全面介紹視覺傳感器、毫米波雷達、激光雷達

智能汽車是近年來汽車行業(yè)先進技術(shù)的發(fā)展方向，而傳感器的應(yīng)用是智能汽車環(huán)境探測中的關(guān)鍵技術(shù)。本文介紹了智能汽車環(huán)境感知ADAS 系統(tǒng)中常用的傳感器，著重闡述了視覺傳感器、毫米波雷達和激光雷達的工作原理、技術(shù)參數(shù)、技術(shù)類型和應(yīng)用場景等；同時總結(jié)對比了不同類型傳感器的技術(shù)特點，提出了環(huán)境感知系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，為今后的自動駕駛相關(guān)研究提供參考。

1 引言

智能汽車（Intelligent Vehicles，IV）通過車載傳感系統(tǒng)具備主動環(huán)境感知能力，利用車載信息終端實現(xiàn)與人、車、路等信息的交換，是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分[1]。自主式智能汽車的初級階段是具有先進駕駛輔助系統(tǒng)(Advanced Driver Assistance Systems，ADAS)的汽車，具備自主決策能力自動分析車輛行駛的安全及危險狀態(tài)，能夠執(zhí)行車輛制動、驅(qū)動、轉(zhuǎn)向干預(yù)，并利用聲音、影像、燈光、觸覺報警等方式提醒駕駛員[2]。

自主式智能汽車ADAS 系統(tǒng)是車輛從被動安全技術(shù)向主動安全技術(shù)的重要變革，其核心是環(huán)境感知系統(tǒng)，主要由感知層、決策層和執(zhí)行層組成，本文重點介紹ADAS 系統(tǒng)感知層中攝像頭、毫米波雷達、激光雷達等各類傳感器的技術(shù)特征及發(fā)展趨勢。

2 智能汽車環(huán)境感知傳感器

2.1視覺傳感器

視覺傳感器是利用攝像頭獲取到的圖像進行圖像處理，捕捉對象物如面積、重心、尺寸、方位等關(guān)鍵特征量，并能夠輸出數(shù)據(jù)便于決策單元做分析的傳感器，是實現(xiàn)眾多預(yù)警、識別類ADAS 功能的基礎(chǔ)，同時也是自動駕駛必備的傳感器之一[3]。

按照車載視覺傳感器原理和布置方式的不同，主要分為：單目攝像頭、多目攝像頭、環(huán)視攝像頭、紅外夜視攝像頭等，其技術(shù)特點對比表如表1 所示。

表1 各類視覺傳感器技術(shù)特點對比

視覺傳感器特點主要有：

1、視覺圖像信息豐富，可識別交通標(biāo)示、地面標(biāo)志物、車道線、交通信號燈等；

2、視覺攝像頭可實現(xiàn)道路特征與高精度地圖匹配后的輔助定位，環(huán)境適應(yīng)能力強；

3、與機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等人工智能相融合，可獲取更高檢測效果。

4、受天氣影響大，算法及算力要求較高。

2.2毫米波雷達

車載毫米波雷達主要由發(fā)射模塊、接收模塊、信號處理模塊及天線等組成，其工作原理如圖1 所示[5]。雷達天線向外發(fā)射毫米波信號，通過接收目標(biāo)的反射信號，經(jīng)信號處理模塊獲取車輛周邊的環(huán)境信息，主要包括與探測物體間的相對距離、速度、角度及運動方向等；依據(jù)此信息進行目標(biāo)跟蹤和識別，結(jié)合車身信息狀態(tài)，經(jīng)車輛ECU 處理及決策后，以聲音、圖像和振動等形式提醒駕駛員，或及時做出制動、驅(qū)動和轉(zhuǎn)向干預(yù)。

圖1 車載毫米波雷達工作原理

毫米波雷達按照工作原理可分為脈沖式毫米波雷達與調(diào)頻式連續(xù)毫米波雷達，脈沖式毫米波雷達通過發(fā)射、接受電磁脈沖信號間的時間差計算目標(biāo)位置信息，但由于需要在微秒級別內(nèi)發(fā)射大功率脈沖信號，且需要對收、發(fā)設(shè)備進行隔離技術(shù)處理，導(dǎo)致這類型毫米波雷達在硬件設(shè)計上較為復(fù)雜，產(chǎn)品成本高；同時在高速情況下回波信號易到周圍環(huán)境影響，接收系統(tǒng)靈敏度有限，故在智能車用領(lǐng)域較少采用。調(diào)頻式連續(xù)毫米波雷達是目前車載毫米波的主流方案，主要利用多普勒效應(yīng)(Dopler Effect)測量目標(biāo)狀態(tài)信息，通過分析一個或多個發(fā)射信號頻率與反射信號頻率的變化，計算出目標(biāo)與雷達的相對位置信息，可實現(xiàn)對多目標(biāo)識別，技術(shù)相對成熟。

毫米波雷達按照探測距離可分為短程毫米波雷達（SRR）、中程毫米波雷達（MRR）和遠程毫米波雷達（LRR）三類，具體參數(shù)對比如表2 所示。目前MRR/LRR 相比LRR 具有體積小、單芯片集成度高、性能好以及研發(fā)、物料成本低的優(yōu)點，MRR/LRR將成為行業(yè)未來發(fā)展主要方向。

表2 不同探測距離毫米波雷達技術(shù)特點對比

毫米波雷達特點主要有：

1、視野覆蓋范圍廣，探測距離遠，最大探測距離可達250m；

2、探測性能好，成像能力強，不受物體顏色與環(huán)境溫度影響，可在極端環(huán)境下全天候正常工作；

3、靈敏度高、響應(yīng)速度快、方向性好、低空跟蹤精度較高；

4、體積小、質(zhì)量輕、技術(shù)成熟、工藝相對簡單，性價比高；

5、抗干擾能力強，受地面雜波及噪聲影響??；

6、覆蓋區(qū)域呈扇形，存在盲區(qū)；無法識別交通標(biāo)志及信號燈。

2.3激光雷達

激光雷達（Light Detection and Ranging，LiDAR）是一種以利用激光器為發(fā)射光源，利用光電探測方式的光學(xué)遙感傳感器，通過向目標(biāo)物體發(fā)射探測激光信號，比較接收、發(fā)射信號差異，輸出點云，呈現(xiàn)目標(biāo)物精確的三維結(jié)構(gòu)信息，從而獲取距離、方位和高度等位置信息及速度、姿態(tài)等運動狀態(tài)的傳感器，從而對目標(biāo)物體進行探測、跟蹤和識別，能幫助汽車實現(xiàn)周圍環(huán)境的精準3D 重建，被稱為最有效的智能汽車環(huán)境感知方案之一[6]。

不同類型的激光雷達結(jié)構(gòu)略有差異，但都主要由激光發(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)四大部分組成。激光發(fā)射系統(tǒng)中的驅(qū)動電路周期性的驅(qū)動激光器發(fā)射激光脈沖，通過激光調(diào)制器的光束控制器調(diào)整發(fā)射激光的方向及線數(shù)，再由發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射激光；經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)，光電探測器接收目標(biāo)物體反射的激光信號，并將信息傳遞至信息處理系統(tǒng)；信息處理系統(tǒng)經(jīng)過放大處理及數(shù)模轉(zhuǎn)換，由控制單元計算分析獲取目標(biāo)表面形態(tài)、物理屬性等特征，建立物體模型；掃描系統(tǒng)則是能夠改變激光束的空間投射方向，能夠以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)對所在平面進行掃描，并產(chǎn)生實時平面圖信息，實現(xiàn)激光雷達的3D 建模及雷達定位，具體組成原理如圖2 所示。

圖2 激光雷達工作原理

按照掃描系統(tǒng)原理差異，激光雷達主要分為機械激光雷達、混合固態(tài)激光雷達、固態(tài)激光雷達三種類型。機械式激光雷達是帶有控制激光發(fā)射角度的旋轉(zhuǎn)部件進行全面掃描；混合固態(tài)激光雷達無需機械旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，而是采用內(nèi)部玻璃片旋轉(zhuǎn)的方式改變光束角度，主要有微機電系統(tǒng)MEMS、轉(zhuǎn)鏡式、棱鏡式三種類型；固態(tài)激光雷達也無需機械旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，而是依靠電控方式改變激光發(fā)射方向，主要有Flash 和光學(xué)相控陣OPA 兩種類型。不同掃描系統(tǒng)原理的激光雷達技術(shù)特點如表3 所示。

表3 不同掃描系統(tǒng)原理的激光雷達技術(shù)特點對比

按照發(fā)射光波長的差異，目前主流的三維成像激光雷達發(fā)射光主要有905nm 和1550nm 兩種波長。其中905nm 激光接收器使用價格較低的硅材質(zhì)，以半導(dǎo)體激光器為光源器件，成本較低、尺寸相對較小，是目前最主流的激光雷達類型，但為避免對人眼造成傷害，其發(fā)射功率和探測距離會受到限制；1550nm 波長激光則不會對人體視網(wǎng)膜產(chǎn)生傷害，發(fā)射功率較高、探測距離遠、穿透能力強、受日光干擾小，但需要以光纖激光器為光源器件，探測器材料成本較高。

激光雷達主要有以下特點：

1）分辨率高。激光雷達距離分辨率可達±5cm 以下；速度分辨率達10m/s 以內(nèi)，可同時跟蹤多個目標(biāo)；

2）探測范圍廣。探測距離可達300m 以上、水平視場角可達360°、垂直視場角可達40°；

3）信息量豐富。激光雷達不僅可以探測周邊車輛信息，還能有效識別路面凹凸、拋灑物、大型靜止障礙物等目標(biāo)物。

4）可全天候工作。無需外接光照條件即可正常工作。

5）隱蔽性好，抗干擾能力強。激光雷達發(fā)射口徑小，接收區(qū)域窄，干擾源少。

6）多線激光雷達成本較高，易受大雨、濃煙、濃霧等天氣影響，同頻段激光雷達易相互干擾。

3 環(huán)境感知傳感器性能對比

智能汽車高級別的自動駕駛需要環(huán)境感知系統(tǒng)多種傳感器的優(yōu)勢互補，不同類型傳感器性能對比如表4 所示[7]。

表4 各類型傳感器技術(shù)特點對比

不同類型的環(huán)境感知傳感器有各自的優(yōu)勢和應(yīng)用局限性，目前發(fā)展趨勢是通過多傳感器信息融合以彌補單一傳感器的不足。多傳感器融合可更加準確、全面識別外界環(huán)境，顯著提高智能駕駛系統(tǒng)的安全性和可靠性，是高級別無人駕駛的必然選擇。多傳感器融合在硬件層面上要求傳感器數(shù)量要足夠，保證功能互補、信息全面、可信度高、識別能力強；軟件層面上要求算法數(shù)據(jù)運算速度快、并行處理能力強、兼容協(xié)調(diào)性好、容錯率高，保證決策的時效性和準確度。

4 結(jié)語

本文對智能汽車環(huán)境感知系統(tǒng)中的視覺傳感器、毫米波雷達、激光雷達等傳感器進行了較為全面的介紹，并對比了各類傳感器的技術(shù)特點。相較其他類型傳感器，激光雷達所見即所得，能夠?qū)崿F(xiàn)三維實時感知，避開對算法和數(shù)據(jù)的高度依賴，在探測精度、可靠性和抗干擾能力等方面具備特色優(yōu)勢，而1550nm 波長、FMCW 測距方式的固態(tài)激光雷達方案已是目前發(fā)展趨勢。目前“毫米波雷達+攝像頭”方案是短期內(nèi)最有可能的技術(shù)組合，但長遠來看，隨著成本的下降，“固態(tài)激光雷達+攝像頭”具備更大潛力，或?qū)⒊蔀橹髁鳌?/p>