智能網(wǎng)聯(lián)汽車概論-領(lǐng)域二 智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知

智能網(wǎng)聯(lián)汽車概論智能網(wǎng)聯(lián)汽車

環(huán)境感知PART2要實(shí)現(xiàn)汽車自動(dòng)駕駛，需要讓汽車具備感知周圍環(huán)境的能力。人類在駕駛時(shí)，可以通過眼睛來觀察路況和其他車輛，而汽車則可以借助多種傳感器來感知周圍環(huán)境，例如毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)和激光雷達(dá)等。這些傳感器可以采集車輛環(huán)境數(shù)據(jù)，檢測道路基礎(chǔ)設(shè)施和目標(biāo)物的距離、方位和形狀，然后將數(shù)據(jù)傳送給微控制器和汽車電子控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)駕駛輔助或自主式自動(dòng)駕駛。除了傳統(tǒng)的雷達(dá)技術(shù)，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵。在實(shí)現(xiàn)感知的過程中，需要運(yùn)用大量的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)。情景導(dǎo)入計(jì)算機(jī)視覺是指計(jì)算機(jī)看待和理解世界的方式，它通過處理數(shù)字圖像來識別圖像中的物體和它們之間的關(guān)系。對于人類來說，識別圖像中的物體和場景是一件輕松的事情，但是對計(jì)算機(jī)來說，并非如此簡單。圖像只是由紅色、綠色和藍(lán)色值的集合組成，如何將這些顏色值解讀成有意義的圖像內(nèi)容對計(jì)算機(jī)來說是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。因此，需要使用各種計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，如圖像處理、特征提取、目標(biāo)檢測和目標(biāo)跟蹤等，來對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)對周圍環(huán)境的準(zhǔn)確感知。作為當(dāng)代大學(xué)生，我們應(yīng)該關(guān)注國家的科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，了解自動(dòng)駕駛技術(shù)的原理和應(yīng)用，積極參與相關(guān)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐活動(dòng)，為推動(dòng)我國汽車工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級貢獻(xiàn)自己的力量。情景導(dǎo)入任務(wù)描述視覺識別技術(shù)利用攝像頭傳感器采集的圖像數(shù)據(jù)，對圖像中的目標(biāo)物及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和相關(guān)信息進(jìn)行識別。攝像頭傳感器是重要的車載傳感器，攝像頭傳感器與視覺識別技術(shù)結(jié)合，可識別車輛的安全行駛區(qū)域、道路基礎(chǔ)設(shè)施、道路目標(biāo)物、交通標(biāo)志的信息和交通信號燈的信號等，它們與預(yù)警系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)結(jié)合可實(shí)現(xiàn)L1-L2級別的駕駛輔助功能，與自動(dòng)駕駛系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)結(jié)合可用于實(shí)現(xiàn)L3級別及以上的自動(dòng)駕駛。學(xué)習(xí)單元一基于視覺的環(huán)境感知一、視覺傳感器1.視覺傳感器工作原理視覺傳感器由鏡頭、圖像傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、圖像處理器、圖像儲(chǔ)存器組成，如圖2-1所示，光線照到目標(biāo)上，反射后再穿過鏡頭傳到圖像傳感器，圖像傳感器將鏡頭的光線轉(zhuǎn)換為模擬圖像信號并傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換器中，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號再發(fā)送至圖像處理器。圖像處理器將數(shù)字信號處理后變?yōu)閴嚎s圖像信號，最后在圖像儲(chǔ)存器里儲(chǔ)存起來。圖像傳感器的作用是將鏡頭所呈現(xiàn)的圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字或模擬信號輸出，是視覺檢測的核心部件，主要有CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器兩種，如圖2-2。

(１)攝像頭解析力(２)攝像頭靈敏度(３)攝像頭信噪比2.車載攝像頭的主要參數(shù)車載攝像頭中可以接受的信噪比是40db，當(dāng)信噪比達(dá)到55db的時(shí)候，這時(shí)候噪聲基本看不出來。

4.視覺傳感器的環(huán)境感知流程(１)圖像采集

(２)圖像預(yù)處理(３)圖像特征提取

(４)圖像模式識別(５)結(jié)果傳輸2.視覺傳感器的特點(diǎn)1.車載攝像頭的工藝需求相比工業(yè)級與消費(fèi)機(jī)攝像頭，車載類型在安全級別上要求更高，尤其是對前置攝像頭安全等級要求更高3.視覺傳感器的類型（1）單目攝像頭

(２)雙目攝像頭

(３)環(huán)視攝像頭二、汽車感知傳感器分布在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，前視安裝的攝像頭是必備的；車廠可根據(jù)其自動(dòng)駕駛的技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑，有選擇地安裝后視、側(cè)視和環(huán)視攝像頭，用于自動(dòng)泊車和盲區(qū)檢測等功能；內(nèi)置攝像頭可以對駕駛員疲勞度進(jìn)行檢測。由于攝像頭傳感器和視覺識別算法在大霧、強(qiáng)光和黑夜等環(huán)境下會(huì)失效，在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，攝像頭傳感器往往與其他車載傳感設(shè)備組合使用，以提升車輛環(huán)境和交通環(huán)境感知的冗余度。

1.Tesla感知傳感器布置2.攝像頭實(shí)現(xiàn)ＡＤＡＳ功能(圖２-５)車載攝像頭是ADAS系統(tǒng)的主要視覺傳感器，借由鏡頭采集圖像后，有攝像頭內(nèi)的感光組件電路及控制組件對圖像進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)化為電腦能處理的數(shù)字信號，從而實(shí)現(xiàn)感知車輛周邊的路況情況，實(shí)現(xiàn)前向碰撞預(yù)警，車道偏移報(bào)警和行人檢測等ADAS功能，各類功能如表2-3，圖2-5所示。3.攝像頭布置

目前車上搭載的車載攝像頭根據(jù)安裝位置主要分為車載攝像頭主要分為前視攝像頭、環(huán)視攝像頭、后視攝像頭、側(cè)視攝像頭以及內(nèi)置攝像頭五種類別。

（7）側(cè)前視攝像頭（3）前視廣角攝像頭（5）環(huán)視攝像頭（8）側(cè)后視攝像頭（6）后視攝像頭（2）前視主攝像頭（4）前視窄角攝像頭（1）前視攝像頭（9）內(nèi)置攝像頭4.攝像頭核心感知指標(biāo)

ROI是RegionofInterest的縮寫，即感興趣區(qū)域。在不同的情況下用戶關(guān)心的圖像區(qū)域是不同的，因此ROI所指含義也不同。對于物體檢測的目標(biāo)ROI，ROI就是要找到對象在圖像的方框，在行人檢測中，ROI即圖2-6中的黃色方框。

(1)車輛檢測（2）行人檢測（3）車道線檢測（含停止線及斑馬線）（4）交通標(biāo)識檢測（5）交通燈檢測（6）可行獨(dú)區(qū)域?qū)W習(xí)小結(jié)1.圖像傳感器是視覺檢測的核心部件，主要有CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器兩種。2.攝像頭的解析力與分辨率是線性相關(guān)的。3.信噪比指的是信號電壓對于噪聲電壓的比值，通常用S/N符號來表示，信噪比又分亮度信噪比和色度信噪比。4.視覺傳感器在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的應(yīng)用是以攝像頭方式出現(xiàn)的，主要用于車道偏離預(yù)警系統(tǒng)、車道保持輔助系統(tǒng)、盲區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)、自動(dòng)剎車輔助系統(tǒng)中的障礙物檢測和道路檢測等。5.特斯拉在其自動(dòng)駕駛車上配備了眾多傳感器，傳感器主要以攝像頭為主，雷達(dá)為輔，具體包括8個(gè)單目攝像頭、1個(gè)毫米波雷達(dá)、12個(gè)超聲波雷達(dá)，共同組成車輛感知系統(tǒng)。6.目前車上搭載的車載攝像頭根據(jù)安裝位置主要分為車載攝像頭主要分為前視攝像頭、環(huán)視攝像頭、后視攝像頭、側(cè)視攝像頭以及內(nèi)置攝像頭五種類別。知識鞏固知識鞏固學(xué)習(xí)單元二基于雷達(dá)的環(huán)境感知

雷達(dá)（RadioDetectingandRanging，Radar）英文是指無線電探測和測距。車載雷達(dá)包括：毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)和激光雷達(dá)，其主要任務(wù)是采集車輛環(huán)境數(shù)據(jù)，對道路基礎(chǔ)設(shè)施（道路、橋梁、立交橋、隧道、交叉路口等）和道路目標(biāo)物（車輛、行人、道路障礙物等）的距離、方位和形狀進(jìn)行檢測。這些數(shù)據(jù)傳送給微控制器（MCU）和汽車電子控制系統(tǒng)，可用于實(shí)現(xiàn)駕駛輔助；傳送給車載計(jì)算平臺(tái)，可用于實(shí)現(xiàn)自主式自動(dòng)駕駛。一、毫米波雷達(dá)

毫米波雷達(dá)屬于主動(dòng)型傳感設(shè)備，它通過發(fā)射毫米波信號（波長1-10mm，頻率30-300GHz），并從目標(biāo)物接收反射信號，對接收到的信號進(jìn)行處理，進(jìn)而探測物體之間的距離、方位和相對速度等，可用于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)巡航、碰撞預(yù)警和盲區(qū)檢測等功能。1.毫米波雷達(dá)工作原理（1）集成度高（2）測量精度高（3）具備多目標(biāo)連續(xù)跟蹤功能（4）精度高、實(shí)時(shí)性好（5）傳輸距離遠(yuǎn)（6）性價(jià)比優(yōu)勢顯著2.毫米波雷達(dá)的分類

汽車毫米波雷達(dá)也可根據(jù)毫米波頻率細(xì)分為24GHz、77GHz和79GHz毫米波雷達(dá)，如表3-1所示。根據(jù)美國FCC和歐洲ESTI規(guī)劃，24GHz的寬頻段（21.65-26.65GHz）將在2022年過期。且77GHz頻段的集成度和速度測量精度更佳，以ACC自適應(yīng)巡航為例，77GHz毫米波雷達(dá)的體積僅為24GHz毫米波雷達(dá)的33.3%，識別率是其3倍，精準(zhǔn)度則達(dá)到24GHz毫米波雷達(dá)的3-5倍，因此全球范圍內(nèi)77GHz及79GHz毫米波雷達(dá)是主流產(chǎn)品。

但中國國產(chǎn)77GHz毫米波雷達(dá)產(chǎn)品還未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，截至2019年10月，中國毫米波雷達(dá)生產(chǎn)企業(yè)中只有華域汽車及森思泰克具備77GHz量產(chǎn)能力，此外，中國79GHz頻率還未開放民用，因此中國市場上的多數(shù)毫米波雷達(dá)產(chǎn)品為24GHz毫米波雷達(dá)產(chǎn)品，2018年其市場份額占比為51.2%。3.毫米波雷達(dá)的布置

1）前方碰撞預(yù)警（FCW）和行人碰撞預(yù)警（PCW）等預(yù)警類駕駛輔助功能；2）與汽車電子控制功能結(jié)合，可用于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)巡航（ACC）、自動(dòng)緊急制動(dòng)（AEB）和行人保護(hù)（PP）等執(zhí)行類駕駛輔助功能。1）盲區(qū)檢測（BSD）和追尾碰撞預(yù)警（RCW）等預(yù)警類駕駛輔助功能，如果后方車輛快速接近，通過快閃雙跳等提醒后方駕駛員；2）與汽車電子控制功能結(jié)合，可用于實(shí)現(xiàn)車道變換輔助（LCA）等執(zhí)行類駕駛輔助功能。（1）前置雷達(dá)（2）后置雷達(dá)二、激光雷達(dá)

激光雷達(dá)可以高精度、高準(zhǔn)確度地獲取目標(biāo)的距離、速度等信息或者實(shí)現(xiàn)目標(biāo)成像。激光通過掃描器單元形成光束角度偏轉(zhuǎn)，光束與目標(biāo)作用形成反射/散射的回波。當(dāng)接收端工作時(shí)，可產(chǎn)生原路返回的回波信號光子到達(dá)接收器，接收端通過光電探測器形成信號接收，經(jīng)過信號處理得到目標(biāo)的距離、速度等信息或?qū)崿F(xiàn)三維成像。1.激光雷達(dá)的組成及工作原理

激光雷達(dá)主要包括激光發(fā)射部分、掃描系統(tǒng)、激光接收部分和信息處理部分，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。從激光雷達(dá)的工作來看，主要分成四大部分，如圖2-14：（1）激光發(fā)射部分（2）激光接收系統(tǒng)（3）掃描系統(tǒng)（4）信息處理系統(tǒng)2.激光雷達(dá)的技術(shù)指標(biāo)

（1）線束（2）方位角（3）掃描幀頻（4）角分辨率（5）測量精度（6）探測距離（7）數(shù)據(jù)率3.激光雷達(dá)的分類

根據(jù)結(jié)構(gòu)，激光雷達(dá)分為機(jī)械式激光雷達(dá)、混合固態(tài)激光雷達(dá)（MEMS）和固態(tài)激光雷達(dá)。（1）機(jī)械式激光雷達(dá)（2）MEMS激光雷達(dá)三、超聲波雷達(dá)

超聲波雷達(dá)，是一種利用超聲波測算距離的雷達(dá)傳感器裝置。超聲波雷達(dá)通過發(fā)射、接收40kHz、48kHz或58kHz頻率的超聲波（頻率越高，a夾角越小，探測面積越小，因此40kHz為最常采用的頻率），根據(jù)時(shí)間差測算出障礙物距離，當(dāng)距離過近時(shí)觸發(fā)報(bào)警裝置發(fā)出警報(bào)聲以提醒司機(jī)。超聲波雷達(dá)具備防水、防塵性能，探測范圍在0.1-3.0米之間，多應(yīng)用于倒車、泊車場景。1.超聲波雷達(dá)的工作原理

超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知。測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間。根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見。超聲波測距原理與雷達(dá)原理是一樣的。2.超聲波雷達(dá)的分類及其特點(diǎn)

常見的超聲波雷達(dá)有兩種。第一種是安裝在汽車前后保險(xiǎn)杠上的，也就是用于測量汽車前后障礙物的倒車?yán)走_(dá)，這種雷達(dá)業(yè)內(nèi)稱為UPA；第二種是安裝在汽車側(cè)面的，用于測量側(cè)方障礙物距離的超聲波雷達(dá)，業(yè)內(nèi)稱為APA，如圖2-16。（1）等方性傳感器

水平角度與垂直角度相同。缺點(diǎn)：垂直角度過大，容易探測到地面，探測距離較近；優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)生的超聲波波形穩(wěn)定。（2）異方性傳感器

水平角度與垂直角度不同。缺點(diǎn)：產(chǎn)生的超聲波波形不穩(wěn)定，易產(chǎn)生誤報(bào)情況；優(yōu)點(diǎn)：垂直角度小，因而探測距離長，探測范圍大。3.超聲波雷達(dá)的技術(shù)指標(biāo)

超聲波傳感器主要有以下特性參數(shù)。(４)工作頻率（2）測量精度測量（1）測量范圍（3）波束角（5）抗干擾性能學(xué)習(xí)小結(jié)1.毫米波雷達(dá)根據(jù)接收和發(fā)射毫米波的時(shí)間差，結(jié)合毫米波傳播速度、載體速度及監(jiān)測目標(biāo)速度即可推算出毫米波雷達(dá)和監(jiān)測目標(biāo)之間的相對距離。2.毫米波雷達(dá)的布置可分為前置雷達(dá)和后置雷達(dá)。3.