智能網(wǎng)聯(lián)汽車概論 課件 2-2 了解智能網(wǎng)聯(lián)汽車?yán)走_(dá)的類型及應(yīng)用

智能網(wǎng)聯(lián)汽車概論能力模塊二

掌握環(huán)境感知技術(shù)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的應(yīng)用方式任務(wù)二

了解智能網(wǎng)聯(lián)汽車?yán)走_(dá)的類型及應(yīng)用新授Newteaching1目錄一、超聲波雷達(dá)二、毫米波雷達(dá)三、激光雷達(dá)

超聲波雷達(dá)是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，工作在20kHz以上，通過送波器將超聲波向?qū)ο笪锇l(fā)送，通過收波器接收反射波，來檢測對(duì)象物的有無，以及通過計(jì)算從超聲波發(fā)射到接收所需要的時(shí)間和聲速的關(guān)系，來計(jì)算雷達(dá)和對(duì)象物之間的距離。超聲波雷達(dá)可以消除駕駛員停車泊車、倒車和起動(dòng)車輛時(shí)前、后、左、右探視帶來的麻煩，幫助駕駛員消除盲點(diǎn)和視線模糊缺陷，提高行車安全性。右圖中用藍(lán)色圓圈畫出的區(qū)域中即為四個(gè)后向超聲波雷達(dá)。一、超聲波雷達(dá)（一）超聲波雷達(dá)的定義超聲波雷達(dá)示意圖超聲波雷達(dá)主要由發(fā)射傳感器、接收傳感器、控制部分與電源等組成。超聲波雷達(dá)有一個(gè)發(fā)射頭和一個(gè)接收頭，安裝在同一面上。超聲波測距傳感器可以通過模擬接口和IIC接口兩種方式將數(shù)據(jù)傳輸給控制單元。一、超聲波雷達(dá)

超聲波雷達(dá)結(jié)構(gòu)組成（二）超聲波雷達(dá)的組成結(jié)構(gòu)超聲波的能量消耗較緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離比較遠(yuǎn)，穿透性強(qiáng)，靈敏度較高，探測精度高，抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)一、超聲波雷達(dá)

（三）超聲波雷達(dá)的特點(diǎn)對(duì)天氣變化不敏感，可以在室內(nèi)、黑暗中使用，測距的方法簡單，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，信息處理簡單可靠，易于小型化與集成化，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。在速度很高情況下測量距離有一定的局限性：

（1）高速及遠(yuǎn)距離測量時(shí)誤差較大。

（2）對(duì)溫度敏感性強(qiáng)。

（3）無法精確描述障礙物位置。一、超聲波雷達(dá)分類方式超聲波雷達(dá)類型備注cc探頭工作頻率不同40kHz、48kHz、58kHz頻率越高，靈敏度越高，水平與垂直方向的探測角度也就越小，故一般采用40kHz的探頭。使用場景不同超聲波泊車輔助（UltrasonicParkingAssistant，UPA）UPA是一種短程超聲波，主要安裝在汽車前后保險(xiǎn)杠上，是用于測量汽車前后障礙物的倒車?yán)走_(dá)，檢測范圍為25cm～250cm。由于檢測距離小，多普勒效應(yīng)[]和溫度干擾小，檢測更準(zhǔn)確。全自動(dòng)泊車輔助（AutomaticParkingAssistant，APA）APA是一種遠(yuǎn)程超聲波傳感器，主要安裝在車身側(cè)面，用于測量側(cè)方障礙物距離，檢測范圍為35cm～500cm，可覆蓋一個(gè)停車位，方向性強(qiáng)，探頭的波傳播性能優(yōu)于UPA，相比于UPA成本更高，功率也更大。結(jié)構(gòu)不同直探頭、斜探頭、表面波探頭、雙探頭、聚焦探頭、水浸探頭以及其他專用探頭。

安裝方式直射式

反射式

超聲波換能器工作的物理效應(yīng)不同電動(dòng)式、電磁式、磁致伸縮式、壓電式壓電式最為常用（四）超聲波雷達(dá)的類型一、超聲波雷達(dá)超聲波雷達(dá)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中最常見的應(yīng)用是自動(dòng)泊車輔助系統(tǒng)，如圖所示。自動(dòng)泊車輔助系統(tǒng)包含8個(gè)UPA傳感器和4個(gè)APA傳感器。泊車過程圖（五）超聲波雷達(dá)的應(yīng)用

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)，APA傳感器會(huì)自動(dòng)檢測兩側(cè)外部空間，探測到的所有適合的空間會(huì)被系統(tǒng)儲(chǔ)存下來，按下?lián)Q擋手柄右側(cè)功能鍵便可在儀表板顯示屏上顯示此時(shí)的周圍狀態(tài)。如果空間足夠泊車，駕駛?cè)丝梢酝＼嚭髵烊氲箼n，并慢速倒車。

毫米波雷達(dá)是工作在毫米波波段的探測雷達(dá)。毫米波是指波長為1~10mm的電磁波，對(duì)應(yīng)的頻率范圍為30~300GHz。毫米波雷達(dá)外觀圖如圖所示。二、毫米波雷達(dá)（一）毫米波雷達(dá)的定義車載毫米波雷達(dá)外觀圖毫米波雷達(dá)由雷達(dá)整流罩、雷達(dá)PCB板、壓鑄底板、集成電路（MMIC）和獨(dú)立鏈接器組成。圖中為毫米波雷達(dá)零件分解圖。二、毫米波雷達(dá)（二）毫米波雷達(dá)的結(jié)構(gòu)毫米波激光雷達(dá)零件分解圖二、毫米波雷達(dá)毫米波雷達(dá)類型（二）毫米波雷達(dá)的類型應(yīng)用在智能網(wǎng)聯(lián)汽車領(lǐng)域的毫米波雷達(dá)主要有3個(gè)頻段，分別是24GHz，77GHz和79GHz，如圖所示，不同頻段的毫米波雷達(dá)有著不同的性能。二、毫米波雷達(dá)（二）毫米波雷達(dá)的類型

24GHz頻段：

24GHz頻段上的雷達(dá)的檢測距離有限，因此常用于檢測近處的障礙物（車輛）。在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中常用于感知車輛近處的障礙物，為換道決策提供感知信息，在ADAS中可用于盲點(diǎn)檢測、變道輔助等。77GHz頻段性能良好的77GHz雷達(dá)的最大檢測距離可以達(dá)到160米以上，因此常被安裝在前保險(xiǎn)杠上，正對(duì)汽車的行駛方向。79GHz頻段79GHz頻段的傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)的功能與77GHz頻段雷達(dá)功能一樣，也是用于長距離測量。二、毫米波雷達(dá)（三）毫米波雷達(dá)的特點(diǎn)1.探測性能穩(wěn)定，金屬電磁反射強(qiáng)，其探測不受顏色與溫度的影響。2.識(shí)別精度高，響應(yīng)速度快，傳播速度與光速一樣，可以快速地測量出目標(biāo)的距離、速度和角度等信息。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。4.帶寬越大，天線越小，功率越集中，探測距離越遠(yuǎn)，可達(dá)到200m以上。二、毫米波雷達(dá)（三）毫米波雷達(dá)的特點(diǎn)5.抗干擾能力強(qiáng)，一般工作在高頻段，而周圍噪聲和干擾處于中低頻區(qū)，基本上不會(huì)影響毫米波雷達(dá)的正常運(yùn)行。6.毫米波元件的尺寸比微波小得多，更容易實(shí)現(xiàn)小型化。7.毫米波雷達(dá)是利用目標(biāo)對(duì)電磁波的反射來發(fā)現(xiàn)并測定目標(biāo)位置，而充滿雜波的外部環(huán)境給毫米波雷達(dá)感知帶來經(jīng)常帶來虛警問題。8.覆蓋區(qū)域呈扇形，有盲點(diǎn)區(qū)域。9.毫米波雷達(dá)分辨率低，無法識(shí)別交通標(biāo)志、交通信號(hào)燈和道路標(biāo)線。二、毫米波雷達(dá)（四）毫米波雷達(dá)的應(yīng)用為了滿足不同距離范圍的探測需要，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，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。毫米波雷達(dá)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車ADAS中的應(yīng)用，具體應(yīng)用見表。車載毫米波雷達(dá)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的應(yīng)用毫米波雷達(dá)類型近距離中距離遠(yuǎn)距離探測距離/m<60100左右>200工作頻段/GHz247777功能自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)__前方前方自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)__前方前方前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)__前方前方行人監(jiān)測系統(tǒng)前方前方__盲區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)前方、后方側(cè)方__變道輔助系統(tǒng)后方后方__后防碰撞預(yù)警系統(tǒng)后方后方__自動(dòng)泊車輔助系統(tǒng)側(cè)方側(cè)方__駐車開門輔助系統(tǒng)側(cè)方____激光雷達(dá)是一種光學(xué)遙感傳感器，它通過向目標(biāo)物體發(fā)射激光，然后根據(jù)接收—反射的時(shí)間間隔確定目標(biāo)物體的實(shí)際距離，根據(jù)距離及激光發(fā)射的角度，通過幾何變化推導(dǎo)出物體的位置信息。激光雷達(dá)是集激光、全球定位系統(tǒng)（GPS）和IMU慣性測量裝置三大技術(shù)為一體的系統(tǒng)，能夠確定物體的位置、大小、運(yùn)動(dòng)速度、外部形貌甚至材質(zhì)。三、激光雷達(dá)（一）激光雷達(dá)的定義多線激光雷達(dá)激光雷達(dá)采集到的物體信息呈現(xiàn)出一系列分散的、具有準(zhǔn)確角度和距離信息的點(diǎn)，被稱為點(diǎn)云。如圖所示，為多線激光雷達(dá)掃描的不同類型障礙物的點(diǎn)云圖，包括汽車、人、墻、樹木、公交車和小貨車等。與傳統(tǒng)雷達(dá)使用無線電波相比，LiDAR使用激光射線，其射線波長一般在600~1000nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)雷達(dá)所使用的波長。因此，LiDAR在測量物體距離和表面形狀可達(dá)到更高的精準(zhǔn)度，一般精準(zhǔn)度可以達(dá)到厘米級(jí)。由于激光的傳播受外界環(huán)境影響較小，LiDAR能夠檢測的距離一般可達(dá)100m以上。三、激光雷達(dá)多線激光雷達(dá)點(diǎn)云圖（二）激光雷達(dá)的點(diǎn)云

激光雷達(dá)由發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)、接收光學(xué)系統(tǒng)、主控及處理電路板、探測器接收電路模塊、激光器及驅(qū)動(dòng)模塊組成。右圖為單線激光雷達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。三、激光雷達(dá)（二）車載激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)單線激光雷達(dá)零件分解圖我們看到的智能網(wǎng)聯(lián)測試車車頂上較復(fù)雜的圓柱形裝置，即為機(jī)械式激光雷達(dá)。機(jī)械激光雷達(dá)外表上最大的特點(diǎn)就是有機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如圖所示。三、激光雷達(dá)（三）激光雷達(dá)的類型1.按掃描方式分類：（1）機(jī)械激光雷達(dá)機(jī)械激光雷達(dá)（2）固態(tài)激光雷達(dá)：由于不存在旋轉(zhuǎn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小，如圖所示，所有的激光探測水平和垂直視角都是通過電子方式實(shí)現(xiàn)的，并且裝配調(diào)試可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，能夠量產(chǎn)，成本大幅降低，設(shè)備的耐用性也有效地提高了。因此，激光雷達(dá)量產(chǎn)商都在著手開發(fā)性能更好、體積更小、集成化程度更高，并且成本更低的激光雷達(dá)，由混合固態(tài)過渡到純固態(tài)激光雷達(dá)是必然的技術(shù)發(fā)展路線。三、激光雷達(dá)（三）激光雷達(dá)的類型固態(tài)激光雷達(dá)1.按掃描方式分類：（2）固態(tài)激光雷達(dá)：固態(tài)激光雷達(dá)在不良天氣條件下檢測性能較差，不能實(shí)現(xiàn)全天候工作。且機(jī)械激光雷達(dá)能進(jìn)行360゜范圍的掃描，固態(tài)式激光雷達(dá)一般為120゜范圍的向前掃描。根據(jù)技術(shù)路線不同，固態(tài)激光雷達(dá)又分為光學(xué)相控陣OPA（OpticalPhasedArray）激光雷達(dá)、微機(jī)電系統(tǒng)MEMS（Micro-ElectroMechanicalSystems）激光雷達(dá)和3DFlash激光雷達(dá)。三、激光雷達(dá)固態(tài)激光雷達(dá)1.按掃描方式分類：（三）激光雷達(dá)的類型（1）單線激光雷達(dá)：單線激光雷達(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)，因此無法區(qū)別有關(guān)目標(biāo)物體的3D信息，如圖所示。由于單線激光雷達(dá)比多線激光雷達(dá)在角頻率和靈敏度更快，所以，在測試周圍障礙物的距離和精度上都更加精確。線雷達(dá)只能平面式掃描，不能測量物體高度，有一定局限性。目前，主要應(yīng)用于服務(wù)機(jī)器人身上，如掃地機(jī)器人。在智能車上，單線激光雷達(dá)主要用于規(guī)避障礙物、地形測繪等領(lǐng)域。三、激光雷達(dá)單線激光雷達(dá)2.按雷達(dá)線數(shù)分類：（三）激光雷達(dá)的類型（2）多線激光雷達(dá)：多線激光雷達(dá)掃描一次可產(chǎn)生多條掃描線，主要應(yīng)用于障礙物的雷達(dá)成像，相比單線激光雷達(dá)在維度提升和場景還原上有了質(zhì)的改變，可以識(shí)別物體的高度信息，目前市場上多線產(chǎn)品包括4線、8線、16線、32線、64線等，如圖所示為16線激光雷達(dá)。三、激光雷達(dá)多線激光雷達(dá)2.按雷達(dá)線數(shù)分類（三）激光雷達(dá)的類型激光雷達(dá)按照功能用途，可以分為激光測距雷達(dá)、激光測速雷達(dá)、激光成像雷達(dá)、大氣探測雷達(dá)和跟蹤雷達(dá)等；按照激光發(fā)射波形分類可分為連續(xù)型激光雷達(dá)和脈沖型激光雷達(dá)；按載荷平臺(tái)分類可分為機(jī)載激光雷達(dá)，車載激光雷達(dá)等；按探測方式分類可分為直接探測激光雷達(dá)和相干探測激光雷達(dá)。三、激光雷達(dá)3.其他分類方式（三）激光雷達(dá)的類型三、激光雷達(dá)（四）激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)主要內(nèi)容具有極高的分辨率激光雷達(dá)工作于光學(xué)波段，頻率比微波高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此，與微波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)具有極高的距離分辨率、角分辨率和速度分辨率?？垢蓴_能力強(qiáng)激光波長短，可發(fā)射發(fā)散角非常?。é蘲ad量級(jí)）的激光束，多路徑效應(yīng)?。ú粫?huì)形成定向發(fā)射，與微波或者毫米波產(chǎn)生多路徑效應(yīng)），可探測低空/超低空目標(biāo)。獲取的信息量豐富可直接獲取目標(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?？扇鞎r(shí)工作激光主動(dòng)探測，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，通過探測發(fā)射激光束的回波信號(hào)來獲取目標(biāo)信息。三、激光雷達(dá)（五）激光雷達(dá)的應(yīng)用

智能網(wǎng)聯(lián)汽車通過激光雷達(dá)對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行掃描識(shí)別，從而引導(dǎo)車輛行進(jìn)。激光雷達(dá)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中起著類似于“眼睛”的功能，能夠根據(jù)掃描到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速繪制3D全景地圖。

主要應(yīng)用場景有：障礙物分類、障礙物跟蹤、路沿可行駛區(qū)域檢測、車道標(biāo)志線檢測和高精度定位等。三、激光雷達(dá)

應(yīng)用場景010203障礙物分類激光雷達(dá)對(duì)周圍障礙物進(jìn)行掃描，對(duì)障礙物的形狀特征進(jìn)行提取，對(duì)比數(shù)據(jù)庫原有特征數(shù)據(jù)，進(jìn)行障礙物分類。障礙物跟蹤激光雷達(dá)采用相關(guān)算法對(duì)比前后幀變化障礙物，利用同一障礙物的坐標(biāo)變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的速度和航向的檢測跟蹤，為后續(xù)避障提供可靠的數(shù)據(jù)信息高精度定位首先GPS給定初始位置，通過IMU（慣性測量元件）和車輛的Encoder（編碼器）可以得到車輛的初始位置，然后對(duì)激光雷達(dá)的局部點(diǎn)云信息，包括點(diǎn)線面的幾何信息和語義信息進(jìn)行