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汽車?yán)走_、激光雷達、攝像頭等感知元件的整車方案集成研究
2020-08-30 20:22:24· 來源：《上海汽車》
為了實現(xiàn)無人駕駛汽車的功能要求，需要在整車上集成多個種類的感知元件，用于感知車輛周邊環(huán)境。文章對無人駕駛汽車的主要感知元件進行介紹，并結(jié)合不同種類感知
為了實現(xiàn)無人駕駛汽車的功能要求，需要在整車上集成多個種類的感知元件，用于感知車輛周邊環(huán)境。文章對無人駕駛汽車的主要感知元件進行介紹，并結(jié)合不同種類感知元件的工作特性和限定條件，分析了各種感知元件在整車集成時需要注意的事項，為將來的批量設(shè)計和制造無人駕駛汽車提供參考。
無人駕駛技術(shù)是各大汽車企業(yè)乃至互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)爭相布局的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，各大汽車企業(yè)紛紛制定了無人駕駛的路線目標(biāo)，包括寶馬、奧迪、大眾、特斯拉、谷歌、百度等在內(nèi)的多家汽車企業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)新貴都在這一領(lǐng)域投入大量資源。
從目前的發(fā)展情況來看，L4級無人駕駛技術(shù)還沒有真正地進入商用階段，各企業(yè)對于如何實現(xiàn)這一技術(shù)也眾說紛紜。
總的來看，傳統(tǒng)汽車企業(yè)主要通過繼續(xù)發(fā)展車聯(lián)網(wǎng)和ADAS系統(tǒng)技術(shù)來實現(xiàn)無人駕駛; 互聯(lián)網(wǎng)公司主要在人工智能和GPS 地圖領(lǐng)域兩方面發(fā)力。但不管最終選擇的是哪種發(fā)展路線，都需要在汽車上集成感知元件來感知周邊環(huán)境信息。
本文將主要闡述目前無人駕駛技術(shù)應(yīng)用的重要感知元件，介紹其常用布置位置，在批量車型設(shè)計過程中需要考慮的周邊環(huán)境和技術(shù)因素，以及對整車系統(tǒng)集成的影響。
無人駕駛汽車的主要感知元件
無人駕駛系統(tǒng)分為 3 個層級: 感知層、決策層和執(zhí)行層。無人駕駛汽車的雷達和攝像頭屬于感知層的范疇，系統(tǒng)通過它們實現(xiàn)對車輛周圍環(huán)境的感知識別，為后續(xù)的駕駛員行動規(guī)劃和路線規(guī)劃等決策活動提供支持。常用的感知元件包括毫米波雷達、激光雷達、攝像頭和超聲波雷達等。
從目前大多數(shù)無人駕駛汽車的技術(shù)方案來看，激光雷達對周圍環(huán)境的三維空間感知完成了60% ～ 75% 的環(huán)境信息獲取，其次是相機獲取的圖像信息，再次是毫米波雷達獲取的定向目標(biāo)距離信息，以及 GPS 定位及慣性導(dǎo)航獲取的無人車位置及自身姿態(tài)信息，最后是其他超聲波傳感器、紅外線傳感器等其他光電傳感器獲取的各種信息。
奧迪 A8 在上市之時宣稱已經(jīng)達到了 L3 級的無人駕駛級別。為了實現(xiàn) L3 級別功能，整車配備了多種不同功能的感知元件。
真正高度自動化駕駛的起步級別應(yīng)該是 L4 級無人駕駛。各大主流汽車企業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)致力實現(xiàn)的也是 L4 級及其以上級別的無人駕駛。典型 L4 級無人駕駛車輛布置的感知元件如圖 1 所示。
圖1 無人駕駛感知元件示意圖
整車集成感知元件的要求
毫米波雷達、激光雷達、攝像頭和超聲波雷達原理各有不同，在整車集成的過程中，需要結(jié)合不同感知元件的工作特點和限制條件，綜合考慮整車性能方面的要求，開展合適的整車集成方案工作。總體來說，在整車系統(tǒng)集成時，應(yīng)當(dāng)主要考慮以下 4 點。
(1)根據(jù)感知元件的工作性能和技術(shù)參數(shù)，確定模塊的固定位置和固定方式;
(2)考慮與周邊零件的匹配，滿足感知元件的探測范圍要求、感知元件對周邊零件的相關(guān)技術(shù)要求以及造型要求;
(3)需要根據(jù)雷達的工作特性和局限性，考慮布置或預(yù)留清洗和加熱功能，保持感知元件和整車系統(tǒng)在異常工況下的功能;
(4)盡管無人駕駛技術(shù)的最終目標(biāo)是消除交通事故，但在實際駕駛過程中，很難避免交通事故的發(fā)生。為了盡可能保護感知元件，降低汽車輕微(低速) 碰撞后的維修成本，還需考慮在低速碰撞過程中對感知元件的保護。
我國對于低速碰撞的法規(guī)要求是 GB 17354 －1998《汽車前后端保護裝置》，根據(jù)該法規(guī)規(guī)定，碰撞實驗時整車分別處于“整備質(zhì)量”和“加載試驗車質(zhì)量”狀態(tài)，碰撞擺錘的基準(zhǔn)高度為445mm，擺錘的形狀如圖2所示。在布置感知元件的時候，需要考慮到該法規(guī)的約束條件。
圖2 GB 17354-1998擺錘輪廓
此外，整車集成感知元件時還需要考慮周邊零件造型、零件縫道匹配、線束布置方案等多方面因素，必須綜合進行考量才能獲得最合適的整車集成方案。
毫米波雷達的整車集成方案
毫米波雷達是工作頻率在 30 ～ 300 GHz( 波長為 1 ～ 10 mm) 的雷達。裝備汽車的毫米波雷達的主要功能在于，識別行駛過程中遇到的物體和障礙物，感知前方物體的距離、相對速度等信息，還可以同時簡單識別出道路上的不同物體。
和激光雷達相比，毫米波雷達的波長更大，在大氣中傳播時的衰減更小，受自然光和熱輻射源的影響也小，因此毫米波雷達的環(huán)境適用性要明顯優(yōu)于激光雷達。
遠距離雷達和中距離雷達是無人駕駛汽車的典型配置，實現(xiàn)探測目標(biāo)方位及相對速度、保持車距以及緊急制動等功能。它們都屬于毫米波雷達，工作頻率為77 GHz。
遠距離雷達和中距離雷達通常安裝在前保險杠蒙皮靠近中間區(qū)域，允許感知元件在車身寬度方向上有一定偏差，但此時需要相應(yīng)調(diào)整無人駕駛系統(tǒng)的匹配參數(shù)。
由于毫米波雷達的識別精度低于激光雷達，所以可以將雷達固定在保險杠橫梁等與白車身剛性連接的零件上，也可以通過塑料支架將雷達固定在保險杠蒙皮上。
中/遠距離雷達的探測范圍內(nèi)，一般不允許有汽車零件遮擋，否則會影響雷達的工作性能。如果出于造型和美觀考慮，一定要在雷達前方布置遮擋零件，則遮擋零件( 包括油漆層) 材料的介電常數(shù)和厚度必須滿足雷達波穿透率的要求。
除此以外，在雷達的探測范圍內(nèi)不能出現(xiàn)諸如卡扣、格柵等影響雷達工作性能的結(jié)構(gòu)或造型元素。
在考慮雷達固定位置和探測范圍的時候，需要考慮各零件的安裝誤差、熱力幾何變形以及零件因長時間運動和重力作用產(chǎn)生的移動量。
如保險杠蒙皮在整個生命周期內(nèi)的自然下沉量，其大小與保險杠蒙皮采用的固定結(jié)構(gòu)有關(guān)。在設(shè)計雷達前方零件如格柵開口的過程中需要對這些因素加以注意。
在車輛發(fā)生輕微碰撞之后，為了盡可能保證雷達的功能不受到影響，減小維修成本，需要采取特定的安全措施對雷達加以保護，常見的安全保護措施有:
(1)盡量將雷達靠后布置，使得雷達在輕微碰撞過程中，碰撞物的侵入量不足以撞上雷達; 或者也可以將雷達布置在保險杠橫梁的后部，以此進行一定程度的保護;
(2)在固定雷達的支架上加裝保護結(jié)構(gòu)，使得雷達在碰撞過程中可以得到緩沖保護;
(3)在固定雷達的支架上設(shè)計潰縮結(jié)構(gòu)，可以使支架在受力時潰縮，避免雷達遭受更嚴(yán)重的損傷;
(4)考慮到國家法規(guī) GB 17354 － 1998 的要求，雷達的布置位置應(yīng)盡可能在高度方向上避開擺錘的突出部分，如圖 3 所示。
圖3 中/遠距離雷達布置示意圖
為了給無人駕駛提供輔助功能，幫助進行盲點檢測、車道變更輔助、碰撞預(yù)警等功能，無人駕駛車輛的四角位置需要布置短距離雷達( SＲＲ) ，監(jiān)測車輛側(cè)向的交通狀況。短距離雷達的工作原理也屬于毫米波雷達范疇。
短距離雷達的布置位置是在整車前后保險杠區(qū)域的側(cè)面部位，整車集成過程中需要考慮的因素和中 /遠距離雷達類似。
激光雷達的整車集成方案
激光雷達通過點云來建立周邊環(huán)境的 3D 模型，可以檢測出包括車輛、行人、樹木、路沿等細(xì)節(jié)。激光雷達用來描繪周圍環(huán)境的幾個主要參數(shù)，包括線數(shù)、點密度、水平垂直視角、檢測距離、掃描頻率、精度等。
除了位置和距離信息，激光雷達還提供返回所掃描物體的密度信息，后續(xù)算法據(jù)此可以判斷掃描物體的反射率，再進行下一步處理。
大多數(shù)無人駕駛汽車在車頂安裝有激光雷達，如谷歌和百度無人駕駛汽車都在車頂裝備有64線激光雷達。以谷歌無人駕駛汽車為例，其車頂激光雷達是由 Velodyne公司設(shè)計提供的，型號為 HDL － 64E，其水平視野范圍為 360°，垂直視野范圍為 28.6°。
與毫米波雷達相比，激光雷達的探測精度更高，目標(biāo)分類和識別能力更強，但是激光雷達受天氣等周邊環(huán)境的影響較大，雨雪霧天氣都會導(dǎo)致激光雷達的性能變差，如表 1 所示。在整車布置過程中需要考慮到這些因素。
表1 毫米波雷達和激光雷達主要性能對比
因為激光雷達的探測精度高，所以對雷達本身的位置變化也相對敏感。以 Velodyne HDL －64E 激光雷達為例，出廠時對每束激光校準(zhǔn)參數(shù)都已進行標(biāo)定，但在使用時，一般還需對該校準(zhǔn)參數(shù)進行重新標(biāo)定。
為了減少無人駕駛汽車的標(biāo)定和維護成本，需要盡可能將激光雷達與整車剛性連接，減少使用過程中的相對位移量。
為保證車頂激光雷達能夠均勻探測到整車周圍的環(huán)境，雷達應(yīng)該布置在整車車頂?shù)闹行膮^(qū)域，其安裝高度應(yīng)該由雷達的探測范圍和車身輪廓共同決定，要求激光雷達的探測范圍內(nèi)不能有車身零件的遮擋，雷達的探測盲區(qū)應(yīng)該小于無人駕駛整車系統(tǒng)標(biāo)定的要求值，如圖 4 所示。
車頂激光雷達應(yīng)該通過支架等方式固定到白車身較為堅固的部位，如側(cè)圍加強板等零件，以保證固定結(jié)構(gòu)堅固，并且盡量減少整車生命周期內(nèi)激光雷達的位移量。
圖4 車頂激光雷達的安裝高度示意圖
激光雷達的環(huán)境適應(yīng)性比較弱，所以需要為雷達配置相應(yīng)附加功能，盡可能保證激光雷達在不同工況下的工作性能。例如，為提高激光雷達在揚塵環(huán)境下的工作穩(wěn)定性，需要配備清洗功能。
又如，為提高雷達在冰雪天氣下的穩(wěn)定性，防止雷達自身積雪結(jié)冰，需要配備加熱功能。如果激光雷達自身的零件系統(tǒng)不能集成這些功能，那在整車集成的過程中，就需要考慮這些功能元件的布置空間和安裝固定方式。
車頂激光雷達在行駛過程中，遭遇碰撞的情況相對較少，一般只會出現(xiàn)在高空墜物、區(qū)域限高或者車輛翻滾的情況下。設(shè)計過程中可以根據(jù)車輛實際的應(yīng)用條件，考慮布置相應(yīng)的保護措施。
有些無人駕駛汽車會在整車前后保險杠區(qū)域布置激光雷達，實現(xiàn)目標(biāo)識別、車道識別和視野補充等功能。如圖 5 所示。
圖5 Junior無人駕駛車輛和感知元件
保險杠區(qū)域的激光雷達工作原理以及布置原則和車頂激光雷達類似，對于整車集成工作來說，有 3 個特殊的情況需要注意。
(1)保險杠區(qū)域的激光雷達不能直接固定在塑料件上，而是應(yīng)該通過( 金屬) 支架的形式固定到保險杠橫梁或者白車身上。這是因為，保險杠在整個生命周期中會有 5 mm 以上的相對位移量，這種數(shù)量級的位移量可能會導(dǎo)致激光雷達的校準(zhǔn)參數(shù)需要多次重新標(biāo)定;
(2)考慮到塑料件生命周期的下沉量以及零件熱力變形，在整車集成過程中，需要根據(jù)激光雷達的探測范圍參數(shù)，妥善設(shè)計雷達周邊零件和雷達的匹配關(guān)系，如開口和縫道尺寸、公差等;
(3)保險杠區(qū)域的激光雷達遭遇碰撞的概率相對較高，為了降低汽車輕微碰撞后的維護成本，應(yīng)當(dāng)采用和毫米波雷達類似的安全保護措施。
攝像頭的整車集成方案
攝像頭能夠獲取環(huán)境彩色景象信息，是無人車獲取環(huán)境信息的第二大來源。以奧迪 A8 為例，整車一共配備有 4 個全景攝像頭和一個前視攝像頭。全景攝像頭分別布置在整車前后和兩側(cè)外后視鏡，前視攝像頭則布置在內(nèi)后視鏡的基座位置。
全景攝像頭系統(tǒng)工作過程中，由 4 個以上的攝像頭對整車周邊進行同時成像，然后再進行圖像矯正和拼接，以獲得全景圖像( 見圖 6) 。通過全景攝像頭系統(tǒng)，整車可以獲得車輛周圍環(huán)境的全景圖像，并實現(xiàn)目標(biāo)識別。
圖6 攝像頭信號拼接圖
前部的全景攝像頭的位置通常處在前保險杠蒙皮( 包括格柵) 靠近中間區(qū)域( 見圖 7) ，后部全景攝像頭則可布置在后蓋或后保險杠的中間區(qū)域。允許攝像頭在車身寬度方向上有一定偏差，但此時需要整車圖像處理系統(tǒng)進行相應(yīng)匹配，避免出現(xiàn)圖像畸變等失效現(xiàn)象。
圖7 奧迪A8前部全景攝像頭
布置全景攝像頭時，要求攝像頭的探測盲區(qū)應(yīng)該小于無人駕駛整車系統(tǒng)標(biāo)定的要求值。如果攝像頭周邊有發(fā)光元件如外部氛圍燈，也要考慮避開攝像頭的探測區(qū)域，否則可能影響圖像后期處理的質(zhì)量。
前后部的全景攝像頭應(yīng)當(dāng)固定在保險杠蒙皮或者后蓋零件上。由于全景攝像頭的工作特點，一般攝像頭必須固定在靠近車身邊緣的區(qū)域。
在滿足探測區(qū)域要求的前提下，應(yīng)當(dāng)讓攝像頭盡量靠后布置，降低攝像頭在低速碰撞時受損的可能性。
大部分無人駕駛車型的側(cè)面全景攝像頭都集成在外后視鏡上( 見圖 8) ，這種方式使得側(cè)面全景攝像頭的布置不至于影響太多的車身零件，同時也能滿足攝像頭的工作要求。
有些概念車型甚至將外后視鏡取消，直接用全景攝像頭替代。在圖像處理技術(shù)不斷發(fā)展的情況下，這種功能集成的趨勢是有很大可能實現(xiàn)的。
圖8 奧迪A8側(cè)面全景攝像頭
除了全景攝像頭之外，前視攝像頭也是無人駕駛汽車的重要感知元件。通過前視攝像頭，汽車不僅能夠探測和識別道路上的車輛、行人等交通參與者，同時還能識別交通標(biāo)志、隔離帶、信號燈等交通信息。
絕大多數(shù)車型的前視攝像頭都集成在內(nèi)后視鏡的基座上，攝像頭處于車身正中位置。和激光雷達一樣，攝像頭也會受到天氣等環(huán)境因素的影響，在整車集成過程中，需要根據(jù)實際情況，考慮是否增加相應(yīng)的清洗和加熱功能。
攝像頭模塊自身可以集成加熱和清洗功能。如果攝像頭模塊的零件系統(tǒng)沒有集成這些功能，那在整車集成的過程中，就需要根據(jù)實際使用情況，考慮這些功能元件的布置空間和安裝固定方式。
前視攝像頭的清洗和加熱功能可以通過前風(fēng)窗玻璃系統(tǒng)的相應(yīng)功能元件來實現(xiàn)。
超聲波雷達的整車集成方案
超聲波感知元件是利用超聲波的特性研制而成的感知元件。超聲波在空氣中傳播時能量會有較大的衰減，難以得到準(zhǔn)確的距離信息，一般不單獨用于環(huán)境感知，或者僅僅用于對感知精度要求不高的場合，如倒車?yán)走_的探測任務(wù)中。
超聲波雷達已經(jīng)在汽車行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，無人駕駛汽車的超聲波雷達與傳統(tǒng)車型的功能相似，主要是停車輔助等功能。因此，整車集成和注意事項也和傳統(tǒng)車型一致，本文不再贅述。
結(jié)語
目前市場上還沒有出現(xiàn)真正投入商用的 L4級以上無人駕駛汽車，各大主流企業(yè)的無人駕駛車輛都還處在試驗階段。
未來隨著無人駕駛及其相關(guān)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，感知元件的種類、數(shù)量和工作參數(shù)都有可能發(fā)生變化。相應(yīng)地，整車集成方案也應(yīng)當(dāng)隨之進行調(diào)整。
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