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淺談汽車主動安全系統(tǒng)中的傳感器

2021-12-13 19:55:29·  來源：廣汽研究院集成安全技術(shù)部  
　
近年來，伴隨著汽車智能化的快速發(fā)展，主動安全技術(shù)在車輛上的應(yīng)用越來越普遍，與被動安全技術(shù)一起，成為保護道路上人們生命安全的重要手段。但與被動安全不同的
近年來，伴隨著汽車智能化的快速發(fā)展，主動安全技術(shù)在車輛上的應(yīng)用越來越普遍，與被動安全技術(shù)一起，成為保護道路上人們生命安全的重要手段。但與被動安全不同的是，主動安全技術(shù)需要依靠車輛上的各種傳感器，來探測獲取車輛周圍的各種信息，在碰撞前對車輛和駕駛員進行干預(yù)或提醒，從而避免交通事故的發(fā)生或減輕交通事故損傷的程度。
今天，我們就來聊聊車輛主動安全技術(shù)相關(guān)的傳感器：攝像頭、毫米波雷達和激光雷達。

01、攝像頭
攝像頭是我們比較常見的一種傳感器，它最大的優(yōu)點就是可以直接輸出車輛周邊環(huán)境的圖像信息，便于主動安全相關(guān)系統(tǒng)直觀地從圖像中識別物體的類別，并從中提取大量信息，因此攝像頭廣泛用于識別車外的車道線、限速交通標(biāo)志、車輛及行人等，同時，車內(nèi)的疲勞檢測系統(tǒng)也通過攝像頭識別駕駛員的疲勞狀態(tài)，以保證駕駛員的駕駛安全。

單個攝像頭組成的識別系統(tǒng)雖然能夠識別物體類別，但只能獲取到二維的信息，而由兩個攝像頭組成的雙目攝像頭識別系統(tǒng)，就可以通過左右攝像頭拍攝的兩張圖像，通過計算得到目標(biāo)的空間位置信息，其主要原理如下圖所示。

另外，不同于普通攝像頭采用機械快門或卷簾式快門，車載攝像頭一般都使用全局快門技術(shù)（Global shutter）。普通攝像頭所采用的機械快門或卷簾式快門，是從上往下沿一定順序逐行逐列對圖像的像素進行處理和曝光，在拍攝快速移動的物體時會產(chǎn)生明顯的拖影現(xiàn)象，而全局快門則是對圖像的所有像素整體進行處理和曝光，可避免拖影現(xiàn)象的產(chǎn)生，保證圖像的真實性。



但是，在霧天、雨天等能見度不佳或光照較差的條件下，攝像頭很容易變成“瞎子”，其功能大打折扣，這也是攝像頭明顯的缺點。
02、毫米波雷達
毫米波雷達通過對外發(fā)射無線電波，并使用天線接收目標(biāo)反射的無線電波，來測量目標(biāo)的距離、角度和速度。因為車載雷達的頻率一般為24GHz和77GHz，根據(jù)波長=光速/頻率可知，其波長為毫米級（嚴(yán)格來說，24GHz的波長屬于厘米級），所以稱其為毫米波雷達，也正是得益于較短的波長，毫米波雷達的接收天線體積可以做得非常小，有利于安裝在車內(nèi)。
根據(jù)可探測距離的不同，毫米波雷達主要分為SRR（短距離雷達，可探測距離<50米）、MRR（中距離雷達，可探測距離接近100米）和LRR（長距離雷達，可探測距離200~300米）。不同探測距離的毫米波雷達應(yīng)用在不同的場景中，如LRR一般用于自適應(yīng)巡航、自動緊急制動等需要探測遠距離的系統(tǒng)，SRR則一般用于后方車輛穿越預(yù)警、后側(cè)碰撞預(yù)警等探測近距離的系統(tǒng)。

毫米波雷達最大的優(yōu)點是可以使用多普勒效應(yīng)直接測量得到目標(biāo)的速度，被廣泛用于自適應(yīng)巡航的跟車功能中。另外，由于毫米波雷達對非金屬物質(zhì)具有較強的穿透性，在雨、霧和沙塵等惡劣環(huán)境下都能正常工作，可實現(xiàn)全天候工作，也可以隱藏安裝在車輛保險杠內(nèi)部，不影響車輛外造型。
但是，毫米波雷達的缺點在于其不能探測到目標(biāo)的高度信息，對物體的識別能力和對場景的還原能力較差。
03、激光雷達
激光雷達的全稱為Light Detection And Ranging，通過主動向外界發(fā)射激光束，然后接收目標(biāo)反射的激光，來測量目標(biāo)的距離。我們常見的激光雷達是安裝在車頂上的可360°旋轉(zhuǎn)的機械式激光雷達，其里面安裝有豎直排列的激光發(fā)射器，可向外界同時發(fā)射出不同數(shù)量的激光束，如常見的64線、128線激光雷達，即可同時向外界發(fā)射64束或128束激光，由于這些激光束呈豎直不均勻排列，所以能夠便捷地探測到目標(biāo)的高度信息。

單一激光束反射到激光雷達的接收器上，會形成一個點的信號，該信號包括了該點在激光雷達坐標(biāo)系里的x、y、z坐標(biāo)以及反射強度信息，多個豎直排列的激光束經(jīng)過360°旋轉(zhuǎn)后，就能形成了很多點，被稱為點云，通過算法對點云進行處理，就能重建出周圍的環(huán)境，實現(xiàn)精確的探測。

機械式激光雷達由于要進行360°旋轉(zhuǎn)運動，其耐用性難以達到車規(guī)級要求，同時安裝在車頂也影響了車輛的造型及性能，所以不需要進行360°旋轉(zhuǎn)運動的純固態(tài)激光雷達和混合固態(tài)激光雷達成為了新的發(fā)展方向。



純固態(tài)激光雷達無運動機構(gòu)，主要分為OPA光學(xué)相控陣和Flash閃光兩種，OPA光學(xué)相控陣激光雷達主要利用相位差控制光波的干涉，實現(xiàn)激光轉(zhuǎn)向而達到往復(fù)掃描效果。而Flash閃光激光雷達則是在短時間內(nèi)發(fā)射出一大片覆蓋探測區(qū)域的激光，通過接收反射激光來探測信息。而混合固態(tài)激光雷達則在內(nèi)部加入了微振鏡、轉(zhuǎn)鏡和棱鏡等機構(gòu)，通過以上機構(gòu)的微小運動改變激光的發(fā)射方向，實現(xiàn)激光對外界的掃描。如大疆的Livox激光雷達就使用了雙棱鏡機構(gòu)，并采用非重復(fù)采樣的策略，將激光束掃描的點投影到一個平面上，就形成了菊花狀，又稱為“菊花云”。

純固態(tài)和混合固態(tài)的激光雷達只能面向一個方向進行掃描探測，其面積往往無法滿足要求，所以一般會在車上布置多個激光雷達，以增大掃描面積，保證探測的精度。
激光雷達具有探測精度高，對環(huán)境重建后也能使用深度學(xué)習(xí)等算法識別出周圍物體的類別等優(yōu)點，但是由于空氣中的雨霧和灰塵都會對激光進行反射，激光雷達難以做到全天候感知，其成本也遠高于毫米波雷達和攝像頭。
04、結(jié)語
以上3種傳感器各有優(yōu)缺點，目前車輛可通過搭載多種傳感器，并通過傳感器信息融合技術(shù)，達到感知信息的冗余，確保決策的正確性，如今年發(fā)布的小鵬P5、極狐阿爾法S等車型，都同時搭載了激光雷達、毫米波雷達和攝像頭等多種傳感器。當(dāng)然，也可以通過后期的算法來彌補某一傳感器的缺點，達到使用一種傳感器就能滿足車輛感知需求的效果，如特斯拉就宣布放棄使用激光雷達和毫米波雷達，只使用攝像頭走純視覺技術(shù)路線。


總的來說，不同的車企可能會選擇不同的技術(shù)路線，但最終目的都是為了讓汽車更加智能化，讓汽車主動安全變得更可靠、更強有力。實現(xiàn)道路交通零傷亡目標(biāo)，我們永遠在路上！

文章：黃宏滔

編輯：金瑋

廣汽研究院集成安全技術(shù)部

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