第3章 環(huán)境感知技術(shù)

第三章

環(huán)境感知技術(shù)第一節(jié)環(huán)境感知技術(shù)概述第二節(jié)

超聲波傳感器第三節(jié)毫米波雷達(dá)第四節(jié)激光雷達(dá)第五節(jié)視覺(jué)傳感器智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(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(jué)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)，是高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)實(shí)現(xiàn)的第一步。第一節(jié)

環(huán)境感知技術(shù)概述環(huán)境感知定義1）基于單一傳感器的環(huán)境感知方法，如超聲波傳感器、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、視覺(jué)傳感器等。2）基于自組織網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境感知方法，如V2X通信技術(shù)。3）基于傳感器信息融合的環(huán)境感知方法，如采用視覺(jué)傳感器+毫米波雷達(dá)、視覺(jué)傳感器+超聲波傳感器融合等。第一節(jié)

環(huán)境感知技術(shù)概述環(huán)境感知方法環(huán)境感知系統(tǒng)組成智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知系統(tǒng)由信息采集單元、信息處理單元和信息傳輸單元組成。1）信息采集單元對(duì)環(huán)境的感知和判斷是智能網(wǎng)聯(lián)汽車工作的前提與基礎(chǔ)，感知系統(tǒng)獲取周圍環(huán)境和車輛信息的實(shí)時(shí)性及穩(wěn)定性，直接關(guān)系到后續(xù)檢測(cè)或識(shí)別準(zhǔn)確性和執(zhí)行有效性。2）信息處理單元信息處理單元主要是對(duì)信息采集單元輸送來(lái)的信號(hào)，通過(guò)一定的算法對(duì)道路、車輛、行人、交通標(biāo)志、交通信號(hào)燈等進(jìn)行識(shí)別。3）信息傳輸單元信息處理單元對(duì)環(huán)境感知信號(hào)進(jìn)行分析后，將信息送入傳輸單元，傳輸單元根據(jù)具體情況執(zhí)行不同的操作，信息傳輸單元把信息傳輸?shù)絺鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)上，實(shí)行車輛內(nèi)部資源共享；也可以把處理信息通過(guò)自組織網(wǎng)絡(luò)傳輸給車輛周圍的其他車輛，實(shí)現(xiàn)車輛與車輛之間信息共享。環(huán)境感知傳感器配置智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(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，它們?cè)谥悄芫W(wǎng)聯(lián)汽車上的配置與自動(dòng)駕駛級(jí)別有關(guān)，自動(dòng)駕駛級(jí)別越高，配置的傳感器越多。傳感器數(shù)量/個(gè)最小感知范圍備注環(huán)視攝像頭(高清)48m①前、側(cè)向毫米波雷達(dá)信息處理策略有差異,不能互換②毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)互為冗余③不同供應(yīng)商的傳感器探測(cè)范圍有差異,表中數(shù)據(jù)僅供參考前視攝像頭(單目)150°/150m超聲波傳感器125m側(cè)向毫米波雷達(dá)(24GHz)4110*/60m前向毫米波雷達(dá)(77GHz)115°/170m激光雷達(dá)1110*/100m隨著汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，智能網(wǎng)聯(lián)汽車配備的先進(jìn)傳感器的數(shù)量將會(huì)逐漸增加，預(yù)計(jì)無(wú)人駕駛汽車將會(huì)裝配30個(gè)左右先進(jìn)傳感器。聲音以波的形式傳播稱為聲波。按頻率分類，頻率低于20Hz的聲波稱為次聲波；頻率為20Hz～20kHz的聲波稱為可聽(tīng)波，即人耳能分辨的聲波；頻率大于20kHz的聲波稱為超聲波。超聲波傳感器也稱超聲波雷達(dá)，它是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)或者將外界聲場(chǎng)中的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件。超聲波傳感器有一個(gè)發(fā)射頭和一個(gè)接收頭，安裝在同一面上。在有效的檢測(cè)距離內(nèi)，發(fā)射頭發(fā)射特定頻率的超聲波，遇到檢測(cè)面反射部分超聲波；接收頭接收返回的超聲波，由芯片記錄聲波的往返時(shí)間，并計(jì)算出距離值。第二節(jié)超聲波傳感器1）超聲波傳感器有效探測(cè)距離一般在5～10m之間，但會(huì)有一個(gè)最小探測(cè)盲區(qū)，一般在幾十毫米。2）超聲波對(duì)色彩、光照度不敏感，可適用于識(shí)別透明、半透明及漫反射差的物體。3）超聲波對(duì)外界光線和電磁場(chǎng)不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中。4）超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低，信息處理簡(jiǎn)單可靠，易于小型化與集成化，并且可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。超聲波傳感器的特點(diǎn)超聲波傳感器的類型常見(jiàn)的超聲波傳感器有兩種。第一種是安裝在汽車前后保險(xiǎn)杠上的，也就是用于探測(cè)汽車前后障礙物的傳感器，探測(cè)距離一般在15～250cm之間，稱為PDC（停車距離控制）傳感器，也稱為UPA（駐車輔助傳感器）；第二種是安裝在汽車側(cè)面的，是用于測(cè)量停車位長(zhǎng)度的超聲波傳感器，探測(cè)距離一般在30～500cm之間，稱為PLA（自動(dòng)泊車輔助）傳感器，也稱為APA（泊車輔助傳感器）。超聲波傳感器的測(cè)距原理超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波脈沖，經(jīng)媒質(zhì)(空氣)傳到障礙物表面，反射后通過(guò)媒質(zhì)(空氣)傳到接收器，測(cè)出超聲脈沖從發(fā)射到接收所需的時(shí)間，根據(jù)媒質(zhì)中的聲速，求得從探頭到障礙物表面之間的距離。設(shè)探頭到障礙物表面的距離為L(zhǎng)，超聲波在空氣中的傳播速度為v(約為340m/s)，從發(fā)射到接收所需的傳播時(shí)間為t，當(dāng)發(fā)射器和接收器之間的距離遠(yuǎn)小于探頭到障礙物之間的距離時(shí)，則有L=vt/2。超聲波傳感器的主要參數(shù)1）超聲波傳感器的測(cè)量范圍取決于其使用的波長(zhǎng)和頻率。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，頻率越小，檢測(cè)距離越大，如具有毫米級(jí)波長(zhǎng)的緊湊型傳感器的測(cè)量范圍為300～500mm，波長(zhǎng)大于5mm的傳感器測(cè)量范圍可達(dá)10m。2）測(cè)量精度是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量值與真實(shí)值的偏差。超聲波傳感器測(cè)量精度主要受被測(cè)物體體積、表面形狀、表面材料等影響。被測(cè)物體體積過(guò)小、表面形狀凹凸不平、物體材料吸收聲波等情況都會(huì)降低超聲波傳感器測(cè)量精度。測(cè)量精度越高，感知信息越可靠。3）波束角超聲波傳感器產(chǎn)生的超聲波以一定角度向外發(fā)出，超聲波沿傳感器中軸線方向上的超聲射線能量最大，能量向其他方向逐漸減弱。以傳感器中軸線的延長(zhǎng)線為軸線，到一側(cè)能量強(qiáng)度減小一半處的角度稱為波束角。波束角越小，指向性越好。一些超聲波傳感器具有較窄（6°）的波束角，更適合精確測(cè)量相對(duì)較小的物體。一些波束角在12°～15°的超聲波傳感器能夠檢測(cè)具有較大傾角的物體。超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中最常見(jiàn)的應(yīng)用是自動(dòng)泊車輔助系統(tǒng)。自動(dòng)泊車輔助系統(tǒng)包含8個(gè)PDC傳感器(用于探測(cè)周圍障礙物)和4個(gè)PLA傳感器(用于測(cè)量停車位的長(zhǎng)度)。當(dāng)駕駛?cè)笋{駛汽車以30km/h以下速度行駛，且側(cè)面與其間距保持在0.5～1.5m時(shí)，PLA傳感器會(huì)自動(dòng)檢測(cè)兩側(cè)外部空間，探測(cè)到的所有合適的空間都會(huì)被系統(tǒng)儲(chǔ)存下來(lái)。如果空間足夠泊車，駕駛?cè)丝梢酝＼嚭髵烊氲箵?，并慢速倒車。系統(tǒng)會(huì)按照事先計(jì)算好的軌跡自動(dòng)控制前輪轉(zhuǎn)向，無(wú)需駕駛?cè)瞬倏v轉(zhuǎn)向盤(pán)。毫米波雷達(dá)是工作在毫米波頻段的雷達(dá)。毫米波是指波長(zhǎng)在1～10mm的電磁波，對(duì)應(yīng)的頻率范圍為30～300GHz。毫米波雷達(dá)是ADAS(AdvancedDriverAssistanceSystem)核心傳感器。毫米波位于微波與遠(yuǎn)紅外波相交疊的波長(zhǎng)范圍，所以毫米波兼有這兩種波譜的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也有自己獨(dú)特的性質(zhì)。與微波相比，毫米波的分辨率高，指向性好，抗干擾能力強(qiáng)和探測(cè)性能好。與紅外波相比，毫米波的大氣衰減小，對(duì)煙霧和灰塵具有更好的穿透性，受天氣影響小。第三節(jié)毫米波雷達(dá)毫米波雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)1）毫米波雷達(dá)探測(cè)距離遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)可達(dá)250m左右。2）毫米波的傳播速度快，與光速一樣，并且其調(diào)制簡(jiǎn)單，配合高速信號(hào)處理系統(tǒng)，可以快速地測(cè)量出目標(biāo)的角度、距離、速度等信息。3）適應(yīng)能力強(qiáng)毫米波具有很強(qiáng)的穿透能力，在雨、雪、大霧等惡劣天氣依然可以正常工作，而且不受顏色與溫度的影響。毫米波雷達(dá)的缺點(diǎn)是覆蓋區(qū)域呈扇形，有盲點(diǎn)區(qū)域；無(wú)法識(shí)別道路標(biāo)線、交通標(biāo)志和交通信號(hào)燈。（1）毫米波雷達(dá)按工作原理的不同可以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(guò)發(fā)射脈沖信號(hào)與接收脈沖信號(hào)之間的時(shí)間差來(lái)計(jì)算目標(biāo)距離；調(diào)頻式連續(xù)毫米波雷達(dá)是利用多普勒效應(yīng)測(cè)量得出不同目標(biāo)的距離和速度。目前大多數(shù)車載毫米波雷達(dá)都采用調(diào)頻式連續(xù)毫米波雷達(dá)。（2）毫米波雷達(dá)按探測(cè)距離可分為近距離（SRR）、中距離（MRR）和遠(yuǎn)距離（LRR）毫米波雷達(dá)。（3）毫米波雷達(dá)按采用的毫米波頻段不同，劃分有24GHz、60GHz、77GHz和79GHz毫米波雷達(dá)，主流可用頻段為24GHz和77GHz，如圖2-13所示。79GHz有可能是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。毫米波雷達(dá)的類型77GHz毫米波雷達(dá)與24GHz毫米波雷達(dá)相比具有以下不同。1）77GHz毫米波雷達(dá)探測(cè)距離更遠(yuǎn)。2）77GHz毫米波雷達(dá)的體積更小。3）77GHz毫米波雷達(dá)所需要的工藝更高。4）77GHz毫米波雷達(dá)的檢測(cè)精度更好。5）相對(duì)于24GHz毫米波雷達(dá)的射頻芯片，77GHz雷達(dá)射頻的芯片更不易獲取。毫米波雷達(dá)的測(cè)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(cè)量得出不同目標(biāo)的距離和速度，它通過(guò)發(fā)射源向給定目標(biāo)發(fā)射毫米波信號(hào)，并分析發(fā)射信號(hào)時(shí)間、頻率和反射信號(hào)回波信號(hào)時(shí)間、頻率之間的差值，精確測(cè)量出目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的距離和運(yùn)動(dòng)速度等信息。雷達(dá)調(diào)頻器通過(guò)天線發(fā)射毫米波信號(hào)，發(fā)射信號(hào)遇到目標(biāo)后，經(jīng)目標(biāo)的反射會(huì)產(chǎn)生回波信號(hào)，發(fā)射信號(hào)遇到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)后反射的信號(hào)為動(dòng)態(tài)目標(biāo)回波信號(hào)，當(dāng)遇到靜止目標(biāo)反射的信號(hào)為靜態(tài)目標(biāo)回波信號(hào)，發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)相比形狀相同，時(shí)間上存在差值。測(cè)距和測(cè)速的計(jì)算公式分別為：奧地利物理學(xué)家多普勒發(fā)現(xiàn):當(dāng)波源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),觀察者會(huì)感到頻率的變化。

s為相對(duì)距離；c為光速；Δt為發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)的時(shí)間間隔；T為信號(hào)發(fā)射周期；f’為發(fā)射信號(hào)與反射信號(hào)回波信號(hào)的頻率差；Δf為調(diào)頻帶寬；fd為多普勒頻率；f0為發(fā)射信號(hào)的中心頻率；u為相對(duì)速度。毫米波雷達(dá)的目標(biāo)識(shí)別流程毫米波雷達(dá)的目標(biāo)識(shí)別是通過(guò)分析回波特征信息，通過(guò)各種特征空間變換來(lái)抽取目標(biāo)的特性參數(shù)，并將抽取的特性參數(shù)與已建立的數(shù)據(jù)庫(kù)中的目標(biāo)特征參數(shù)進(jìn)行比較、辨別和分類。1）特征信息提取利用發(fā)射源與目標(biāo)處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的中頻信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)特征信息的提取，以有效進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別。2）特征空間變換是利用梅林變換等正交變換方法，解除不同目標(biāo)特征間的相關(guān)性，加強(qiáng)不同目標(biāo)特征間的可分離性，最終剔除冗余特征，達(dá)到減少計(jì)算量的目的。3）識(shí)別算法識(shí)別算法主要有空目標(biāo)去除、無(wú)效目標(biāo)去除和靜止目標(biāo)去除。4）目標(biāo)特征庫(kù)的建立有3種方法：通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立，通過(guò)半實(shí)物仿真數(shù)據(jù)建立，通過(guò)虛擬仿真數(shù)據(jù)建立。5）識(shí)別結(jié)果輸出把識(shí)別結(jié)果輸出到有關(guān)的控制系統(tǒng)中，完成相應(yīng)的控制功能。毫米波雷達(dá)的應(yīng)用為了滿足不同距離范圍的探測(cè)需要，一輛汽車上會(huì)安裝多個(gè)近距離、中距離和遠(yuǎn)距離毫米波雷達(dá)。其中24GHz雷達(dá)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)近距離（SRR）探測(cè)，77GHz雷達(dá)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)中距離（MRR）和遠(yuǎn)距離（LRR）探測(cè)。不同的毫米波雷達(dá)在車輛前方、側(cè)方和后方發(fā)揮不同的作用。例如自適應(yīng)巡航控制需要3個(gè)毫米波雷達(dá)，車輛正中間一個(gè)77GHz的LRR，探測(cè)距離在150～250m之間，角度為10°左右；車輛兩側(cè)各一個(gè)24GHz的SRR，角度都為30°，探測(cè)距離在50～70m之間。毫米波雷達(dá)類型近距離雷達(dá)(SRR)中距離雷達(dá)(MRR)遠(yuǎn)距離雷達(dá)(LRR)工作頻段/GHz247777探測(cè)距離/m小于60100左右大于200功能自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)

★(前方)★(前方)前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)

★(前方)★(前方)自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)

★(前方)★(前方)盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)★(側(cè)方)★(側(cè)方)

自動(dòng)泊車輔助系統(tǒng)★(前方)(后方)★(側(cè)方)

變道輔助系統(tǒng)★(后方)★(后方)

后碰撞預(yù)警系統(tǒng)★(后方)★(后方)

行人檢測(cè)系統(tǒng)★(前方)★(前方)

駐車開(kāi)門(mén)輔助系統(tǒng)★(側(cè)方)

毫米波雷達(dá)的布置毫米波雷達(dá)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的布置分為正向毫米波雷達(dá)布置、側(cè)向毫米波雷達(dá)布置和毫米波雷達(dá)布置高度。1）正向毫米波雷達(dá)一般布置在車輛中軸線，外露或隱藏在保險(xiǎn)杠內(nèi)部。雷達(dá)波束的中心平面要求與路面基本平行，考慮雷達(dá)系統(tǒng)誤差、結(jié)構(gòu)安裝誤差、車輛載荷變化后，需保證與路面夾角的最大偏差不超過(guò)5°。2）側(cè)向毫米波雷達(dá)在車輛四角呈左右對(duì)稱布置，前側(cè)向毫米波雷達(dá)與車輛行駛方向成45°夾角，后側(cè)向毫米波雷達(dá)與車輛行駛方向成30°夾角，雷達(dá)波束的中心平面與路面基本平行，角度最大偏差仍需控制在5°以內(nèi)。3）毫米波雷達(dá)布置高度毫米波雷達(dá)在Z方向探測(cè)角度一般只有±5°，雷達(dá)安裝高度太高會(huì)導(dǎo)致下盲區(qū)增大，太低又會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)波束射向地面，地面反射帶來(lái)雜波干擾，影響雷達(dá)的判斷。因此，毫米波雷達(dá)的布置高度（即地面到雷達(dá)模塊中心點(diǎn)的距離），一般建議在500mm（滿載狀態(tài)）至800mm（空載狀態(tài)）之間。激光雷達(dá)是工作在光頻波段的雷達(dá)，它利用光頻波段的電磁波先向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)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(cè)、跟蹤和識(shí)別。激光雷達(dá)根據(jù)安裝位置的不同，分為兩大類，一類安裝在無(wú)人駕駛汽車的四周，另一類安裝在無(wú)人駕駛汽車的車頂。車載激光雷達(dá)普遍采用多個(gè)激光發(fā)射器和接收器，建立三維點(diǎn)云圖，從而達(dá)到實(shí)時(shí)環(huán)境感知的目的。第四節(jié)激光雷達(dá)激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)1）分辨率高激光雷達(dá)可以獲得極高的角度、距離和速度分辨率。通常激光雷達(dá)的角分辨率不低于0.1mard，也就是說(shuō)可以分辨3km距離上相距0.3m的兩個(gè)目標(biāo)，并可同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo)；距離分辨率可達(dá)0.1m；速度分辨率能達(dá)到10m/s以內(nèi)。2）探測(cè)范圍廣，探測(cè)距離可達(dá)300m左右。3）信息量豐富，可直接獲取探測(cè)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。4）全天候工作激光激光雷達(dá)，不依賴于外界光照條件或目標(biāo)本身的輻射特性，它只需發(fā)射自己的激光束，通過(guò)探測(cè)發(fā)射激光束的回波信號(hào)來(lái)獲取目標(biāo)信息；但容易受到大氣條件以及工作環(huán)境煙塵的影響，且不具備攝像頭能識(shí)別交通標(biāo)志的功能。毫米波雷達(dá)的組成智能網(wǎng)聯(lián)汽車激光雷達(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。1）收發(fā)天線向車輛前方發(fā)出發(fā)射信號(hào)，并接收反射信號(hào)。2）收發(fā)前端是雷達(dá)系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)信號(hào)調(diào)制、射頻信號(hào)的發(fā)射接收及接收信號(hào)解調(diào)。3）信號(hào)處理模塊自動(dòng)分析、計(jì)算與前方車輛的距離和相對(duì)速度，并且防止轉(zhuǎn)彎時(shí)錯(cuò)誤測(cè)量臨近車道車輛的情況發(fā)生。4）汽車控制裝置是控制汽車的自動(dòng)操作系統(tǒng)，達(dá)到自動(dòng)減速慢速行車，或緊急制動(dòng)。通過(guò)限制發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、調(diào)節(jié)制動(dòng)力及變速器擋位，控制汽車行駛速度。5）報(bào)警模塊根據(jù)設(shè)定的安全車距和報(bào)警距離，以適當(dāng)方式給駕駛?cè)藞?bào)警，保障汽車安全行駛。毫米波雷達(dá)的類型1．按有無(wú)機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件分激光雷達(dá)按有無(wú)機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，可分為機(jī)械激光雷達(dá)、固態(tài)激光雷達(dá)和混合固態(tài)激光雷達(dá)。（1）機(jī)械激光雷達(dá)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(cè)量精度相對(duì)較高，一般置于汽車頂部。（2）固態(tài)激光雷達(dá)固態(tài)激光雷達(dá)則依靠電子部件來(lái)控制激光發(fā)射角度，無(wú)須機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，故尺寸較小，可安裝于車體內(nèi)。（3）混合固態(tài)激光雷達(dá)混合固態(tài)激光雷達(dá)沒(méi)有大體積旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，采用固定激光光源，通過(guò)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(cè)的需要，并且采用嵌入式安裝。64線束、32線束和16線束的激光雷達(dá)毫米波雷達(dá)的類型2．根據(jù)線束數(shù)量的多少分根據(jù)線束數(shù)量的多少，激光雷達(dá)又可分為單線束激光雷達(dá)與多線束激光雷達(dá)。（1）單線束激光雷達(dá)單線束激光雷達(dá)掃描一次只產(chǎn)生一條掃描線，其所獲得的數(shù)據(jù)為2D數(shù)據(jù)，因此無(wú)法區(qū)別有關(guān)目標(biāo)物體的3D信息。但由于單線束激光雷達(dá)具有測(cè)量速度快、數(shù)據(jù)處理量少等特點(diǎn)，多被應(yīng)用于安全防護(hù)、地形測(cè)繪等領(lǐng)域。（2）多線束激光雷達(dá)多線束激光雷達(dá)掃描一次可產(chǎn)生多條掃描線。目前市場(chǎng)上多線束激光雷達(dá)產(chǎn)品包括4線束、8線束、16線束、32線束、64線束等，其細(xì)分可分為2.5D激光雷達(dá)及3D激光雷達(dá)。2.5D激光雷達(dá)與3D激光雷達(dá)最大的區(qū)別在于激光雷達(dá)垂直視野的范圍，前者垂直視野范圍一般不超過(guò)10°，而后者可達(dá)到30°甚至40°以上，這也就導(dǎo)致兩者對(duì)于激光雷達(dá)在汽車上的安裝位置要求有所不同。毫米波雷達(dá)的測(cè)距原理通過(guò)測(cè)算激光發(fā)射信號(hào)與激光回波信號(hào)的往返時(shí)間，從而計(jì)算出目標(biāo)的距離。首先，激光雷達(dá)發(fā)出激光束，激光束碰到障礙物后被反射回來(lái)，被激光接收系統(tǒng)進(jìn)行接收和處理，從而得知激光從發(fā)射至被反射回來(lái)并接收之間的時(shí)間，即激光的飛行時(shí)間，根據(jù)飛行時(shí)間，可以計(jì)算出障礙物的距離。根據(jù)所發(fā)射激光信號(hào)的不同形式，激光測(cè)距方式可分為脈沖法激光測(cè)距和相位法激光測(cè)距兩大類。脈沖法激光測(cè)距法是通過(guò)激光雷達(dá)的發(fā)射器發(fā)出脈沖激光照射到障礙物后會(huì)有部分激光反射回來(lái)，由激光雷達(dá)的接收器接收。S為發(fā)射器與目標(biāo)物間距離，c為光速，T為激光雷達(dá)內(nèi)部記錄的脈沖往返時(shí)間間隔，同時(shí)激光雷達(dá)內(nèi)部可以記錄發(fā)射和接收的飛行時(shí)間間隔，根據(jù)光速可以計(jì)算出要測(cè)量的距離。毫米波雷達(dá)的測(cè)距原理相位法激光測(cè)距法由激光發(fā)射器發(fā)出強(qiáng)度調(diào)制的連續(xù)激光信號(hào)，照射到障礙物后反射回來(lái)，測(cè)量光束在往返中會(huì)產(chǎn)生相位的變化，通過(guò)計(jì)算激光信號(hào)在雷達(dá)與障礙物之間來(lái)回飛行產(chǎn)生的相位差，換算出障礙物的距離。S為發(fā)射器與目標(biāo)物間距離，c為激光速度，為總的相位差，f為調(diào)制頻率。毫米波雷達(dá)的應(yīng)用激光雷達(dá)具有高精度電子地圖和定位、障礙物識(shí)別、可通行空間檢測(cè)、障礙物軌跡預(yù)測(cè)等功能。1）高精度電子地圖和定位利用多線束激光雷達(dá)的點(diǎn)云信息與車載組合慣導(dǎo)采集的信息，進(jìn)行高精度電子地圖制作。2）障礙物識(shí)別利用高精度電子地圖限定感興趣區(qū)域（ROI）后，根據(jù)障礙物特征和識(shí)別算法，進(jìn)行障礙物檢測(cè)與識(shí)別。4）障礙物軌跡預(yù)測(cè)根據(jù)激光雷達(dá)的感知數(shù)據(jù)與障礙物所在車道的拓?fù)潢P(guān)系（道路連接關(guān)系）進(jìn)行障礙物的軌跡預(yù)測(cè)，以此作為無(wú)人駕駛汽車規(guī)劃（避障、換道、超車等）的判斷依據(jù)。IBEOLUX（4線）激光雷達(dá)IBEOLUX（4線）激光雷達(dá)是德國(guó)IBEO公司借助高分辨率激光測(cè)量技術(shù)推出的第一款多功能汽車智能傳感器。它擁有110°的寬視角，0.3～200m的探測(cè)距離，絕對(duì)安全的1等級(jí)激光。IBEOLUX（4線）激光雷達(dá)不僅輸出原始掃描數(shù)據(jù)，同時(shí)輸出每個(gè)測(cè)量對(duì)象的數(shù)據(jù)，如位置、尺寸、縱向速度、橫向速度等，擁有遠(yuǎn)距離、智能分辨率、全天候等能力，結(jié)合110°的寬視角，在以下7個(gè)方面擁有出色的性能。（1）行人保護(hù)當(dāng)一個(gè)人出現(xiàn)在車輛行駛的前方路面上時(shí)，需要車輛提供保護(hù)的場(chǎng)合。IBEOLUX（4線）激光雷達(dá)能檢測(cè)0.3～30m視場(chǎng)范圍內(nèi)的所有行人。通過(guò)分析對(duì)象的外形、速度和腿部移動(dòng)來(lái)區(qū)分行人與普通物體，傳感器在啟動(dòng)安全保護(hù)措施前300ms時(shí)發(fā)出警告，這樣便可在發(fā)生碰撞之前保護(hù)行人。（2）自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的啟和?；贗BEOLUX（4線）激光雷達(dá)的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)可在0～200km/h的速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行駛，可在沒(méi)有駕駛?cè)藥椭那闆r下自動(dòng)調(diào)整車速，如有必要，制動(dòng)停行。寬視場(chǎng)范圍使得它能及時(shí)地檢測(cè)到并線的車輛，并且快速判斷它的橫向速度。（3）車道偏離預(yù)警IBEOLUX（4線）激光雷達(dá)可以檢測(cè)車輛行駛前方車道線標(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。如果車輛可能會(huì)偏離航線，系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)出預(yù)警。（4）自動(dòng)緊急制動(dòng)IBEOLUX（4線）激光雷達(dá)實(shí)時(shí)檢測(cè)車輛行駛前方所有靜止的和移動(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)。該系統(tǒng)僅在駕駛員不能避免碰撞的情況下才動(dòng)作，因?yàn)樗尫抛畲蟮膲毫χ钡杰囕v停止，它能充分的降低強(qiáng)烈速度沖擊和由此帶來(lái)的并發(fā)事故。（5）預(yù)碰撞處理通過(guò)分析所有的環(huán)境掃描數(shù)據(jù)，不管是即將發(fā)生什么樣的碰撞（如擦碰），預(yù)碰撞功能都會(huì)在碰撞發(fā)生前100ms發(fā)出警告。IBEOLUX（4線）激光雷達(dá)能計(jì)算出碰撞的初始接觸點(diǎn)并且采取措施以減小碰撞，提前啟動(dòng)安全系統(tǒng)。（6）交通擁堵輔助針對(duì)城市擁堵路況，IBEOLUX（4線）激光雷達(dá)能夠在上下班路上消除頻繁啟停而帶來(lái)的煩惱。駕駛?cè)酥恍枵莆蘸闷囖D(zhuǎn)向盤(pán)，該功能在時(shí)速小于30km/h的路況下顯得尤為重要。緩和的加/減速度和可靠的行人保護(hù)功能，使車輛駕駛既安全又省心。（7）低速防碰撞功能行駛途中，哪怕是一小會(huì)的分神也有可能導(dǎo)致事故發(fā)生，引入低速防碰撞功能，使得以前在30km/h時(shí)速下時(shí)常發(fā)生的類似事故不再發(fā)生，IBEOLUX（4線）激光雷達(dá)檢測(cè)并分析前方的路況，車輛會(huì)在發(fā)生碰撞前自動(dòng)停駛，駕駛員可安全到達(dá)目的地。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。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(jué)傳感器常稱為一個(gè)智能圖像采集與處理單元。內(nèi)部程序存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)圖像處理算法，并能使用計(jì)算機(jī)，利用專用組態(tài)軟件編制各種算法并下載到視覺(jué)傳感器的程序存儲(chǔ)器中。第五節(jié)視覺(jué)傳感器視覺(jué)傳感器的特點(diǎn)1）視覺(jué)圖像的信息量極為豐富，尤其是彩色圖像，不僅包含視野內(nèi)物體的距離信息，還有物體的顏色、紋理、深度和形狀等信息。2）在視野范圍內(nèi)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)道路檢測(cè)、車輛檢測(cè)、行人檢測(cè)、交通標(biāo)志檢測(cè)、交通信號(hào)燈檢測(cè)等，信息獲取面積大。當(dāng)多輛智能網(wǎng)聯(lián)汽車同時(shí)工作時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)相互干擾的現(xiàn)象。3）視覺(jué)信息獲取的是實(shí)時(shí)的場(chǎng)景圖像，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）視覺(jué)傳感器應(yīng)用廣泛，在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中可以前視、后視、側(cè)視、內(nèi)視、環(huán)視等。以前視為例，夜視、車道偏離預(yù)警、碰撞預(yù)警、交通標(biāo)志識(shí)別等要求視覺(jué)系統(tǒng)在各種天氣、路況條件下，能夠清晰識(shí)別車道線、車輛、障礙物、交通標(biāo)志等。視覺(jué)傳感器的類型視覺(jué)傳感器在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的應(yīng)用是以攝像頭方式出現(xiàn)的，主要用于車道偏離預(yù)警系統(tǒng)、車道保持輔助系統(tǒng)、盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)制動(dòng)輔助系統(tǒng)中的障礙物檢測(cè)和道路檢測(cè)等。攝像頭一般分為單目、雙目、三目和環(huán)視等類型。1．單目攝像頭單目攝像頭一般安裝在前擋風(fēng)玻璃上部，用于探測(cè)車輛前方環(huán)境，識(shí)別道路、車輛、行人等。先通過(guò)圖像匹配進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別（各種車型、行人、物體等），再通過(guò)目標(biāo)在圖像中的大小去估算目標(biāo)距離。這就要求對(duì)目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，然后要建立并不斷維護(hù)一個(gè)龐大的樣本特征數(shù)據(jù)庫(kù)，保證這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)包含待識(shí)別目標(biāo)的全部特征數(shù)據(jù)。如果缺乏待識(shí)別目標(biāo)的特征數(shù)據(jù)，就無(wú)法估算目標(biāo)的距離，導(dǎo)致ADAS的漏報(bào)。單目攝像頭的優(yōu)點(diǎn)是成本低廉，能夠識(shí)別具體障礙物的種類，且識(shí)別準(zhǔn)確；缺點(diǎn)是由于其識(shí)別原理導(dǎo)致其無(wú)法識(shí)別沒(méi)有明顯輪廓的障礙物，工作準(zhǔn)確率與外部光線條件有關(guān)，并且受限于數(shù)據(jù)庫(kù)，沒(méi)有自學(xué)習(xí)功能。2．雙目攝像頭雙目攝像頭是通過(guò)對(duì)兩幅圖像視差的計(jì)算，直接對(duì)前方景物（圖像所拍攝到的范圍）進(jìn)行距離測(cè)量，而無(wú)須判斷前方出現(xiàn)的是什么類型的障礙物。依靠?jī)蓚€(gè)平行布置的攝像頭產(chǎn)生的視差，找到同一個(gè)物體所有的點(diǎn)，依賴精確的三角測(cè)距，就能夠算出攝像頭與前方障礙物的距離，實(shí)現(xiàn)更高的識(shí)別精度和更遠(yuǎn)的探測(cè)范圍。相比單目攝像頭，雙目攝像頭沒(méi)有識(shí)別率的限制，無(wú)須先識(shí)別，可直接進(jìn)行測(cè)量；直接利用視差計(jì)算距離精度更高；無(wú)須維護(hù)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)。但因?yàn)闄z測(cè)原理上的差異，雙目視覺(jué)方案在距離測(cè)算上相比于單目，其硬件成本和計(jì)算量級(jí)都大幅增加。3．三目攝像頭三目攝像頭感知范圍更大，但同時(shí)標(biāo)定三個(gè)攝像頭，工作量大。4．環(huán)視攝像頭環(huán)視攝像頭一般至少包括4個(gè)攝像頭，實(shí)現(xiàn)360°環(huán)境感知。攝像頭分為紅外攝像頭和普通攝像頭：紅外攝像頭既適合白天工作，也適合黑夜工作；普通攝像頭只適合白天工作，不適合黑夜工作。目前車輛上使用的主要是紅外攝像頭。視覺(jué)傳感器的功能視覺(jué)傳感器具有車道線識(shí)別、障礙物檢測(cè)、交通標(biāo)志和地面標(biāo)志識(shí)別、交通信號(hào)燈識(shí)別、可行空間檢測(cè)等功能。（1）車道線識(shí)別。車道線是視覺(jué)傳感器能夠感知的最基本的信息，擁有車道線識(shí)別功能，即可實(shí)現(xiàn)高速公路的車道保持功能。（2）障礙物檢測(cè)。障礙物種類很多，如汽車、行人、自行車、動(dòng)物等，有了障礙物信息，無(wú)人駕駛汽車即可完成車道內(nèi)的跟車行駛。（3）交通標(biāo)志和地面標(biāo)志識(shí)別。交通標(biāo)志和地面標(biāo)志可作為道路特征與高精度地圖做匹配后輔助定位，也可以基于這些感知結(jié)果進(jìn)行地圖的更新。（4）交通信號(hào)燈識(shí)別。交通信號(hào)燈狀態(tài)的感知能力對(duì)于城區(qū)行駛的無(wú)人駕駛汽車十分重要。