智能網(wǎng)聯(lián)汽車概論-第四章-智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)

第四章智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知技術(shù)概述隨著機(jī)器視覺、雷達(dá)傳感器、超聲波傳感器、激光傳感器等傳感技術(shù)的進(jìn)步，大量的傳感器開始在汽車上應(yīng)用。這一階段，智能汽車環(huán)境感知傳感系統(tǒng)主要使用毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭等傳感器。感知的具體方法有雷達(dá)感知和視覺感知。智能網(wǎng)聯(lián)汽車自動駕駛的前提是實(shí)時(shí)高精度高可靠性道路交通環(huán)境感知，傳感器作為環(huán)境感知與控制系統(tǒng)的信息源、電子眼，是其中的關(guān)鍵部件，也是自動駕駛技術(shù)領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容之一。4.1激光雷達(dá)概述激光雷達(dá)。即LiDAR(LightDetectionandRanging)，是以發(fā)射激光束探測目標(biāo)的位置，速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。其工作原理是向目標(biāo)發(fā)射探測信號(激光)然后將接收到的從目標(biāo)反射回來的信號(目標(biāo)回波)與發(fā)射信號進(jìn)行比較。做適當(dāng)處理后。就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息。如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)，甚至形狀等參數(shù)。從而對障礙物、移動物體等目標(biāo)進(jìn)行探測、跟蹤和識別。工作原理激光雷達(dá)是一種激光測距系統(tǒng)，用于獲取數(shù)據(jù)并產(chǎn)生精確的數(shù)字高程模型(DEM)。微光本身具有非常精確的測距能力，其測距精度可達(dá)厘米級。而隨著商用GPS和IMU(慣性測量單元)的發(fā)展。通過激光雷達(dá)從移動平臺上獲得高精度的數(shù)據(jù)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)并被廣泛應(yīng)用。激光掃描測量是通過激光掃描器和距離傳感器來獲取被測目標(biāo)的表面形態(tài)的。激光掃描器一般由激光發(fā)射器、接收器、時(shí)間計(jì)數(shù)器、微計(jì)算機(jī)等組成。激光脈沖發(fā)射器周期地驅(qū)動激光二極管發(fā)射激光脈沖,然后由接收透鏡接收目標(biāo)表面后向反射信號，產(chǎn)生接收信號。利用穩(wěn)定的石英時(shí)鐘對發(fā)射與接收時(shí)間差做計(jì)數(shù)，經(jīng)由微機(jī)對測量資料進(jìn)行內(nèi)部微處理，顯示或存儲、輸出距離和角度資料,并與距離傳感器獲取的數(shù)據(jù)相匹配，最后經(jīng)過相應(yīng)系統(tǒng)軟件進(jìn)行一系列處理，獲取目標(biāo)表面三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行各種量算或建立立體模型。激光雷達(dá)通過脈沖激光不斷地掃描目標(biāo)物，就可以得到目標(biāo)物上全部目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，使用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理后，就可以得到精確的三維立體圖像。另外，激光束發(fā)射的頻率一般是每秒幾萬個(gè)脈沖以上。舉例而言，一個(gè)頻率為每秒一萬次脈沖的系統(tǒng)，接收器將會在一分鐘內(nèi)記錄六十萬個(gè)點(diǎn)。優(yōu)缺點(diǎn)圖4-1為激光雷達(dá)的工作示意圖。與普通微波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)由于使用的是激光束、工作頻率較微波高了許多。因此有很多優(yōu)點(diǎn)，主要包含以下幾點(diǎn)：1.分辨率高、精度高2.抗有源干擾能力強(qiáng)3.獲取的信息量豐富但是，激光雷達(dá)也有明顯的缺點(diǎn)：1.雨雪、霧霾天氣精度下降2.激光雷達(dá)難以分辨交通標(biāo)志的含義和交通信號燈顏色3.激光雷達(dá)接收的是光信號，容易受太陽光、其他車輛的激光雷達(dá)等光線影響。4.現(xiàn)階段成本較高。圖4-1激光雷達(dá)的工作原理示意圖激光雷達(dá)在自動駕駛汽車中的應(yīng)用

與其他雷達(dá)系統(tǒng)相比，激光雷達(dá)有著探測范圍更廣。探測精度更高的優(yōu)勢。激光雷達(dá)，因此成為了目前自動駕駛汽車上應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。激光雷達(dá)在自動駕駛中有范地核心功能:三維環(huán)境感知和SLAM加強(qiáng)定位。在三維環(huán)境感知方面。激光雷達(dá)通過激光下描可以得到汽車周圍環(huán)境的三維模型。運(yùn)用相關(guān)算法比對上一幀和下一幀環(huán)境的變化可以較為容易地探測出周圍的車輛和行人，并進(jìn)行障礙物的檢測、分類和跟蹤。在SLAM加強(qiáng)定位方面，激光雷達(dá)可以通過掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)同步創(chuàng)建地圖，因此，激光雷達(dá)在生成高精地圖中是一個(gè)非常重要的傳感器。另外。激光雷達(dá)有著較為穩(wěn)定的優(yōu)勢，受環(huán)境光能的影響較小、因此定位和地圖創(chuàng)建的精度高。圖4-2為基于激光雷達(dá)的示意圖。圖4-2基于激光雷達(dá)的定位示意圖激光雷達(dá)在自動駕駛汽車中的應(yīng)用激光雷達(dá)按線束數(shù)量分,可以分為單線束激光雷達(dá)和多線束激光雷達(dá)。目前應(yīng)用到自動駕駛中的激光雷達(dá)產(chǎn)品主要有4線束、16線束以及64線束激光雷達(dá)，功能更加強(qiáng)大的128線束激光雷達(dá)也已經(jīng)亮相。激光雷達(dá)迄今為止最為成熟、應(yīng)用最廣的形態(tài)為機(jī)械式激光雷達(dá)。機(jī)械式激光雷達(dá)是指其發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)存在宏觀意義上的轉(zhuǎn)動，也就是通過不斷旋轉(zhuǎn)發(fā)射頭，將速度更快、發(fā)射更準(zhǔn)的激光從“線”變?yōu)椤懊妗?，并在豎直方向上排布多束激光(如32線束、64線束激光雷達(dá))，形成多個(gè)面，達(dá)到動態(tài)三維掃描并動態(tài)接收信息的目的。比如64線激光雷達(dá)，其豎直排布的激光發(fā)射器呈不同角度向外發(fā)射，實(shí)現(xiàn)垂直角度的覆蓋，同時(shí)在高速旋轉(zhuǎn)的電動機(jī)殼體的帶動下，實(shí)現(xiàn)水平角度360的全覆蓋。圖2-3為百度Apollo無人駕駛汽車安裝在車頂?shù)募す饫走_(dá)示意圖。圖4-3百度Apollo無人駕駛汽車4.2超聲波傳感器概述據(jù)相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，在普通駕駛汽車中，15%的汽車碰撞事故是因倒車時(shí)汽車的后視能力不良造成的。因此，增加汽車的后視能力，研制汽車后部探測障礙物的倒車?yán)走_(dá)便成為近年來的研究熱點(diǎn)。安全避免碰撞障礙物的前提是快速、準(zhǔn)確地測量障礙物與汽車之間的距離。為此，利用超聲波實(shí)現(xiàn)無接觸測距的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)對自動駕駛汽車是必要的。超聲波傳感器是通過發(fā)射并接收40kHz的超聲波，根據(jù)時(shí)間差算出障礙物距離的，其測距精度大約是1~3cm。其構(gòu)造一般分為等方性傳感器和異方性傳感器，其中等方性傳感器為水平角度與垂直角度相同，而異方性傳感器水平角度與垂直角度不同。等方性傳感器的缺點(diǎn)在于垂直照射角度過大，容易探測到地,無法偵測較遠(yuǎn)的距離。異方性超聲波的缺點(diǎn)在于其探頭產(chǎn)生的超聲波波形強(qiáng)弱較不穩(wěn)定，而容易產(chǎn)生誤報(bào)警的情況。超聲波傳感器的技術(shù)方案一般有模擬式、四線式數(shù)位、二線式數(shù)位、三線式主動數(shù)位,其中前三種在信號干擾的處理效果上依次提升。工作原理

聲波的指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，遇到障礙物后反射效率高，是測距的良好載體。測距時(shí)由安裝在同一位置的超聲波發(fā)射器和接收器完成超聲波的發(fā)射與接收，由定時(shí)器計(jì)時(shí)首先由發(fā)射器向特定方向發(fā)射超聲波并同時(shí)啟動計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，超聲波在介質(zhì)傳播途中一日遇到障礙物后就被反射回來,當(dāng)接收器收到反射波后立即停止計(jì)時(shí)。超聲波傳感器的工作可用圖4-7的數(shù)學(xué)模型來表示,其中a為超聲波傳感器的探測角，一般UPA的探測角為120°左右，APA的探測角較小,為80°左右；B為超聲波雷達(dá)檢測寬度范圍的影響元素之一,該角度一般較小，一般UPA的角度為20°左右,APA的較為特殊，為0°；R也是超聲波雷達(dá)檢測寬度范圍的影響元素之一，UPA和APA的R值差別不大，都在0.6m左右;D是超聲波雷達(dá)的最大量程。圖4-7超聲波雷達(dá)數(shù)學(xué)模型優(yōu)缺點(diǎn)在實(shí)際使用中，超聲波能量消耗較為緩慢。防水、防塵。即使有少量的泥沙遮擋也不影響，在介質(zhì)中的傳播距離較遠(yuǎn)，穿透性強(qiáng)，測距方法簡單，成本低，且不受光線條件的影響，有著眾多的優(yōu)點(diǎn)，在短距離測量中，超聲波雷達(dá)測距有著非常大的優(yōu)勢。但是，超聲波是一種機(jī)械波，使得超聲波雷達(dá)有著以下幾種局限性：對溫度敏感，超聲波散射角大，方向性較差，無法精確描述障礙物位置，在測量較遠(yuǎn)距離的目標(biāo)時(shí)，其回波信號較弱，影響測量精度。超聲波雷達(dá)在自動駕駛汽車上的應(yīng)用

由于距離越遠(yuǎn)靈敏度越低，超聲波雷達(dá)在自動駕駛汽車上主要用于泊車系統(tǒng)、輔助制動等。通常一套倒車?yán)走_(dá)需要安裝4個(gè)UPA，而自動泊車系統(tǒng)是在倒車?yán)走_(dá)的基礎(chǔ)上再加4個(gè)UPA和4個(gè)APAUPA的探測距離一般在15~250cm，主要用于測量汽車前后方向的障礙物。APA的探測距離一般在30~500em.探測范圍更遠(yuǎn),因此相比于UPA成本更高，功率也更大。APA的探測距離優(yōu)勢讓它不僅能夠檢測左右側(cè)的障礙物，而且還能根據(jù)超聲波雷達(dá)返回的數(shù)據(jù)判斷庫位是否存在。APA是自動泊車系統(tǒng)的核心部件，探測距離較遠(yuǎn)可用作探測車位寬度，獲得車位尺寸及車輛的位置信息。APA與倒車?yán)走_(dá)工作頻率不同，不形成干擾。

超聲波雷達(dá)最基礎(chǔ)的應(yīng)用就是倒車輔助。在這個(gè)過程中，超聲波傳感器通常需要同控制器和顯示器結(jié)合使用，從而以聲音或者更直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除駕駛員泊車、倒車和啟動車輛時(shí)前后左右探視引起的困擾，并幫助駕駛員掃除視野死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛安全性。4.3攝像頭概述攝像頭可以采集汽車周邊圖像信息，與人類視覺最為接近。攝像頭可以擁有較廣的垂直視場角、較高的縱向分辨率，而且可以提供顏色和3理信息等。這些信息有助于自動駕駛系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)行人檢測、車輛識別、交通標(biāo)志識別等相對高層語義的任務(wù)。攝像頭通過采集的圖像或者圖像序列，經(jīng)過計(jì)算機(jī)的處理分析，能夠識別豐富的環(huán)境信息，如行人、自行車、機(jī)動車、道路軌道線、路牙、路牌、信號燈等。更為重要的是通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法加持、還可以實(shí)現(xiàn)車距測量、道路循跡，從而實(shí)現(xiàn)前車碰撞預(yù)警(FCW)和車道偏離預(yù)警(LDW)。工作原理

基于車載攝像頭的視覺傳感系統(tǒng)的基本理如下:首相將圖片轉(zhuǎn)化為二維數(shù)據(jù)，然后通過圖像匹配進(jìn)行識別，如車輛、行人、車道線、交通標(biāo)志等。利用物體的運(yùn)動模式，或雙目定位，估算目標(biāo)物體與本車的相對距離和相對速度，實(shí)現(xiàn)測距。硬件方面，車載攝像頭主要由CMOS鏡頭(包括lens和光感芯片等)芯片、其他物料(內(nèi)存SIM卡外殼)組成CMOS有讀信息方式簡單、輸出信息速率快、耗電少、集成度高、價(jià)格低等特點(diǎn)，是車載攝像頭市場的核心。軟件方面，以Mobileye為例，主要體現(xiàn)在芯片的升級和處理平臺的升級、工作頻率從122MHz升到332MHz，訪問方式的改變使速率提升一倍，.圖像由640pxx480px彩色像素提升到2048pxx2048px(輸入)和4096pxx2048px(輸出)等。優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用車載攝像頭的優(yōu)點(diǎn)十分明顯:技術(shù)成熟、成本低、采集信息十分豐富，包含最接近人類視覺的語義信息。其缺點(diǎn)主要是攝像頭受光照、環(huán)境影響十分大，很難全天候工作，在黑夜、雨雪、大霧等能見度較低的情況下，其識別率大幅度降低。車載攝像頭的另一缺點(diǎn)就是缺乏深度信息，三維立體空間感不強(qiáng)。車載攝像頭是高級駕駛輔助系統(tǒng)(AdvancedDriverAssistanceSystems,ADAS)