的形式傳播稱為聲波頻率大于20000Hz的聲波稱為超聲波頻率小于20Hz的聲波稱為次聲波頻率為20?20000Hz的聲波就是人能夠聽見的聲波超聲波傳感器一一特點(diǎn)探測距離短，有盲區(qū)對(duì)色彩、光照度不敏感對(duì)光線和電磁場不敏感簡單，體積小，成本低超聲波傳感器——測距原理超聲波傳感器一一類型駐車輔助傳感器（UPA,PDC）-15?250cm泊車輔助傳感器（APA,PLA）-30-500cm超聲波傳感器——主要參數(shù)測量范圍：15?500cm測量精度：測量值與真實(shí)值的偏差波束角：能量強(qiáng)度減小一半處的角度工作頻率：40kHz左右抗干擾性能：噪聲干擾反射回來的超聲波超聲波傳感器——應(yīng)用最常見的是自動(dòng)泊車輔助系統(tǒng)前視攝像頭、前置毫米波雷達(dá)和12個(gè)超聲波傳感器

教學(xué)內(nèi)容目的、要求、方法、手段、時(shí)'盼配、板書預(yù)案等教學(xué)內(nèi)容目的、要求、方法、手段、時(shí)'盼配、板書預(yù)案等毫米波雷達(dá)——定義工作在毫米波頻段的雷達(dá)。毫米波是指長度為1?10mm的電磁波，對(duì)應(yīng)的頻率為30?300GHz；主要用于自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)、自動(dòng)制動(dòng)輔助系統(tǒng)、盲區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)、行人檢測等毫米波雷達(dá)一一特點(diǎn)探測距離遠(yuǎn)，250m以上探測性能好響應(yīng)速度快適應(yīng)能力強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng)覆蓋區(qū)域呈扇形，有盲點(diǎn)區(qū)域無法識(shí)別交通標(biāo)志無法識(shí)別交通信號(hào)毫米波雷達(dá)一類型按工作原理分類：脈沖式、調(diào)頻式連續(xù)毫米波雷達(dá)按探測距離分類：短程(<60m)、中程(100m左右)和遠(yuǎn)程(>200m)毫米波雷達(dá)按頻段分類：24GHz、60GHz、77GHz和79GHz毫米波雷達(dá)77GHz毫米波雷達(dá)與24GHz毫米波雷達(dá)相比具有以下不同77GHz毫米波雷達(dá)探測距離更遠(yuǎn)77GHz毫米波雷達(dá)的體積更小77GHz毫米波雷達(dá)所需要的工藝更高77GHz毫米波雷達(dá)的檢測精度更好77GHz毫米波雷達(dá)的射頻芯片不容易獲取毫米波雷達(dá)一測量原理調(diào)頻式連續(xù)毫米波雷達(dá)是利用多普勒效應(yīng)測量得出目標(biāo)的距離和速度毫米波雷達(dá)一工作過程天線-天線收發(fā)開關(guān)-接收機(jī)-信號(hào)處理器-計(jì)算分析-汽車控制電路(PPT)毫米波雷達(dá)——布置正向布置，與路面夾角的最大偏差不超過5。側(cè)向布置，前45°夾角，后30°夾角八 目的、要求、方教學(xué)內(nèi)容 法、手段、時(shí),盼配、板書預(yù)案等布置高度，500（滿載）?800mm（空載）毫米波雷達(dá)一一主要指標(biāo)短程、中程、遠(yuǎn)程毫米波雷達(dá)的技術(shù)指標(biāo)類別：頻帶田士帶寬測距范圍最大視角測距精度方位精度測速精度毫米波雷達(dá)一一應(yīng)用自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)、前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)、自動(dòng)制動(dòng)輔助系統(tǒng)、盲區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)、自動(dòng)泊車輔助系統(tǒng)、變道輔助系統(tǒng)：盲區(qū)監(jiān)測、變道預(yù)警、后向碰撞預(yù)警、后向碰撞預(yù)警系統(tǒng)、激光雷達(dá)——定義激光雷達(dá)是工作在光波頻段的雷達(dá)，它利用光波頻段的電磁波先向目標(biāo)發(fā)射探測信號(hào)，然后將其接收到的同波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)相比較，從而獲得目標(biāo)的位置（距離、方位和高度）、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（速度、姿態(tài)）等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測、跟蹤和識(shí)別激光雷達(dá)——特點(diǎn)探測范圍廣：可達(dá)300m以上。分辨率高：距離分辨率可達(dá)0.1m；速度分辨率能達(dá)到10m/s以內(nèi)；角度分辨率不低于0.1mard信息量豐富：探測目標(biāo)的距離、角度、反射強(qiáng)度、速度等信息，生成目標(biāo)多維度圖像可全天候工作：不依賴于外界條件或目標(biāo)本身的輻射特性與毫米波雷達(dá)相比，產(chǎn)品體積大，成本高。不能識(shí)別交通標(biāo)志和交通信號(hào)燈激光雷達(dá)一組成激光雷達(dá)系統(tǒng)由收發(fā)天線、收發(fā)前端、信號(hào)處理模塊、汽車控制裝置和報(bào)警模塊組成教學(xué)內(nèi)容目的、要求、方法、手段、時(shí)'盼配、板書預(yù)案等激光雷達(dá)——測距原理脈沖測距法干涉測距法：通過激光器發(fā)射出一束激光，通過分光鏡分為兩束相干光波，兩束光波各自經(jīng)過反射鏡M1和M2反射回來，在分光鏡處又匯合到一起。由于兩束光波的路差不同，通過干涉后形成的明暗條紋也不同，所以傳感器將干涉條紋轉(zhuǎn)換為電信號(hào)之后，就可以實(shí)現(xiàn)測距。相位測距法激光雷達(dá)——類型機(jī)械激光雷達(dá)：帶有控制激光發(fā)射角度的旋轉(zhuǎn)部件，體積較大，價(jià)格昂貴，測量精度相對(duì)較高，一般置于汽車頂部固態(tài)激光雷達(dá)：依靠電子部件來控制激光發(fā)射角度，無須機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，故尺寸較小，可安裝于車體內(nèi)激光雷達(dá)公司Quanergy在2016年發(fā)布的號(hào)稱全球首款的固態(tài)激光雷達(dá)S3,可以達(dá)到厘米級(jí)精度，30Hz掃描頻率，0.1°的角分辨率混合固態(tài)激光雷達(dá)：沒有大體積旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，采用固定激光光源，通過內(nèi)部玻璃片旋轉(zhuǎn)的方式改變激光光束方向，實(shí)現(xiàn)多角度檢測的需要，并且采用嵌入式安裝單線束激光雷達(dá)2口數(shù)據(jù)只能測量距離多線束激光雷達(dá)：4線束、8線束、16線束、32線束、64線束、128等，其細(xì)分可分為2.5D激光雷達(dá)及3D激光雷達(dá)2.5D：垂直視野范圍一般不超過10°3D：可達(dá)到30°甚至40°以上奧迪A8為了實(shí)現(xiàn)L3級(jí)別的自動(dòng)駕駛，在汽車的進(jìn)氣格柵下布置了4線束激光雷達(dá)美國威力登（Velodyne）公司開發(fā)的128線束激光雷達(dá)的探測距離約是HDL-64E的3倍，達(dá)到300m，分辨率則是10倍，尺寸縮小了70%。該產(chǎn)品是為L5級(jí)別自動(dòng)駕駛而開發(fā)的激光雷達(dá)——主要指標(biāo)（1）距離分辨率：是指兩個(gè)目標(biāo)物體可區(qū)分的最小距離八 目的、要求、方教學(xué)內(nèi)容 法、手段、時(shí),盼配、板書預(yù)案等(2)最大探測距離：通常需要標(biāo)注基于某一個(gè)反射率下的測得值，例如白色反射體大概70%反射率，黑色物體7%?20%反射率(3)測距精度：是指對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行重復(fù)測量得到的距離值之間的誤差范圍(4)測量幀頻：測量幀頻與攝像頭的幀頻概念相同，刷新率越高，響應(yīng)速度越快(5)數(shù)據(jù)采樣率：是指每秒輸出的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，等于幀率乘以單幅圖像的點(diǎn)云數(shù)目(6)角度分辨率：是指掃描的角度分辨率，等于視場角除以該方向所采集的點(diǎn)云數(shù)目(7)視場角：又分為垂直視場角和水平視場角，是激光雷達(dá)的成像范圍(8)波長：波長會(huì)影響雷達(dá)的環(huán)境適應(yīng)性和對(duì)人眼的安全性激光雷達(dá)——應(yīng)用IBEOLUX(4線束)激光雷達(dá)是德國IBEO公司借助高分辨率激光測量技術(shù)，推出的第一款多功能的汽車智能傳感器。它擁有110°的寬視角，0.3?200m的探測距離，絕對(duì)安全的1等級(jí)激光。(1)行人保護(hù)：能檢測0.3?30m視場范圍內(nèi)所有的行人(2)自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的啟和停：可在0?200km/h的速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行駛(3)車道偏離預(yù)警：可以檢測車輛行駛前方的車道線標(biāo)識(shí)和潛在的障礙，同時(shí)也可以計(jì)算車輛在道路中的位置(4)自動(dòng)緊急制動(dòng)：實(shí)時(shí)檢測車輛行駛前方的所有靜止的和移動(dòng)的物體，并且判斷它們的外形，當(dāng)要發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，自動(dòng)緊急制動(dòng)(5)預(yù)碰撞處理：通過分析所有的環(huán)境掃描數(shù)據(jù)，不管即將發(fā)生什么樣的碰撞，會(huì)在碰撞發(fā)生前100ms發(fā)出警告(6)交通擁堵輔助：消除頻繁啟停，實(shí)現(xiàn)低速下的自動(dòng)跟車和車道保持(7)低速防碰撞功能：在30km/h下，LUX(4線束)激光雷達(dá)檢測并分析前方的路況，車輛會(huì)在發(fā)生碰撞前自動(dòng)停駛視覺傳感器——定義教學(xué)內(nèi)容目的、要求、方法、手段、時(shí)'盼配、板書預(yù)案等視覺傳感器主要由光源、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)器視覺系統(tǒng)要處理的原始圖像。把光源、攝像機(jī)、圖像處理器、標(biāo)準(zhǔn)的控制與通信接口等集成一體的視覺傳感器，常稱為一個(gè)智能圖像采集與處理單元視覺傳感器——特點(diǎn)(1)信息量極為豐富：不僅包含有視野內(nèi)物體的距離信息，而且還有該物體的顏色、紋理、深度和形狀等信息(2)多任務(wù)檢測：在視野范圍內(nèi)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)道路檢測、車輛檢測、行人檢測、交通標(biāo)志檢測、交通信號(hào)燈檢測等(3)實(shí)時(shí)獲取場景信息：提供的信息不依賴于先驗(yàn)知識(shí)，比如GPS導(dǎo)航依賴地圖信息，有較強(qiáng)的適應(yīng)環(huán)境的能力(4)應(yīng)用廣泛：可以前視、后視、側(cè)視、內(nèi)視等視覺傳感器——類型單目雙目三目環(huán)視視覺傳感器——要求視覺傳感器工藝要求：在工藝上的首要特性是快速，以140km/h的速度為例，汽車每秒要移動(dòng)40m，為避免兩次圖像信息獲取間隔期間自動(dòng)駕駛的距離過長，要求攝像機(jī)具有最慢不低于30幀/秒的影像捕捉率，在汽車制造商的規(guī)格中，甚至提出了60幀/秒和120幀/秒的要求。視覺傳感器功能要求：(1)高動(dòng)態(tài)：在較暗環(huán)境和明暗差異較大下仍能實(shí)現(xiàn)識(shí)別(2)中低像素：為降低計(jì)算處理的負(fù)擔(dān)，攝像頭的像素并不需要非常高，目前30?120萬像素已經(jīng)能滿足要求(3)角度要求：對(duì)于環(huán)視和后視攝像頭，一般采用135°以上的廣角鏡頭；前置攝像頭一般采用55°的范圍(4)安全性：相比工業(yè)級(jí)和生活級(jí)攝像頭，車載攝像頭在安全級(jí)別上要求更高，尤其是前置攝像頭安全級(jí)別要求更高八 目的、要求、方教學(xué)內(nèi)容 法、手段、時(shí),盼配、板書預(yù)案等(5)溫度要求：車載攝像頭溫度范圍為-40℃?80℃(6)防磁抗震：汽車啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生極高的電磁，車載攝像頭必須具備極高的防磁抗震的可靠性(7)壽命長：壽命至少要在8?10年才能滿足要求視覺傳感器——主要指標(biāo)(1)像素：像素越多，代表著它能夠感測到更多的物體細(xì)節(jié)，從而圖像就越清晰(2)幀率：幀率代表單位時(shí)間所記錄或播放的圖片的數(shù)量(3)靶面尺寸：就是圖像傳感器感光部分的大小。一般用英寸來表示，通常這個(gè)數(shù)據(jù)指的是這個(gè)圖像傳感器的對(duì)角線長度，如常見的有1/3英寸，靶面越大，意味著通光量越好，而靶面越小則比較容易獲得更大的景深(4)感光度：代表入射光線的強(qiáng)弱。感光度越高，感光面對(duì)光的敏感度就越強(qiáng)，快門速度就越高(5)信噪比：是信號(hào)電壓對(duì)于噪聲電壓的比值，典型值為45?55dB,信噪比越大說明對(duì)噪聲的控制越好(6)電子快門：用來控制圖像傳感器的感光時(shí)間，電子快門越快，感光度越低，因此適合在強(qiáng)光下拍攝視覺傳感器——功能具有車道線識(shí)別、障礙物檢測、交通標(biāo)志和地面標(biāo)志識(shí)別、交通信號(hào)燈識(shí)別、可通行空間檢測等功能視覺傳感器——應(yīng)用如圖-PPT根據(jù)不同ADAS功能的需要，安裝位置分為前視、后視、側(cè)視以及內(nèi)置攝像頭。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛時(shí)將安裝6個(gè)以上攝像頭道路識(shí)別——定義真實(shí)的道路通過激光雷達(dá)轉(zhuǎn)換成汽車認(rèn)識(shí)的道路，供自動(dòng)駕駛汽車行駛；或通過視覺傳感器識(shí)別出車道線，提供車輛在當(dāng)前車道中的位置，幫助智能網(wǎng)聯(lián)汽車提高行駛的安全性。道路識(shí)別的識(shí)別與分類道路識(shí)別的任務(wù)是提取車道的幾何結(jié)構(gòu)，如車道的寬度、車道線的曲率等；確定車輛在車道中的位置、方向；提取車輛可行駛的區(qū)域八 目的、要求、方教學(xué)內(nèi)容 法、手段、時(shí),盼配、板書預(yù)案等依據(jù)道路類型的不同，道路分為結(jié)構(gòu)化道路和非結(jié)構(gòu)化道路。道路圖像的特點(diǎn)各種條件下的道路圖像：道路識(shí)別的流程和方法一一流程采集原始圖像T圖像灰度化T圖像濾波T圖像二值化T車道線提取道路識(shí)別的流程和方法一方法基于區(qū)域分割的識(shí)別方法基于道路特征的識(shí)別方法基于道路模型的識(shí)別方法基于道路特征與模型相結(jié)合的識(shí)別方法車道線識(shí)別舉例：原始圖像、圖像灰度化、圖像濾波、圖像二值化、圖像邊緣檢測、霍夫變換、車道線檢測車輛識(shí)別——定義車牌識(shí)別就是利用攝像頭對(duì)監(jiān)控路面過往車輛的特征圖像和車輛全景圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，利用圖像處理的分析方法，提取出車牌區(qū)域，進(jìn)而對(duì)車牌區(qū)域進(jìn)行字符分割和識(shí)別，從而對(duì)車輛進(jìn)行管理。車牌識(shí)別一一組成如圖攝像機(jī)專用控制器顯示屏快速閘機(jī)計(jì)算機(jī)軟硬件等車牌識(shí)別——流程圖像采集T視頻車輛檢測T車牌定位T字符分割T字符識(shí)別T結(jié)果輸出車牌識(shí)別——方法基于模板匹配的字符識(shí)別算法：速度快，實(shí)時(shí)性好基于特征的統(tǒng)計(jì)匹配法：應(yīng)用效果不理想，抗干擾性不強(qiáng)基于邊緣檢測和水平灰度變化特征的方法：使用多基于顏色相似度及彩色邊緣的算法：一般不單獨(dú)使用車牌識(shí)別舉例1-1.讀取原始圖像

八 目的、要求、方教學(xué)內(nèi)容 法、手段、時(shí),盼八 目的、要求、方教學(xué)內(nèi)容 法、手段、時(shí),盼配、板書預(yù)案等1-3.邊緣檢測1-4.圖像腐蝕1-5.圖像膨脹1-6.提取車牌區(qū)域1-7.原始圖像切割2-1.切割后的圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像2-2.對(duì)灰度圖像進(jìn)行直方圖均衡化2-3.灰度圖像二值化2-4.中值濾波2-5.計(jì)算每個(gè)字符的位置，并逐一進(jìn)行切割后得到只儲(chǔ)存單一字符的圖像.字符識(shí)別.4.2運(yùn)動(dòng)車輛識(shí)別基于特征的識(shí)別方法基于機(jī)器學(xué)習(xí)的識(shí)別方法基于光流場的識(shí)別方法基于模型的識(shí)別方法行人識(shí)別——定義行人識(shí)別是采用安裝在車輛前方的視覺傳感器采集前方場景的圖像信息，通過一系列復(fù)雜的算法分析處理這些圖像信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)行人的識(shí)別行人識(shí)別的定義與類型——類型可見光行人的檢測：采用的視覺傳感器為普通的光學(xué)攝像頭，非常符合人的正常視覺習(xí)慣，而且硬件成本十分低廉。但是受到光照條件的限制，該方法只能應(yīng)用在白天，在光照條件很差的陰雨天或夜間則無法使用紅外行人的檢測：采用紅外熱成像攝像頭，利用物體發(fā)出的熱紅外線進(jìn)行成像，不依賴于光照，具有很好的夜視功能，在白天和晚上都適用，尤其是在夜間以及光線較差的陰雨天具有無可替代的優(yōu)勢(shì)/r/