智能網(wǎng)聯(lián)汽車概論 課件 單元3 環(huán)境感知系統(tǒng)

單元三環(huán)境感知系統(tǒng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車概論學(xué)習(xí)導(dǎo)入

和人類駕駛員一樣，自動駕駛系統(tǒng)在做駕駛決策時需要首先明確幾個問題：我在哪兒？周邊環(huán)境如何？接下來會發(fā)生什么？知道了這幾個問題的答案后，自動駕駛系統(tǒng)才能夠做出決策：我該做什么？了解環(huán)境感知系統(tǒng)的含義及組成。掌握視覺傳感器的工作原理、性能參數(shù)和特點。掌握超聲波雷達(dá)的工作原理、性能參數(shù)和特點。掌握毫米波雷達(dá)的工作原理、性能參數(shù)和特點。掌握激光雷達(dá)的工作原理、性能參數(shù)和特點。理解不同環(huán)境感知傳感器的性能比較。理解多傳感器融合技術(shù)的含義和必要性。通過不同傳感器特性的對比分析學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生充分發(fā)掘自身的優(yōu)點，學(xué)會揚長避短。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)內(nèi)容

環(huán)境感知系統(tǒng)簡介

視覺傳感器超聲波雷達(dá)毫米波雷達(dá)激光雷達(dá)傳感器性能比較及多傳感器融合技術(shù)一、環(huán)境感知系統(tǒng)簡介環(huán)境感知系統(tǒng)相當(dāng)于人的眼睛和耳朵等感覺器官，它利用視覺傳感器、超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等主要車載傳感器感知周圍環(huán)境，為智能網(wǎng)聯(lián)汽車的決策系統(tǒng)提供依據(jù)，是自動系統(tǒng)的首要條件，它的性能將決定智能網(wǎng)聯(lián)汽車能否適應(yīng)復(fù)雜多變的交通環(huán)境。環(huán)境感知的對象包括周邊車輛、行人等各種障礙物、道路標(biāo)識信息、交通標(biāo)志、交通信號燈等。環(huán)境感知的對象有靜止的，如靜止的障礙物、道路標(biāo)識信息、交通標(biāo)志、交通信號燈等，也有移動的，如車輛、行人等移動的障礙物。對于移動的對象，不僅要檢測，還要對其軌跡進(jìn)行追蹤，并根據(jù)追蹤結(jié)果，預(yù)測該對象下一步的軌跡位置。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車的環(huán)境感知系統(tǒng)由信息采集模塊、信息處理模塊和信息傳輸模塊組成。信息采集模塊利用視覺傳感器、超聲波傳感器、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等各種傳感器檢測得到周邊環(huán)境的原始數(shù)據(jù)，如通過視覺傳感器采集周邊環(huán)境圖片，超聲波雷達(dá)采集距離，激光雷達(dá)采集周圍環(huán)境3D點云等。信息處理模塊對信息采集單元輸送來的原始數(shù)據(jù)信號進(jìn)行運算處理，通過一定的算法對車輛和行人等障礙物、道路標(biāo)識、交通標(biāo)志、交通信號燈等進(jìn)行識別，如對采集到的原始圖片通過算法識別出道路線、交通標(biāo)志、障礙物等，在激光雷達(dá)3D點云中通過特征識別實現(xiàn)障礙物檢測等。信息傳輸模塊接收將信息處理模塊得到的障礙物、車道線、危險警示等信息，發(fā)送到車載網(wǎng)絡(luò)或無線通訊系統(tǒng)中。二、視覺傳感器（一）視覺傳感器簡介及工作原理視覺傳感器成本低，技術(shù)成熟，在車輛中被廣泛使用，從最早出現(xiàn)的倒車后視攝像頭，到環(huán)視攝像頭、車道偏離報警系統(tǒng)中的前視攝像頭，它們都屬于視覺傳感器。視覺傳感器主要由鏡頭、感光傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像處理器、圖像存儲器等組成。光線通過鏡頭的折射后，被感光傳感器（CCD或CMOS）捕獲，生成模擬圖像信號，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號，之后由圖像處理器生成壓縮圖像信號，存儲在圖像存儲器中，如圖3-1所示。

視覺傳感器通過數(shù)字化的圖像對環(huán)境信息編碼，典型的圖像編碼格式有RGB、灰度圖等，編碼的目的是使信息可以被計算機(jī)處理。智能網(wǎng)聯(lián)汽車中使用的圖像處理方法算法主要來源于計算機(jī)視覺中的圖像處理技術(shù)。圖3-1視覺傳感器工作原理

智能網(wǎng)聯(lián)汽車所用視覺傳感器的性能參數(shù)主要包括像素、幀率和視場角、動態(tài)范圍、工作溫度等。（1）像素。像素是圖像中的最小單位。在視覺傳感器中，每一個感光單元都對應(yīng)著一個像素。一幅圖像中的像素個數(shù)被稱為圖像解析度。用來表示一幅圖像的像素數(shù)目越多，結(jié)果就越接近原始圖像，圖像越清晰。但攝像頭的像素越高，對于圖像處理器的硬件要求就越高，目前車載攝像頭一般選用在30萬-120萬像素之間。（2）幀率。幀率是指圖像在單位時間內(nèi)的刷新次數(shù)。在140km/h的車速下，車輛每秒會移動40m的距離，圖像傳感器采集圖像的幀率會影響到系統(tǒng)感知到環(huán)境變化的實時性。（二）視覺傳感器主要性能參數(shù)為避免獲取到兩次圖像間隔期間車輛駛過的距離過長，至少要求車載攝像頭具有不低于30frame/s的幀率，以保證在車輛行駛時獲得足夠的信息。（3）視場角。視場角是指視覺傳感器的視野范圍，也用FOV（FieldofView）來表示。由于前視攝像頭對于視距的要求較遠(yuǎn)，所以一般采用55°左右的視場角。環(huán)視和后視攝像頭要求的視場角范圍較大，通常采用135°以上的廣角攝像頭。（4）動態(tài)范圍。當(dāng)強光源照射下的高亮度區(qū)域和陰影、逆光等低亮度區(qū)域在圖像中同時存在時，攝像機(jī)輸出的圖像會出現(xiàn)明亮區(qū)域因曝光過度成為白色，而黑暗區(qū)域因曝光不足成為黑色。攝像機(jī)在同一場景中對最亮區(qū)域及較暗區(qū)域的表現(xiàn)是存在局限的，圖像中所包含的從“最暗”至“最亮”的范圍。

即攝像頭可以捕獲的光線水平范圍就是動態(tài)范圍。智能網(wǎng)聯(lián)汽車所用攝像頭需要具有高動態(tài)范圍的特性，以保證其在較暗環(huán)境及明暗差異較大的環(huán)境中都能正確識別和感知。（5）工作溫度。相比于工業(yè)級和消費級攝像頭，車載攝像頭對于工作溫度的要求更嚴(yán)格，需要在-40到80攝氏度的環(huán)境下都能夠正常工作。（6）防磁抗震性能。車輛在啟動是會產(chǎn)生較高的電磁脈沖，因此車載攝像頭必須具備較強的防磁抗震性能。（7）使用壽命。車載攝像頭的壽命要求較長，至少需要滿足8-10年以上。（三）視覺傳感器分類

視覺傳感器根據(jù)攝像頭的數(shù)量及其能夠提供的環(huán)境信息特征，可以分為單目攝像頭、雙目攝像頭和360°環(huán)視攝像頭。

單目攝像頭是利用單個攝像頭實現(xiàn)環(huán)境感知。如圖3-2所示安裝在前擋風(fēng)玻璃上部的單目攝像頭，可以用于車道偏離報警系統(tǒng)中識別前方車道線，也可用于識別前方的車輛、行人等障礙物。圖3-2前視單目攝像頭

利用單目攝像頭實現(xiàn)障礙物識別，需要建立并不斷維護(hù)一個龐大的樣本數(shù)據(jù)庫，保證這個數(shù)據(jù)庫包含待識別目標(biāo)的全部特征數(shù)據(jù)。單目攝像頭通過圖像匹配進(jìn)行目標(biāo)識別，之后再通過目標(biāo)在圖像中的大小去估算目標(biāo)距離。如果樣本數(shù)據(jù)庫中缺乏待識別目標(biāo)的特征數(shù)據(jù)，就無法識別出目標(biāo)，造成漏報。基于單目攝像頭的障礙物識別成本低廉，且能夠識別具體障礙物的種類，但是由于其識別原理導(dǎo)致它識別能力受限于樣本數(shù)據(jù)庫，其沒有自學(xué)習(xí)功能。

如圖3-3所示，雙目攝像頭包含兩個具有一定位置關(guān)系的攝像頭，依靠兩個平行布置的攝像頭產(chǎn)生的視差，找到同一個物體所有的點，依賴精確的三角測距，就能夠算出攝像頭與前方障礙物的距離。視差就是從兩個點上觀察同一個目標(biāo)所產(chǎn)生的差異。人類之所以能夠產(chǎn)生有空間感的立體視覺效果，就是因為兩只眼睛視差的存在。雙目攝像頭利用仿生學(xué)原理，通過標(biāo)定后的雙攝像頭同步得到曝光圖像，再通過計算獲取得到二維圖像中每個像素點對應(yīng)的深度信息。圖3-3雙目攝像頭

與單目攝像頭相比較，雙目攝像頭無須先識別再測量，無需維護(hù)樣本數(shù)據(jù)庫，利用視差直接計算得到距離的精度更高。但雙目攝像頭的測距精度依賴于兩個攝像頭的相對位置關(guān)系，其安裝精度和設(shè)備結(jié)構(gòu)剛性要求高。此外，雙目攝像頭實現(xiàn)距離測算所需的計算量很大，對硬件的要求高。

如圖3-4所示，360°環(huán)視攝像頭通常包含四個魚眼攝像頭，分別安裝在車輛前方、左右側(cè)面、后方。首先將四個魚眼攝像頭采集到的原始圖像進(jìn)行矯正畸變和逆透視變換，相鄰攝像頭采集到的圖像中會有重合區(qū)域，通過對齊重合區(qū)域，可以將四副圖像進(jìn)行拼接剪裁，最終得到車身360°環(huán)視圖像。圖3-4360°環(huán)視攝像頭安裝位置（四）視覺傳感器特點及應(yīng)用現(xiàn)狀視覺傳感器可以采集到最近接人眼獲取的周邊環(huán)境信息，具有以下優(yōu)點：（1）成本低，技術(shù)成熟。（2）采集到圖像的信息量豐富。它不僅包含有視野內(nèi)物體的距離信息，而且還包含了該物體的顏色、紋理和形狀等信息，可實現(xiàn)對交通標(biāo)志的識別，對車道線的識別，對停車線的識別等。這是視覺傳感器和雷達(dá)傳感器相比的一大優(yōu)勢。（1）受到光線、天氣條件影響較大，在惡劣的天氣和類似隧道的昏暗環(huán)境中其性能大大降低。（2）利用視覺傳感器實現(xiàn)物體識別通常需要基于機(jī)器學(xué)習(xí)資料庫，需要的訓(xùn)練樣本量較大，訓(xùn)練周期也較長，且難以識別出非標(biāo)準(zhǔn)障礙物。目前，視覺傳感器在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中被廣泛使用于車道偏離預(yù)警、交通標(biāo)志識別、行人碰撞預(yù)警、駕駛員疲勞監(jiān)測等系統(tǒng)。在車道偏離預(yù)警系統(tǒng)中，通過前視攝像頭，檢測前方車道線，當(dāng)車輛即將偏離車道線時，系統(tǒng)發(fā)出警告提示駕駛員。在交通標(biāo)志識別系統(tǒng)中，利用前視攝像頭識別前方的交通標(biāo)志，并給與駕駛員適當(dāng)提示。在行人碰撞預(yù)警系統(tǒng)中，利用前視攝像頭標(biāo)記識別前方道路行人，在可能發(fā)生碰撞時發(fā)出警報。在駕駛員疲勞監(jiān)測系統(tǒng)中，當(dāng)車速超過一定閾值時系統(tǒng)被激活，通過圖像分析對駕駛員的面部和眼睛特征進(jìn)行疲勞評估，如果系統(tǒng)監(jiān)測到駕駛員正在疲勞駕駛，會提示駕駛員適當(dāng)休息。視覺傳感器也存在其固有的缺點三、超聲波雷達(dá)發(fā)聲體產(chǎn)生的振動在空氣或其他物質(zhì)中的傳播叫做聲波。人能夠聽見的聲波的頻率在20到20000Hz之間，我們把頻率小于20Hz的聲波稱為次聲波，頻率大于20000Hz的聲波稱為超聲波。超聲波是一種頻率大于20000赫茲的聲波，超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，超聲波的方向性好，反射能力強，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。超聲波雷達(dá)是汽車上常用的一種傳感器，可以探知車輛周圍的障礙物情況，在泊車、倒車和起動車輛時，幫助駕駛員消除盲點和視線模糊障礙，有助于提高行車安全性。如圖3-5和3-6所示。圖3-5超聲波傳感器圖3-6超聲波雷達(dá)用于倒車輔助

超聲波傳感器是將超聲波信號轉(zhuǎn)換成其他能量信號（通常是電信號）的傳感器。超聲波雷達(dá)的工作原理是利用傳感器中的超聲波發(fā)生器產(chǎn)生40kHz的超聲波，然后接收探頭接收障礙物反射的超聲波，根據(jù)時間差計算出與障礙物的距離，如圖3-7所示。超聲波雷達(dá)的超聲波發(fā)生器和接收探頭安裝在同一面上，在有效的檢測距離內(nèi)，發(fā)生器發(fā)射特定頻率的超聲波，遇到檢測面反射回部分超聲波，接收探頭接收返回的超聲波，由芯片記錄聲波的往返時間t，超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，所以發(fā)射點與障礙物表面之間的距離L可以根據(jù)時間t進(jìn)行計算，計算公式如下：L=(t×340)/2圖3-7超聲波雷達(dá)工作原理（二）超聲波雷達(dá)主要性能參數(shù)（1）測距范圍。超聲波傳感器的測量范圍取決于其使用的波長和頻率，波長越長，頻率越小，能探測到的距離越長。安裝在車身前方和后方，用于測量車輛前后障礙物的短距超聲波雷達(dá)的測距范圍一般為0.15-2.5m。安裝在車身左右兩側(cè)用于測量側(cè)方障礙物的長距超聲波雷達(dá)的測距范圍一般為0.30-5m，目前也出現(xiàn)了測距范圍超過7m的側(cè)方超聲波雷達(dá)開始投入應(yīng)用。（2）測量精度。測量精度反映了超聲波雷達(dá)測量出的距離與真實距離之間的偏差大小，測量精度越高，超聲波雷達(dá)返回的距離值就越精確可靠。超聲波傳感器測量精度不僅與超聲波雷達(dá)自身的工藝、結(jié)構(gòu)有關(guān)，還會受到被天氣情況、測物體體積、表面形狀、表面材料等影響。

被測物體體積過小、表而形狀凹凸不平、物體材料吸收聲波等情況都會降低超聲波雷達(dá)的測量精度。（3）波束角。超聲波雷達(dá)產(chǎn)生的聲波以一定角度向外發(fā)出，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線為軸線，到一側(cè)能量強度減小一半處的角度稱為波束角。具有6°較窄的波束角的超聲波雷達(dá)，適合精確測量相對較小的物體；而波束角為12°至15°的超聲波雷達(dá)能夠檢測具有較大傾角的物體。在實際使用過程中，需要根據(jù)使用條件和功能需求選擇合適大小的波束角。（4）工作頻率。工作頻率直接影響超聲波的擴(kuò)散和吸收損失、障礙物反射損失、背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。

通常選擇在40kHz左右，這樣超聲波雷達(dá)的方向性尖銳，避開了噪聲，提高了信噪比，雖然傳播損失相對低頻有所增加，但尚未給發(fā)射和接收帶來困難。（5）抗干擾性能。超聲波是一種機(jī)械波，使用環(huán)境中的噪聲會干擾超聲波雷達(dá)接收物體反射回來的超聲波，所以超聲波雷達(dá)需要具備一定的抗干擾能力。（三）超聲波雷達(dá)的分類

汽車上使用的超聲波雷達(dá)主要分為UPA和APA兩大類。UPA一般安裝在車身的前部與后部，測量車輛與前后方障礙物之間的距離。APA一般安裝在車身側(cè)面，獲得車位的寬度和深度以及車輛的相對位置等信息。如圖3-8所示，APA與UPA的測距范圍不同，APA是一種遠(yuǎn)程超聲波雷達(dá)，測距范圍通常為0.30-5m，可覆蓋一個停車位；UPA是一種短程超聲波雷達(dá)，測距范圍通常為0.15-2.5m。APA與UPA的波束角和工作頻率也有差異，APA的波束角通常比UPA小，APA方向性強，探頭波的傳播性能優(yōu)于UPA，不易受到其他APA和UPA的干擾。圖3-8UPA和APA超聲波雷達(dá)（四）超聲波雷達(dá)特點及應(yīng)用現(xiàn)狀（1）成本低，結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，易于小型化和集成化。（2）和視覺傳感器相比，對障礙物的色彩不敏感，也不受光線條件的影響?？捎糜谧R別透明、半透明的物體，在夜晚等光照條件較弱的環(huán)境中也可正常使用。（3）防水、防塵性能好。但由于超聲波雷達(dá)采用的是機(jī)械波，所以它也有其局限性：（1）對溫度敏感。超聲波雷達(dá)的波速受溫度影響而變化，因此其測量精度與溫度相關(guān)。（2）當(dāng)汽車高速行駛時，超聲波測距可能無法跟上車距的變化，測得的距離誤差較大。（3）超聲波散射角大，方向性較差，在測量較遠(yuǎn)距離的目標(biāo)時，其回波信號會比較弱，也會影響測量精度。超聲波雷達(dá)具體以下諸多優(yōu)點：

在短距離低速測距中，超聲波雷達(dá)有著很大的優(yōu)勢。目前，超聲波雷達(dá)被廣泛應(yīng)用于倒車輔助系統(tǒng)和自動泊車系統(tǒng)中。

超聲波雷達(dá)的基礎(chǔ)應(yīng)用是倒車輔助系統(tǒng)，通常需要在車身后側(cè)安裝4個UPA雷達(dá)，用以在倒車過程中探測周邊障礙物距離，控制器接收到超聲波雷達(dá)返回的障礙物距離信息后，根據(jù)距離的大小，通過算法判斷是否給以駕駛員聲音警示或顯示器上的圖形文字警示，從而幫助駕駛員掃除視野死角，更加輕松地完成倒車操作，提高駕駛安全性。

自動泊車系統(tǒng)通常需要在車身前后兩側(cè)各安裝4個UPA雷達(dá)，在車身左右兩側(cè)各安裝2個APA雷達(dá)。泊車位的檢測依靠車身左右兩側(cè)的APA雷達(dá)來完成，UPA雷達(dá)主要用于檢測車輛與周邊障礙物距離，以保證自動泊車過車中的行駛安全。四、毫米波雷達(dá)（一）毫米波雷達(dá)簡介及工作原理

毫米波是一種波長在1-10mm電磁波，其介于厘米波與光波之間，對應(yīng)的頻率范圍為30-300GHz。毫米波雷達(dá)工作在毫米波頻段，通過發(fā)射無線電信號并接收反射信號來測量車輛與物體之間的距離、相對速度和方位角。圖3-9所示為一毫米波雷達(dá)實物。圖3-9毫米波雷達(dá)

毫米波雷達(dá)通過發(fā)射和接收無線電波（毫米波）的時間差來測算目標(biāo)物的相對距離。距離計算公式為：s=ct/2，其中s為雷達(dá)與目標(biāo)物的相對距離，t為從雷達(dá)發(fā)射出電磁波到接收到回波之間的時間差，c為光速。

毫米波雷達(dá)基于多普勒效應(yīng)實現(xiàn)雷達(dá)與目標(biāo)物的相對速度。多普勒效應(yīng)是指：當(dāng)聲音、光和無線電波等振動源與觀測者之間有相對運動時，觀測者所收到的振動頻率與振動源所發(fā)出的頻率有不同，如圖3-10所示。圖3-10毫米波雷達(dá)工作原理

當(dāng)發(fā)射的電磁波和被探測目標(biāo)存在相對運動時，回波的頻率會和發(fā)射波的頻率不同。當(dāng)目標(biāo)向雷達(dá)天線靠近時，反射信號頻率將高于發(fā)射信號頻率；反之，當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離天線而去時，反射信號頻率將低于發(fā)射信號頻率。由多普勒效應(yīng)所形成的頻率變化叫做多普勒頻移，它與相對速度v成正比，與振動的頻率成反比。通過檢測這個頻率差，可以測得目標(biāo)物相對于雷達(dá)的移動速度，也就是目標(biāo)物與雷達(dá)的相對速度。毫米雷達(dá)通過并列天線的相位差測量目標(biāo)物相對于毫米波雷達(dá)的方位角。毫米波雷達(dá)的發(fā)射天線發(fā)射出毫米波，遇到目標(biāo)物后被反射回來，通過毫米波雷達(dá)并列的接收天線，通過收到同一監(jiān)測目標(biāo)反射回來的毫米波的相位差，就可以計算出被監(jiān)測目標(biāo)的方位角。（二）毫米波雷達(dá)主要性能參數(shù)

毫米波雷達(dá)的性能參數(shù)主要包括工作范圍、檢測精度、多目標(biāo)區(qū)分能力這幾個方面，具體來講，包括以下幾點。（1）工作范圍：a.最大工作距離：毫米波雷達(dá)能夠檢測到目標(biāo)物的最大距離范圍。b.最大測量速度：毫米波雷達(dá)能夠檢測到的最大相對速度。c.最大視角：毫米波雷達(dá)能夠檢測到目標(biāo)物的最大視角范圍。（2）檢測精度：a.測距精度：毫米波雷達(dá)測量目標(biāo)物的距離能達(dá)到的測量精度。b.測速精度：毫米波雷達(dá)測量目標(biāo)物的相對速度能達(dá)到的測量精度。c.方位精度：毫米波雷達(dá)測量目標(biāo)物的方位角能達(dá)到的測量精度。a.距離分辨率：毫米波雷達(dá)通過距離差異，能夠區(qū)分出不同目標(biāo)物的最小距離差，反應(yīng)毫米波雷達(dá)在距離維度分辨出兩個目標(biāo)物的能力。b.速度分辨率：毫米波雷達(dá)區(qū)分出同一位置的不同目標(biāo)物的最小速度差，反應(yīng)毫米波雷達(dá)在速度維度分辨出兩個目標(biāo)物的能力。c.角度分辨率：毫米波雷達(dá)區(qū)分出相同距離和速度的不同目標(biāo)物的最小角度差，反應(yīng)毫米波雷達(dá)在角度維度分辨出兩個目標(biāo)物的能力。在實際情況中，由于距離、速度分辨率較高，目標(biāo)一般可以在距離和速度維區(qū)分開。（3）多目標(biāo)區(qū)分能力:(1)根據(jù)探測距離的不同，毫米波雷達(dá)可分為短程（ShortRangeRadar,SRR)、中程（MiddleRangeRadar,MRR)和遠(yuǎn)程（LongRangeRadar,LRR)毫米波雷達(dá)。短程毫米波雷達(dá)探測距離通常小于60m；中程毫米波雷達(dá)探測距離一般為100m左右；遠(yuǎn)程毫米波雷達(dá)探測距離一般大于200m。(2)根據(jù)采用的毫米波頻段不同，毫米波雷達(dá)可以分為24GHz、60GHz、77GHz和79GHz毫米波雷達(dá)，其中主流可用頻段為24GHz和77GHz。24GHz雷達(dá)的最大探測距離比77GHz短，但其探測角度比77GHz大，所以24GHz通常用于中程、短程探測，如盲點檢測（BSD）系統(tǒng)等，而77GHz通常用于遠(yuǎn)程探測，如自適應(yīng)巡航（ACC）系統(tǒng)等。77GHz毫米波雷達(dá)的檢測精度通常高于24GHz毫米波雷達(dá)，體積也比24GHz雷達(dá)小，不過77GHz雷達(dá)所需生產(chǎn)制造工藝也比24GHz高。（三）毫米波雷達(dá)分類根據(jù)毫米波雷達(dá)探測距離和頻段的不同，可以對毫米波雷達(dá)進(jìn)行分類。（四）毫米波雷達(dá)特點及應(yīng)用現(xiàn)狀

毫米波雷達(dá)不受天氣的影響，具有全天候、全天時的工作特性，即使是在最惡劣的天氣和光照條件下也能正常工作，穿透煙霧的能力很強。與超聲波雷達(dá)相比，毫米波雷達(dá)探測距離更遠(yuǎn)（可達(dá)200m以上），探測精度也更高。和其他雷達(dá)類傳感器相同，毫米波雷達(dá)測距不受到光照條件、物體顏色的影響。

毫米波雷達(dá)被廣泛應(yīng)用于自適應(yīng)巡航控制、前向碰撞預(yù)警、自動緊急制動、盲區(qū)監(jiān)測等系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)需要的探測范圍，毫米波雷達(dá)可能被安裝在車輛的前部、車身側(cè)面或車輛后部等不同的位置，根據(jù)系統(tǒng)需要達(dá)到的探測距離大小，可以選擇不同的短程、中程或遠(yuǎn)程毫米波雷達(dá)。

在自適應(yīng)巡航控制、前向碰撞預(yù)警和自動緊急制動系統(tǒng)中，通過安裝在車頭的毫米波雷達(dá)（如圖3-11所示），系統(tǒng)可以檢測出車輛前方障礙物的距離、方位和相對速度，輸入給后續(xù)決策模塊，為車輛加減速控制提供依據(jù)。圖3-11安裝在車頭的毫米波雷達(dá)

如圖3-12所示，在盲點監(jiān)測系統(tǒng)中，通過安裝在車輛側(cè)面的毫米波雷達(dá)，實時監(jiān)測后視鏡盲區(qū)范圍內(nèi)是否有車輛靠近，當(dāng)盲區(qū)里有車輛靠近時，監(jiān)測系統(tǒng)就會通過聲音、燈光等方式提醒駕駛員，提高了行駛安全性。圖3-12盲點檢測系統(tǒng)五、激光雷達(dá)（一）激光雷達(dá)簡介及工作原理

激光雷達(dá)是一種光學(xué)雷達(dá)（LightDetectionAndRanging,LIDAR），它工作在光波頻段，通過向目標(biāo)發(fā)射激光，然后根據(jù)接收到反射激光的時間間隔計算出目標(biāo)物體的距離。

激光雷達(dá)的工作原理主要包括TOF(時間飛行法)、三角法、相位法、調(diào)頻連續(xù)波方法這幾種。TOF是Time

off

light的簡寫，直譯為飛行時間。激光雷達(dá)飛行時間法測距，是指激光器給目標(biāo)連續(xù)發(fā)送光脈沖，由計時器記錄下出射的時間，回返光經(jīng)接收器接收，由計時器記錄下回返的時間。通過激光光脈沖的飛行（往返）時間，乘以光速得到目標(biāo)物距離，如圖3-13所示。圖3-13TOF原理

三角法測距的原理如圖3-14所示，激光器發(fā)射的激光照射到物體后，反射光由線性CCD接收，由于激光器和探測器間隔了一段距離，依照光學(xué)路徑，不同距離的物體將會成像在CCD上不同的位置。按照三角公式進(jìn)行計算，推導(dǎo)出被測物體的距離。圖3-14三角法原理

相位法利用激光雷達(dá)發(fā)射的光波和返回光波之間所形成的相位差來測量距離的。首先，利用調(diào)制信號對發(fā)射光波的光強進(jìn)行調(diào)制，激光器發(fā)出調(diào)制后的一個正弦波的光束，通過接收系統(tǒng)接收經(jīng)過障礙物反射回來的激光，通過發(fā)射和返回的正弦波光束之間的相位差來計算出待測距離，如圖3-15所示。圖3-15相位法原理

圖3-16所示為一典型的調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)工作原理，首先采用線性調(diào)頻信號調(diào)制激光，線性調(diào)頻光信號經(jīng)由光學(xué)分束器進(jìn)行分束，其中一路作為參考光信號，另一路作為探測信號由光學(xué)系統(tǒng)照射到目標(biāo)表面，通過比較反射光信號和參考光信號的瞬時頻率差獲得目標(biāo)距離信息。此外，還可利用多普勒效應(yīng)得到目標(biāo)物體的速度。圖3-16調(diào)頻連續(xù)波原理（二）激光雷達(dá)主要性能參數(shù)激光雷達(dá)主要指標(biāo)有測距精度、最大探測距離、視場角、角度分辨率、測量幀頻等。（1）測距精度。測距精度是指同一目標(biāo)進(jìn)行重復(fù)測量得到的距離值之間的誤差范圍，反映了激光雷達(dá)測量得到的目標(biāo)物距離的精確度。（2）最大探測距離。最大探測距離是指激光雷達(dá)能夠測量到的最遠(yuǎn)距離，通常需要基于某一個反射率下進(jìn)行標(biāo)注，如白色物體約70%反射率，黑色物體7%-20%反射率。（3）視場角。視場角包括垂直視場角和水平視場角兩個方面，反應(yīng)激光雷達(dá)的成像范圍。（4）角度分辨率。角度分辨率是指激光雷所采集數(shù)據(jù)的角度分辨率，它等于視場角除以該方向所采集的點云數(shù)目。（5）測量幀頻。測量幀頻與激光雷達(dá)生成的點云圖的刷新頻率，刷新率越高，其響應(yīng)速度越快。（三）激光雷達(dá)分類根據(jù)有無機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，可將激光雷達(dá)分為機(jī)械激光雷達(dá)和固態(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，依靠旋轉(zhuǎn)部件來控制激光發(fā)射的角度，一般置于汽車頂部（如圖3-17所示），可對道路、橋梁、護(hù)欄、立交橋、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施、車輛、自行車、行人等障礙物進(jìn)行三維逐點掃描，形成三維激光雷達(dá)掃描點云地圖，反映出周邊環(huán)境物體的輪廓和位置信息，具有360°視場，可以360°感知周圍環(huán)境。機(jī)械激光雷達(dá)的測量精度相對較高，但其體積較大，安裝較為復(fù)雜，價格昂貴。圖3-17機(jī)械式激光雷達(dá)（2）固態(tài)激光雷達(dá)。固態(tài)激光雷達(dá)內(nèi)部沒有機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，依靠電子部件來控制激光發(fā)射角度，其尺寸比機(jī)械激光雷達(dá)小，可以安裝在車體內(nèi)，如圖3-18所示。具有數(shù)據(jù)采集速度快、分辨率高、對溫度和振動適應(yīng)性強等優(yōu)點。圖3-18固態(tài)激光雷達(dá)

根據(jù)激光雷達(dá)發(fā)出的激光線束數(shù)量的多少，可以將激光雷達(dá)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)掃描一次只能產(chǎn)生一條掃描線，得到的數(shù)據(jù)是二維數(shù)據(jù)，無法區(qū)分目標(biāo)物體的三維信息。單光束激光雷達(dá)具有測量速度快、數(shù)據(jù)處理量少的特點，其在安全防護(hù)、地形測繪等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。（2）多線束激光雷達(dá)。多線束激光雷達(dá)掃描一次可以產(chǎn)生多條掃描線，目前市場上的多線束激光雷達(dá)產(chǎn)品主要包括4線束、8線束、16線束、32線束、64線束等，細(xì)分可分為2.5D激光雷達(dá)和3D激光雷達(dá)，它們最大的區(qū)別在于激光雷達(dá)垂直視野的范圍，2.5D激光雷達(dá)垂直視野范圍一般不超過10°,3D激光雷達(dá)可達(dá)到30°甚至40°以上，因此它們在汽車上的安裝位置要求有所不同。激光雷達(dá)的線束越高，其采集到的點云數(shù)據(jù)越多，信息越豐富。圖3-19中上方圖片為Velodyne128線激光雷達(dá)采集到點云數(shù)據(jù)，下方圖片為的和Velodyne64線激光雷達(dá)采集到的點云數(shù)據(jù)，通過對比可以看出，128線激光雷達(dá)生成的點云數(shù)據(jù)明顯比64線激光雷達(dá)多，對周圍物體輪廓的反應(yīng)更清晰。圖3-19128線與64線激光雷達(dá)點云比較（四）激光雷達(dá)的特點及應(yīng)用現(xiàn)狀

激光雷達(dá)具有測量精度高、不受外界光照條件影響、抗干擾能力強優(yōu)點。（1）測量精度高。激光雷達(dá)的使用的波長集中在600-1000nm之間，低于超聲波和毫米波雷達(dá)的波長，雷達(dá)具有波長越短測量精度越高的特點，激光雷達(dá)的測量精度比超聲波雷達(dá)和毫米波雷達(dá)都高。（2）不受外界光照條件影響。與超聲波雷達(dá)和毫米波雷達(dá)相同，激光雷達(dá)的工作不受外界光照條件的影響。（3）抗干擾能力強。激光波長短，光束窄，發(fā)散角非常小，直線傳播和方向性好。與微波雷達(dá)易受自然界廣泛存在的電磁波影響的情況不同，自然界中能對激光雷達(dá)起干擾作用的信號源不多。微波雷達(dá)由于存在各種地物回波的影響,低空存在有一定區(qū)域的盲區(qū)(無法探測的區(qū)域)，激光雷達(dá)可以“零高度”工作，低空探測性能好。（1）成本較高。目前激光雷達(dá)造價較為昂貴，一定程度上限制了激光雷達(dá)的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化使用。（2）激光雷達(dá)采集到的數(shù)據(jù)量大，對處理器硬件的要求高。（3）激光雷達(dá)工作時會受天氣和大氣的影響。空氣中的水珠和其他懸浮物都會對激光雷達(dá)的探測距離和精度造成影響。激光一般在晴朗的天氣里衰減較小，傳播距離較遠(yuǎn)。而在大雨、濃煙、濃霧等壞天氣里，衰減急劇加大，傳播距離大受影響。此外，大氣環(huán)流還會使激光光束發(fā)生畸變、抖動，直接影響激光雷達(dá)的測量精度。激光雷達(dá)也具有如下缺點：

激光雷達(dá)在智能網(wǎng)聯(lián)汽車領(lǐng)域的主要應(yīng)用包括障礙物檢測、加強定位、和智能交通信號控制系統(tǒng)中的車流量信息監(jiān)測。

在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中，可以利用激光雷達(dá)實現(xiàn)障礙物檢測。和利用攝像頭（機(jī)器視覺）實現(xiàn)障礙物檢測的方法相比，激光雷達(dá)在深度（距離）信息的檢測準(zhǔn)確性上更為出色。利用機(jī)器視覺實現(xiàn)障礙物檢測有一個較難解決的問題是判斷物體的距離，基于單一攝像頭抓取的二維圖像無法得到準(zhǔn)確的位置信息，而基于雙目攝像頭有需要實時處理大量的數(shù)據(jù)量，那一滿足實時性的要求。此外，攝像頭收到光照條件的影響，在隧道或者夜晚的檢測性能很差。

激光雷達(dá)加強定位是指利用激光雷達(dá)和高精度地圖對全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）和慣導(dǎo)（IMU）得到的位置信息進(jìn)行進(jìn)一步校正加強。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車在接收GNSS和IMU返回的自身車輛位置信息基礎(chǔ)上，再利用激光雷達(dá)生成的周圍環(huán)境點云信息和高精度地圖作比較，可以進(jìn)一步校正GNSS和IMU的位置信息，對車輛進(jìn)行更加精確地定位。

在交通路口的信號控制系統(tǒng)中，將三維激光掃描儀安裝在地面，對道路進(jìn)行持續(xù)掃描，可以獲得道路上的實時動態(tài)、高精度的車流量數(shù)據(jù)，利用這些車流量數(shù)據(jù)可以獲取道路車輛到達(dá)信息，彌補視頻檢測和監(jiān)控的不足。智能交通信號控制系統(tǒng)在獲取實時的交通模型和車流量信息，并檢測車輛排隊長度后，可以預(yù)測未來的短期交通流趨勢，從而實時調(diào)整周期、綠燈信比和相位差以適應(yīng)交通流，減少擁堵，降低延誤，提高道路通行能力，實現(xiàn)交通信號控制的智能化。六、傳感器性能比較及多傳感器融合技術(shù)

智能網(wǎng)聯(lián)汽車?yán)枚喾N傳感器進(jìn)行環(huán)境感知，所用到的傳感器主要包括視覺傳感器、超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)。各種傳感器在成本、遠(yuǎn)距離探測能力、光照條件適應(yīng)性等方面的性能比較如表3-1所示。性能比較視覺傳感器超聲波雷達(dá)毫米波雷達(dá)激光雷達(dá)低成本優(yōu)優(yōu)中較差遠(yuǎn)距離探測能力中較差優(yōu)優(yōu)光照條件適應(yīng)性較差優(yōu)優(yōu)優(yōu)雨雪等不良天氣適應(yīng)性較差中優(yōu)較差溫度穩(wěn)定性較差優(yōu)優(yōu)優(yōu)道路標(biāo)識識別能力優(yōu)無無無表3-1不同傳感器性能比較

通過上表比較可知，各種傳感器性能各異，各有優(yōu)劣。

超聲波傳感器：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低，但測量精度受測量物體表面形狀、材質(zhì)的影響大，其主要應(yīng)用于短距離探測物體。毫米波雷達(dá)：受光照和天氣因素影響較小，具有較強的穿透霧、煙、灰塵的能力，測距精度高，但難以識別車道線、交通標(biāo)志等元素，由于行人的反射波較弱，也難以探測。激光雷達(dá)：能夠獲取物體的三維信息，測量精度高，對光照環(huán)境變化不敏感，抗干擾能力強，但是其成本較高，檢測能力受到雨雪等惡劣天氣的影響較大。視覺傳感器成本低，在車道線識別和行人識別的準(zhǔn)確度等方面有優(yōu)勢，是實現(xiàn)車道偏離預(yù)警、交通標(biāo)志識別等功能不可缺少的傳感器，但其測距精度不如毫米波雷達(dá)，并且對光照、天氣等條件很敏感，在夜晚或光照條件較弱的環(huán)境下檢測性能大大下降。

車輛的行駛環(huán)境復(fù)雜多變，很難使用單一傳感器實現(xiàn)智能駕駛在所有工況下的環(huán)境感知，因此我們采用多傳感器融合技術(shù)來實現(xiàn)環(huán)境感知是必要的。多傳感器融合就是將多個傳感器采集的數(shù)據(jù)集中在一起綜合分析，以便更加準(zhǔn)確和可靠地描述外界環(huán)境。多傳感器融合的基本原理與人腦對環(huán)境信息的綜合處理過程類似。

人類對外界環(huán)境的感知是通過將眼睛、耳朵、鼻子和四肢等多種感官探測的信息傳輸至人腦，并與先驗知識進(jìn)行綜合，以便對其周圍的環(huán)境和正在發(fā)生的事件做出快速準(zhǔn)確的評估。人類的感官相當(dāng)于各種傳感器，人類的大腦相當(dāng)于信息融合中心，人類的先驗知識相當(dāng)于數(shù)據(jù)庫。

在選擇環(huán)境感知傳感