自動(dòng)駕駛汽車中的傳感器技術(shù)解析

“這路真堵啊，如果車子能夠自己開多好??！”

相信幾乎所有開車的人在遇到嚴(yán)重堵車的時(shí)候都想過這個(gè)問題，如果車子能夠自動(dòng)駕駛，那車子將成為養(yǎng)精蓄銳的好地方，而這也是很多車廠宣傳智能駕駛的典型場(chǎng)景之一。好的事情就怕出現(xiàn)“但是”、“然而”之類的轉(zhuǎn)折詞。對(duì)于完全自動(dòng)駕駛而言，愿景是美好的，然而現(xiàn)狀是車廠大呼“臣妾做不到啊”。不能做到的最大問題在于車載傳感器達(dá)不到要求。

很多人對(duì)于發(fā)生在2016年的特斯拉撞車事故可能都沒有印象了。2016年1月，23歲特斯拉車主高先生駕駛著自己的特斯拉在京港澳高速河北邯鄲段行駛過程中，因?yàn)闆]能及時(shí)躲避前方道路清掃車發(fā)生追尾事故，不幸身亡。事故發(fā)生一年后，特斯拉承認(rèn)當(dāng)時(shí)汽車處于自動(dòng)駕駛狀態(tài)。雖然近幾年特斯拉的自動(dòng)駕駛已經(jīng)升級(jí)，但是事故還是偶有發(fā)生，先后撞上了拖掛車、水泥墩、消防車。

要知道，就算是第一代Autopolit也有多顆攝像頭、毫米波雷達(dá)和超聲波雷達(dá)，但也并不能100%保證零事故，對(duì)于強(qiáng)調(diào)“完全自動(dòng)駕駛”的特斯拉來說，這更像是一個(gè)過度營銷。

除了上述三種傳感器，和自動(dòng)駕駛聯(lián)系在一起的還有紅外傳感器和激光雷達(dá)，五大傳感器的發(fā)展速度和高度決定了未來自動(dòng)駕駛的進(jìn)展快慢。當(dāng)前的局勢(shì)來看，只能說五大傳感器是各有優(yōu)劣。

毫米波雷達(dá)

可以肯定地說，毫米波雷達(dá)在未來真正的自動(dòng)駕駛汽車?yán)锩姹赜幸幌?，原因就在于它具備全天候的能力。不管是霧、煙、雨、雪、陽光等等，毫米波雷達(dá)都能從容應(yīng)對(duì)。

除了全天候和全天時(shí)，毫米波雷達(dá)還有另一個(gè)其他四大傳感器不能匹敵的就是測(cè)試距離遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)能夠達(dá)到1000米以上。

目前市場(chǎng)主流使用的車載毫米波雷達(dá)按照其頻率的不同，主要可分為兩種：24GHz毫米波雷達(dá)和77GHz毫米波雷達(dá)（歐洲是79GHz）。通常24GHz雷達(dá)檢測(cè)范圍為中短距離，用作實(shí)現(xiàn)BSD（BlindSpotDectection，盲點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)），而77GHz長(zhǎng)程雷達(dá)用作實(shí)現(xiàn)ACC（AdaptiveCruiseControl，自適應(yīng)巡航系統(tǒng)）。

77GHz的出現(xiàn)也讓毫米波雷達(dá)在器件尺寸上處于領(lǐng)先，由于波長(zhǎng)更短，因此器件上的天線尺寸銳減，但需要更先進(jìn)的封裝方式，成本也就更高。

毫米波雷達(dá)的缺點(diǎn)在于其靜止測(cè)距太過于復(fù)雜，同時(shí)對(duì)于切向運(yùn)動(dòng)判斷很差。從成本上看，毫米波雷達(dá)價(jià)格僅次于激光雷達(dá)，屬于較貴的器件。

從產(chǎn)業(yè)角度而言，毫米波雷達(dá)的主動(dòng)權(quán)還是掌握在國際巨頭手里，博世、大陸、奧托立夫、德爾福等傳統(tǒng)零部件巨頭基本上完成了從研發(fā)到應(yīng)用的壟斷，所提到的這四家也就是汽車界知名的“ABCD”。除了他們幾家，電裝和 Hella 的出貨量同樣讓國內(nèi)企業(yè)望其項(xiàng)背。

對(duì)于國產(chǎn)毫米波雷達(dá)廠商而言，24GHz和77GHz均有所涉及。這其中，行易道的發(fā)展進(jìn)展值得一提，自2014年成立以后，行易道在第二年就完成了77GHz的樣品，并在第三年完成了77GHz的商用，是我國第一家和整車廠合作的毫米波雷達(dá)企業(yè)。

77GHz毫米波雷達(dá)的難點(diǎn)在于工藝規(guī)格高，同時(shí)射頻芯片要求高，能夠攻克這兩大難題，足見行易道的真功夫。

除了行易道以外，國產(chǎn)毫米波雷達(dá)廠商還包括智波科技、森思泰克、卓泰達(dá)、隼眼科技等，也都有24GHz和77GHz的布局，但在在精度、距離等方面和國際廠商的產(chǎn)品差距仍然明顯。

超聲波雷達(dá)

在車載傳感器中，超聲波雷達(dá)是目前最常見的品種之一，短距離測(cè)量中，超聲波測(cè)距傳感器具有非常大的優(yōu)勢(shì)。多用在倒車?yán)走_(dá)上。

超聲波雷達(dá)的原理很簡(jiǎn)單，就是通過超聲波發(fā)射裝置向外發(fā)出超聲波，然后通過接收器接收到發(fā)送過來超聲波時(shí)的時(shí)間差來測(cè)算距離。

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(cè)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(cè)量側(cè)方障礙物距離的超聲波雷達(dá)，業(yè)內(nèi)稱為APA。

目前，常用探頭的工作頻率有 40kHz， 48kHz 和 58kHz 三種。一般來說，頻率越高，靈敏度越高，但水平與垂直方向的探測(cè)角度就越小，故一般采用 40kHz 的探頭。

相較于其他四種傳感器，超聲波雷達(dá)的最大優(yōu)勢(shì)就是便宜。當(dāng)然，并不是說超聲波雷達(dá)便宜然后性能就不好。超聲波雷達(dá)在角度測(cè)量方面的能力是最好的，同時(shí)數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，還有不錯(cuò)的穿透性。

缺點(diǎn)在于超聲波雷達(dá)的測(cè)距非常短，最大距離也就是15米，通常采用的都是幾米的規(guī)格。超聲波雷達(dá)對(duì)于切向測(cè)量很差，使用時(shí)容易受到天氣因素干擾。

超聲波雷達(dá)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(dòng)數(shù)位，后三種在信號(hào)干擾的處理效果上依次提升，當(dāng)然價(jià)格和裝備難度也是遞增的。

從產(chǎn)業(yè)角度而言，博世、法雷奧是產(chǎn)業(yè)的巨頭，因?yàn)檫@兩家控制著倒車用超聲波雷達(dá)的主要市場(chǎng)，除了這兩家，國際廠商如日本村田、尼塞拉、電裝、三菱、松下等也很有影響力。國內(nèi)廠商則有***同致電子、深圳航盛電子、深圳豪恩、輝創(chuàng)、上富、奧迪威等，廠商數(shù)量很多，但是少有能夠進(jìn)入汽車前裝市場(chǎng)的。同致電子就是少有的一個(gè)，同致電子主要生產(chǎn)有汽車倒車?yán)走_(dá)、遙控中控、后視攝像頭、智能車內(nèi)后視鏡等產(chǎn)品，是國內(nèi)各大汽車廠（如上海通用、上海大眾、東風(fēng)日產(chǎn)、上海汽車、神龍汽車、奇瑞汽車、吉利汽車、福特汽車等）的供應(yīng)商，也是目前亞洲倒車?yán)走_(dá)OEM市場(chǎng)第一供應(yīng)商。

激光雷達(dá)

激光雷達(dá)簡(jiǎn)稱LiDAR，是一種集激光、GPS全球定位和慣性測(cè)量裝置為一體的系統(tǒng)，用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確的數(shù)字模型。激光雷達(dá)屬于一個(gè)相對(duì)較新的領(lǐng)域，但是熱度飛速上升，并且在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域占據(jù)了一席之地。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，僅中國市場(chǎng)到2021年就將達(dá)到6億元的市場(chǎng)規(guī)模。

在這五種傳感器中，激光雷達(dá)的測(cè)距僅次于毫米波雷達(dá)，最大測(cè)距超過了300米。同時(shí)，激光雷達(dá)能夠生成三維位置模型，因此具有很好的角度測(cè)量能力。除了上述所說的，激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)還包括測(cè)量精度更高，同時(shí)響應(yīng)速度也更靈敏，不受環(huán)境光的影響。

當(dāng)然，激光雷達(dá)也有自己的缺點(diǎn)。第一個(gè)要提的就是價(jià)格高，雖然固態(tài)激光雷達(dá)出現(xiàn)后有效地控制了成本，但是相較于其他傳感器而言，激光雷達(dá)的價(jià)格依然是昂貴的。

激光雷達(dá)也可以以線束來劃分，分為單線束和多線束激光雷達(dá)。單線束雷達(dá)掃描一次只產(chǎn)生一條掃描線，因此其生成的還是平面信息，但是測(cè)量速度快，多倍用于地形測(cè)繪等方面；多線束激光雷達(dá)掃描視角更大，數(shù)據(jù)也更為精確，因此目前市面上的激光雷達(dá)產(chǎn)品有4線束、8線束、16線束、32線束、64線束以及128線束。

在汽車領(lǐng)域，激光雷達(dá)可用于自動(dòng)泊車、ACC主動(dòng)巡航、自動(dòng)剎車、無人自駕等多個(gè)方面。

目前，國內(nèi)外做激光雷達(dá)的廠商都很多，不過應(yīng)用于自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的就數(shù)量有限了，主要原因還是在于價(jià)格貴，市面上很難見到低于10000元的激光雷達(dá)車用模組。

國外的代表廠商是以Velodyne、Quanergy為代表。

近年來，Velodyne的3D激光雷達(dá)業(yè)務(wù)發(fā)展迅猛，谷歌在其最早的自動(dòng)駕駛原型汽車中所使用的LiDAR傳感器就是由該公司開發(fā)的，其產(chǎn)品的測(cè)量精度在全行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)處于標(biāo)桿地位，性能優(yōu)越。Velodyne自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)產(chǎn)品的價(jià)格在38000-700000元之間。

Quanergy成立于2012年。2014年9月，Quanergy和奔馳達(dá)成戰(zhàn)略合作，為奔馳研發(fā)車內(nèi)傳感系統(tǒng)和無人車。2015年10月，Quanergy公司宣布與Delphi公司合作，為無人駕駛汽車開發(fā)一種新型的激光雷達(dá)系統(tǒng)。目前，Quanergy共推出了兩款3D激光雷達(dá)產(chǎn)品，一款是安裝在奔馳智能駕駛測(cè)試車上的TheMarkVIII，另一款就是第一款專為智能駕駛汽車設(shè)計(jì)的全固態(tài)激光雷達(dá)S3。

國內(nèi)也有做車載激光雷達(dá)的廠商，速騰聚創(chuàng)、北醒光子、北科天繪等都有推出相關(guān)的產(chǎn)品。

車載攝像頭

未來的汽車需要實(shí)現(xiàn)的就是“耳聽六路、眼觀八方”，而汽車的“眼”就是這些車載攝像頭。

當(dāng)自動(dòng)駕駛概念還沒有熱起來的時(shí)候，汽車上已經(jīng)開始出現(xiàn)攝像頭裝置，功能是實(shí)現(xiàn)行車記錄以及倒車影像等，而隨著ADAS和自動(dòng)駕駛越來越熱之后，車載攝像頭的功能也開始變得更加豐富。裝配數(shù)量的激增也讓車載攝像頭成為新的產(chǎn)業(yè)藍(lán)海，要知道實(shí)現(xiàn)ADAS就需要6個(gè)攝像頭，而特斯拉實(shí)現(xiàn)的L3級(jí)別的自動(dòng)駕駛更是用到了8顆攝像頭。市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)HIS預(yù)測(cè)稱，2020年車載攝像頭的出貨量將達(dá)到8700萬顆。因此，不管是前裝市場(chǎng)還是后裝市場(chǎng)，車載攝像頭的市場(chǎng)規(guī)模都不會(huì)小。

如此被看好，車載攝像頭在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域確實(shí)具備很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。其是唯一能夠清楚分辨和識(shí)別道路目標(biāo)的傳感器，在復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)路況環(huán)境下都都能保證采集到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，且對(duì)于像素要求并不高，30萬-120萬像素就能夠滿足，因此價(jià)格方面有很大優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)然，車載攝像頭也有自己的劣勢(shì)，其中受光線干擾是最大的問題，且對(duì)于速度和距離沒有能力準(zhǔn)確把控，必須要和其他傳感器一起協(xié)同作戰(zhàn)。

目前，車載攝像頭不管是主流的CMOS市場(chǎng)還是全市場(chǎng)，巨頭效應(yīng)都很明顯，Sony、OmniVision和三星占據(jù)了超過70%的市場(chǎng)。如果單論CMOS市場(chǎng)的話，Aptina和OmniVision是市占率最高的企業(yè)。

除了中資背景的OmniVision，國內(nèi)還有格科微、思比科等CMOS設(shè)計(jì)公司在快速崛起。

紅外傳感器

當(dāng)前，如果要評(píng)述這五種傳感器的名氣，那么紅外傳感器確實(shí)是名氣最低的。我們看過很多自動(dòng)駕駛的傳感器組合，有毫米波雷達(dá)+超聲波雷達(dá)+攝像頭的，有激光雷達(dá)+超聲波雷達(dá)+攝像頭的，關(guān)于紅外攝像頭確實(shí)少有提及。然而，Uber的自動(dòng)駕駛車輛在亞利桑那州發(fā)生備受關(guān)注的致命事故之后，行業(yè)確實(shí)要重新審視打造安全的自動(dòng)駕駛汽車是否要安裝紅外傳感器。

目前產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀是攝像頭在低照度以及光照情況下作用大打折扣，毫米波雷達(dá)對(duì)于障礙物識(shí)別能力還是零，超聲波雷達(dá)又鞭長(zhǎng)莫及，激光雷達(dá)確實(shí)有這個(gè)能力，但是天氣對(duì)于激光雷達(dá)的影響太大了。當(dāng)前，研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)確認(rèn)，基于紅外夜視系統(tǒng)利用紅外光波檢測(cè)物體自然發(fā)射的熱量差異，可以檢測(cè)到可見光攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)不能識(shí)別的物體。

單純從性能上來說，紅外傳感器的優(yōu)勢(shì)在于能夠很好地辨別切向運(yùn)動(dòng)，并且能夠較為準(zhǔn)確的識(shí)別到生物。此外，還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是價(jià)格低廉。不過，紅外傳感器的缺點(diǎn)也很多。首先是對(duì)于徑向運(yùn)動(dòng)的辨別能力很差，沒有角度測(cè)量能力，不能完成靜止測(cè)距。

從當(dāng)前的形式來看，未來的完全自動(dòng)駕駛離不開紅外傳感器的幫助。紅外傳感器能夠在任何環(huán)境或天氣條件下實(shí)現(xiàn)車輛周邊環(huán)境分類、識(shí)別及探查的唯一技術(shù)。自動(dòng)駕駛汽車的研發(fā)人員預(yù)計(jì)到，未來的車輛將會(huì)搭載數(shù)個(gè)遠(yuǎn)紅外線攝像頭，旨在擴(kuò)展其探查范圍并更好地提供車輛的周邊環(huán)境圖像。

當(dāng)然，目前車載紅外傳感器還僅僅是被認(rèn)可，在研發(fā)階段，鮮少有公司正式推出產(chǎn)品。

總結(jié)

研發(fā)自動(dòng)駕駛汽車的公司除了傳統(tǒng)車廠之外還有很多科技公司，當(dāng)然也有初創(chuàng)公司，每一個(gè)公司的體量不同、站位不同，因此對(duì)于自動(dòng)駕駛的理解也就有了差異化，所采用的產(chǎn)品組合和產(chǎn)品數(shù)量千差萬別。但是，無論通過怎樣的方式去融合這些傳感器，駕乘安全都是共同的目標(biāo)，特斯拉和Uber的致命車禍已經(jīng)給我們警醒，激進(jìn)地開放測(cè)試甚至是公開使用自動(dòng)駕駛是不負(fù)責(zé)任的，硬件的功夫都不到位，再智慧的算法也會(huì)有“疏忽大意”的時(shí)候。
來源：EEFOCUS