作者：北斗（10年智能座艙及導(dǎo)航娛樂系統(tǒng)開發(fā)管理經(jīng)驗(yàn)、3年自動(dòng)駕駛產(chǎn)品化經(jīng)驗(yàn)、5年自動(dòng)駕駛模擬仿真測(cè)試環(huán)境構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)）

無論是自動(dòng)駕駛（AD）還是高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS），都是依靠高精度攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等感知傳感器對(duì)車輛周邊環(huán)境進(jìn)行感知識(shí)別來實(shí)現(xiàn)的。

伴隨人工智能（AI）技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)駕駛車輛也進(jìn)入了人工智能（AI）時(shí)代。如果說AI是自動(dòng)駕駛車輛的腦子，那這些高精度感知傳感器就是是自動(dòng)駕駛車輛的眼睛。本文對(duì)自動(dòng)駕駛車輛是感知傳感器及其相關(guān)情況進(jìn)行介紹。

■核心傳感器①：視覺攝像頭的功能?構(gòu)造?應(yīng)用

一般的自動(dòng)駕駛（AD）還是高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)（ADAS）的視覺攝像頭會(huì)配置在駕駛室內(nèi)部，朝向車輛行駛方向。前向攝像頭透過風(fēng)擋玻璃對(duì)前方的環(huán)境進(jìn)行拍攝，獲取的視頻數(shù)據(jù)基于人工智能（AI）和圖像處理技術(shù)，圖像處理單元對(duì)拍攝圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)的解析。數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，車輛前方的車輛、行人以及障礙物被識(shí)別出來。交通道路標(biāo)志也會(huì)被攝像頭識(shí)別出來，用于系統(tǒng)對(duì)車輛縱向速度的控制。行車道中的白色車道線也會(huì)被識(shí)別出來，用于系統(tǒng)對(duì)車輛橫向方位的控制，避免車輛違規(guī)壓越車道線。

圖1 單目攝像頭結(jié)構(gòu)示意圖

單目攝像頭在對(duì)目標(biāo)檢測(cè)測(cè)距方面存在一定的劣勢(shì)，而雙目攝像頭因?yàn)樘峁┝藦?fù)數(shù)的攝像頭視點(diǎn)，可以進(jìn)行同步拍攝，所以測(cè)距方面能力會(huì)更好一些。攝像頭作為感知傳感器不單出應(yīng)用于車輛前方的環(huán)境感知，同時(shí)也可以應(yīng)用于車輛后向情況感知、車輛兩側(cè)盲區(qū)檢測(cè)、車輛行駛道路路面情況解析等。

受惡劣天氣、夜間、逆光的影響大

攝像頭拍攝照片、視頻的效果，基本和人的眼睛看到東西的原理是相同的。在夜間環(huán)境、逆光環(huán)境、濃霧、暴雨、暴雪等惡劣天氣情況下，攝像頭對(duì)物體的感知能力會(huì)受到影響，甚至無法識(shí)別。

圖2   暴雪等惡劣天氣中的車輛行駛狀態(tài)

激烈的競(jìng)爭推動(dòng)立體攝像頭的開發(fā)

攝像頭主要有單目攝像頭和立體攝像頭兩大分類。對(duì)目標(biāo)進(jìn)行多角度拍攝的立體攝像頭的開發(fā)推進(jìn)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)和高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)搭載立體攝像頭后，可以有效防止車輛交通事故的發(fā)生。所以，目前有部分自動(dòng)駕駛車輛已經(jīng)搭載了這種類型的傳感器。

特斯拉僅使用高精度立體攝像頭實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中除了高精度攝像頭之外，還包括激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等進(jìn)行傳感器融合使用。美國新能源汽車廠家特斯拉針對(duì)完全自動(dòng)駕駛的構(gòu)想是，單純以類似人眼的高精度攝像頭作為感知傳感器，對(duì)車輛行駛周邊環(huán)境進(jìn)行感知。高精度攝像頭和人工智能（AI）作為自動(dòng)駕駛主體，配合3D高精度地圖實(shí)現(xiàn)了車輛的全面自動(dòng)駕駛。

■核心傳感器①：毫米波雷達(dá)的功能?構(gòu)造?應(yīng)用

自動(dòng)駕駛技術(shù)中另一個(gè)廣泛使用的傳感器就是毫米波雷達(dá)。所謂毫米波是指微波的波長，毫米波雷達(dá)發(fā)出毫米波對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，利用毫米波回波進(jìn)行被測(cè)物的距離、方位等特性的分析檢測(cè)。目前應(yīng)用比較廣泛的毫米波雷達(dá)，使用頻率是77GHz、24GHz。

毫米波雷達(dá)的構(gòu)成基本上由雷達(dá)框體、雷達(dá)電路板以及雷達(dá)外殼組成。雷達(dá)框體一般在雷達(dá)的中間層，用于固定支持雷達(dá)電路板，同時(shí)也起到一定的散熱和屏蔽作用。雷達(dá)電路板一般分為兩塊，一塊是RF電路、一塊是電源電路，目前也有采用單芯片集成方案的雷達(dá)采用的是一塊電路板。雷達(dá)外殼包括雷達(dá)罩（前殼）和雷達(dá)后殼，前殼一方面起到導(dǎo)流罩作用，一方面也保護(hù)雷達(dá)電路板不受外界損害，由于需要對(duì)雷達(dá)毫米波的通過性不能產(chǎn)生影響一般使用非金屬材料，波后蓋材料用于固定毫米波雷達(dá)，多選用樹脂或金屬材料，也兼?zhèn)湟徊糠稚峁δ堋?

圖3 毫米波雷達(dá)結(jié)構(gòu)分解示意圖

對(duì)反射率弱的物體感知困難

毫米波雷達(dá)作為傳感器，感知介質(zhì)依靠毫米波。毫米波受天氣、光照等環(huán)境因素影響較小，在外界環(huán)境變化時(shí)，依舊可以維持原有感知能力，探測(cè)出目標(biāo)的特性，這是此類傳感器的優(yōu)勢(shì)。但對(duì)于反射率低的物體，比如瓦楞紙箱、發(fā)泡塑料等材料，感知能力就變得較差，這也是此類傳感器的性能邊界。

L2+整車搭載率提升雷達(dá)需求增加

根據(jù)國內(nèi)經(jīng)濟(jì)研究所的調(diào)查，隨著“自動(dòng)駕駛L2+”整車搭載率擴(kuò)大，毫米波雷達(dá)的市場(chǎng)需求已經(jīng)變得異常活躍。ADAS是實(shí)現(xiàn)汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的重要條件，目前中國ADAS滲透率相對(duì)較低，預(yù)計(jì)至2025年中國ADAS滲透率有望超過90%，毫米波雷達(dá)作為ADAS重要配件，有望受益于ADAS滲透率提升進(jìn)一步放量。

為了實(shí)現(xiàn)L2+級(jí)解放雙手的自動(dòng)駕駛功能，系統(tǒng)不僅需要搭載前向攝像頭和前向毫米波雷達(dá)，還需要在車輛的四周安裝短距離探測(cè)雷達(dá)，以擴(kuò)大車輛周圍的檢測(cè)范圍，從而提升感知能力和準(zhǔn)確性。隨著自動(dòng)駕駛等級(jí)提升，將帶動(dòng)毫米波雷達(dá)搭載量提升，目前L1/2級(jí)別車輛為智能汽車市場(chǎng)主流，單車毫米波雷達(dá)搭載量一般為1-3顆，隨自動(dòng)駕駛等級(jí)向L2+邁進(jìn)，單車?yán)走_(dá)搭載量將增至5顆以上，與ADAS滲透率提升雙輪驅(qū)動(dòng)毫米波雷達(dá)放量。智能駕駛車輛需求推動(dòng)ADAS滲透率提升，毫米波雷達(dá)將成為未來汽車標(biāo)配。

圖4   毫米波雷達(dá)搭載趨勢(shì)示意圖

■核心傳感器③：激光雷達(dá)的功能?構(gòu)造?用途

LiDAR其實(shí)是“Laser Imaging Detection and Ranging（激光圖像檢測(cè)和測(cè)距）”、“Light Detection and Ranging（光檢測(cè)和測(cè)距）”的縮寫。激光雷達(dá)利用脈沖狀照射激光（紅外線），根據(jù)被對(duì)象物反射回來的時(shí)間來測(cè)量距離。

激光雷達(dá)也被稱為掃描LiDAR傳感器，它不僅可以測(cè)距也可以檢測(cè)被測(cè)物的方位。檢測(cè)原理是使用可動(dòng)反射鏡，來改變縮小后的激光方向，并進(jìn)行快速掃描，通過物體反射后進(jìn)行檢測(cè)。與毫米波雷達(dá)相比，LiDAR使用了波長更短的紅外線作為感知介質(zhì)，所以感知的空間分辨能力更強(qiáng)。

圖5   激光雷達(dá)組件示意圖

反射率弱的物體感知不受影響

因?yàn)長iDAR使用的是激光，所以電波反射率低的瓦楞板紙箱、木材、發(fā)泡泡沫塑料等也可以被檢測(cè)到。具備高空間分辨率的掃描LiDAR除了檢測(cè)對(duì)象物距離和方位以外，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)對(duì)象物之間的自由空間的檢測(cè)。

高性價(jià)比LiDAR研發(fā)量產(chǎn)競(jìng)爭激烈

LiDAR的開發(fā)初期，作為彌補(bǔ)攝像頭和毫米波雷達(dá)的缺點(diǎn)的感知傳感器受到了廣泛關(guān)注，但由于其價(jià)格昂貴一直沒有真正實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化。大部分激光雷達(dá)制造商，將激光雷達(dá)在無人機(jī)、機(jī)器人、無人車、軌道交通等具體設(shè)備及相關(guān)領(lǐng)域上的應(yīng)用作為主要研究方向，逐步滲透ADAS市場(chǎng)。同時(shí)，各公司也逐漸采用固態(tài)和混合固態(tài)激光雷達(dá)來替代傳統(tǒng)機(jī)械式激光雷達(dá)。

由于激光雷達(dá)領(lǐng)域競(jìng)爭激烈，所以各制造商也在竭盡所能地革新各自的雷達(dá)產(chǎn)品，同時(shí)激光雷達(dá)市場(chǎng)也充斥著并購行為。相應(yīng)的，汽車制造商和一級(jí)零部件供應(yīng)商也在如何部署和為哪些應(yīng)用部署激光雷達(dá)的問題上存在重大分歧，這也進(jìn)一步促使激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)內(nèi)部競(jìng)爭激化。

■結(jié)論：三種主要傳感器協(xié)同發(fā)展

從上面的介紹不難看出，三種主要感知傳感器從工作原理到應(yīng)用邊界，都有各自不太的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。而在自動(dòng)駕駛場(chǎng)景下，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)為了確保L3及其以上無人駕駛功能的實(shí)現(xiàn)，至少需要三種傳感器系統(tǒng):攝像頭、雷達(dá)和激光探測(cè)，而且單種類需要存在復(fù)數(shù)使用需求，將傳感器分布在車輛的不同位置上共同協(xié)同感知，才能應(yīng)對(duì)各種突發(fā)場(chǎng)景情況。所以從自動(dòng)駕駛產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求角度出發(fā)，目前三種傳感器的發(fā)展快速增長狀態(tài)，后續(xù)自動(dòng)駕駛車輛必定需要多種感知類型協(xié)同發(fā)展。從測(cè)試角度上，更多類型和數(shù)量的傳感器應(yīng)用，也為測(cè)試系統(tǒng)提出了更高的要求。