哪種距離傳感器最適合自動駕駛？

為了使車輛能夠自動駕駛，他們必須借助傳感器來感知周圍環(huán)境：攝像頭，雷達(dá)，超聲波和LiDAR傳感器等。

傳感器如何實現(xiàn)自動駕駛

大眾甲殼蟲看上去很美，但它并不能識別周圍的環(huán)境。對于汽車實現(xiàn)自動駕駛來說，感知環(huán)境就像人類利用感官一樣至關(guān)重要。因此，現(xiàn)代車輛配備了各種各樣的傳感器，可以幫助他們檢測周圍環(huán)境，從而為駕駛員提供支持。

感知環(huán)境最重要的車輛傳感器是攝像頭，雷達(dá)，超聲波和LiDAR傳感器。除攝像頭外，它們均基于飛行時間原理。

所有這些感知技術(shù)有何不同？它們的優(yōu)缺點是什么？哪種距離傳感器最適合自動駕駛？激光雷達(dá)與雷達(dá)？未來的自動駕駛汽車會借助單一傳感器，還是會依賴傳感器融合技術(shù)？

飛行時間原理簡述：

飛行時間基于信號撞擊物體并反射回來所花費的時間間接測量距離和速度。該原理可以在動物界找到，也稱為回聲定位，海豚和蝙蝠使用它來定向。

借助攝像頭感知彩色視覺

攝像頭已經(jīng)是新生產(chǎn)車輛不可或缺的一部分：它們讓駕駛員操縱行駛和停車變得更加容易。此外，諸如自適應(yīng)巡航控制或車道偏離警告之類的系統(tǒng)都離不開攝像頭。除了安裝在車外，攝像機(jī)還將在不久的將來用于車內(nèi)。他們將檢測駕駛員是否分心，不系安全帶或疲倦狀態(tài)檢測。這對于自動駕駛的下一階段開發(fā)尤其重要。

攝像機(jī)采集的圖像生動地感知了周圍環(huán)境。除了顏色之外，它們還可以提供紋理和對比度數(shù)據(jù)。能夠可靠地識別道路標(biāo)記或交通標(biāo)志，精確檢測、識別靜止物體和運動物體。由于攝像頭只有周圍環(huán)境亮度足夠的情況下才能檢測到物體，因此，在惡劣的環(huán)境條件下（如雪或霧）以及在黑暗中，照相機(jī)的可靠性受到限制。此外，相機(jī)不提供距離信息（如果不加入算法）。為了獲得3D圖像，至少需要兩個攝像頭，就像立體相機(jī)或圖像識別軟件一樣，這需要很高的計算性能。

深入探討：普通攝像頭和立體攝像頭

兩種不同的攝像頭，它們之間有什么區(qū)別？

普通攝像頭（一只“眼睛”）具有一個相機(jī)鏡頭和一個圖像傳感器，提供2D圖像。這些圖像是行車助手、識別交通標(biāo)志的基礎(chǔ)。但是，無法進(jìn)行距離測量。距離只能使用復(fù)雜的，學(xué)習(xí)算法來計算。

立體攝像頭（兩只“眼睛”）更昂貴，體積更大。它主要由兩個攝像頭和兩個圖像傳感器組成。立體攝像頭同時從不同角度拍攝兩個圖像。通過標(biāo)定它們來創(chuàng)建3D圖像，可以計算距離和速度。立體攝像頭已經(jīng)在某些量產(chǎn)車中使用，為駕駛員輔助系統(tǒng)提供信息，例如自適應(yīng)巡航控制和緊急制動輔助系統(tǒng)。

雷達(dá)–內(nèi)置距離傳感器

得益于所謂的“雷達(dá)陷阱”，雷達(dá)傳感器（無線電測距）獲得了廣泛的聲譽(yù)。近幾十年來，它們也已安裝在車輛中以測量距離，或應(yīng)用于緊急制動輔助等系統(tǒng)以提供可靠數(shù)據(jù)，而不受天氣條件的影響。

雷達(dá)傳感器如何測量距離？雷達(dá)技術(shù)基于飛行時間原理。傳感器以電磁波（無線電波）的形式發(fā)出短脈沖，這些短脈沖幾乎以光速傳播。波浪撞擊物體后，它們就會被反射并反射回傳感器。發(fā)送和接收之間的時間間隔越短，對象越近。

因此，基于波的傳播速度，可以計算到物體的距離，從而可以高精度地確定距離。通過將幾個測量結(jié)果串聯(lián)在一起，車輛傳感器還可以確定速度。該技術(shù)可以使用駕駛員輔助系統(tǒng)，例如自適應(yīng)巡航控制和自動剎車輔助系統(tǒng)等。

雷達(dá)傳感器堅固耐用，價格便宜，即使在不利的天氣條件下，通常也能提供可靠的數(shù)據(jù)。但是，距離傳感器在識別和區(qū)分物體方面有更大的困難。其原因是雷達(dá)數(shù)據(jù)的分辨率低，這意味著可以檢測到物體但不能對其進(jìn)行分類。

深入探討： 近距離雷達(dá)與遠(yuǎn)距離雷達(dá)

如今，大多數(shù)使用兩種不同的雷達(dá)系統(tǒng)來覆蓋近距離和遠(yuǎn)距離。

近距離雷達(dá)：近程（最多30米）由近距離雷達(dá)檢測，通?；?4 GHz頻譜中的一個頻段。它結(jié)構(gòu)緊湊，干擾問題少，價格較便宜。近距離雷達(dá)有助于停車操作，監(jiān)視盲點并警告駕駛員碰撞。

遠(yuǎn)距離雷達(dá)：遠(yuǎn)距離雷達(dá)用于檢測距離不超過250米的物體和車輛，并測量其速度。該技術(shù)使用76 GHz至77 GHz之間的頻率，具有更高的性能。但是，由于分辨率低，距離較遠(yuǎn)的物體不能總是可靠地被選中。由于遠(yuǎn)程雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)緊急制動輔助和自適應(yīng)巡航控制（即使在高速行駛時），因此在實現(xiàn)下一步自動駕駛方面（例如高速公路駕駛）起著重要作用。

超聲波–近距離專家

如今，大多數(shù)的車輛都配備停車輔助裝置。例如，如果車輛駛近停車柱，則在車載計算機(jī)上顯示彩條并發(fā)出警告音。給我們提供有關(guān)柱子在受監(jiān)視區(qū)域中的確切位置以及車輛附近的信息。該輔助系統(tǒng)可以通過幾個超聲波傳感器實現(xiàn)，這些傳感器通常安裝在車輛周圍的保險中。

超聲波也是基于飛行時間原理，發(fā)射人耳聽不到的20，000 Hz頻率聲波，檢測車輛附近障礙物距離。除了停車輔助，超聲波傳感器還用于監(jiān)視盲區(qū)和緊急制動輔助系統(tǒng)等。

超聲波傳感器堅固耐用，可在夜間和霧天中提供可靠的距離數(shù)據(jù)。不管物體材料或顏色如何，都能夠檢測出來。但是，這些車輛傳感器的探測范圍小于10米，這意味著該技術(shù)只能在近距離使用。

深入探討：聲納

聲納一詞通常與超聲結(jié)合使用，即超聲波在海事領(lǐng)域的應(yīng)用。

聲納（聲音導(dǎo)航與測距）：聲納是一種使用聲波（通常是超聲波）進(jìn)行定位的測量技術(shù)。它主要用于水下，因為聲音的傳播（尤其是在高頻下）的損耗要比空氣中的損耗小得多。可以根據(jù)水下聲速和物體反射時間計算距離。

LiDAR – 3D可靠的環(huán)境信息

與超聲波傳感器相比，LiDAR（光檢測和測距）傳感器適用于短距離和遠(yuǎn)距離使用。雖然激光雷達(dá)已經(jīng)存在很多年，但直到本世紀(jì)初才越來越多地應(yīng)用于汽車上，激光雷達(dá)被認(rèn)為是實現(xiàn)更高自主性駕駛的關(guān)鍵部分。

關(guān)鍵技術(shù)LiDAR：避免碰撞是實現(xiàn)下一級別自動駕駛的重要前提。這項技術(shù)需要可靠的高分辨率3D數(shù)據(jù)。只有LiDAR才能在汽車高速行駛的情況下為我們提供長距離范圍的環(huán)境信息。

激光雷達(dá)傳感器也基于飛行時間原理。但是，它們發(fā)射的并不是無線電波或超聲波，而是發(fā)射激光脈沖，物體反射后被光電探測器接收。激光雷達(dá)每秒發(fā)射高達(dá)100萬個激光脈沖，捕獲高分辨率3D點云數(shù)據(jù)。

這些所謂的點云非常詳細(xì)，不僅可以識別對象，還可以對其進(jìn)行分類。例如，可以將行人與騎自行車的人區(qū)分開。LiDAR傳感器具有遠(yuǎn)距離，堅固耐用的特點，因此可以提供可靠的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)幾乎不受環(huán)境因素的影響，從而使車輛能夠做出正確的駕駛決策。然而，在過去激光雷達(dá)傳感器非常昂貴，這主要是由于機(jī)械旋轉(zhuǎn)裝置的復(fù)雜設(shè)計。但是，由于它們的固態(tài)設(shè)計日益普及，因此高分辨率3D傳感器的成本已大大降低。

深入探究：機(jī)械式激光雷達(dá)與固態(tài)式激光雷達(dá)

最受歡迎的兩種激光雷達(dá)是機(jī)械式激光雷達(dá)和固態(tài)式激光雷達(dá)。

機(jī)械式激光雷達(dá)：通過電動機(jī)和齒輪旋轉(zhuǎn)激光二極管，從而將激光脈沖引導(dǎo)到整個環(huán)境中，旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)高達(dá)360°的視場。但是，手動設(shè)置很復(fù)雜且成本很高。因此，即使是大量生產(chǎn)，單價對于批量生產(chǎn)的車輛來說也過于昂貴。

固態(tài)式激光雷達(dá)：該設(shè)計基于半導(dǎo)體技術(shù)，沒有任何機(jī)械運動部件。因此，系統(tǒng)更簡單，更緊湊且無需維護(hù)。它們也更便宜，并且可以更好地批量生產(chǎn)。它們可用于所有級別的批量生產(chǎn)車輛中，在未來自動駕駛研究中，將發(fā)揮決定性的作用，

通過傳感器融合發(fā)揮優(yōu)勢

安全是自動駕駛的重中之重，因此車輛必須始終精確感知其周圍環(huán)境。為了實現(xiàn)這一點，攝像頭，雷達(dá)，超聲波和LiDAR傳感器可以作為輔助技術(shù)相互協(xié)助。主要目的是利用各種車輛傳感器的優(yōu)勢來彌補(bǔ)其他傳感器的劣勢，最終通過傳感器融合實現(xiàn)安全的自動駕駛。

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