感知硬件，自動(dòng)駕駛汽車(chē)“看”路奧秘

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展與高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)的普及，自動(dòng)駕駛汽車(chē)雛形已經(jīng)初現(xiàn)，自動(dòng)駕駛汽車(chē)得以實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)感知系統(tǒng)、決策系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，三大系統(tǒng)讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)“看”得清、“想”得快、“走”得穩(wěn)。感知系統(tǒng)作為監(jiān)測(cè)道路環(huán)境，讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)“看”得清的主要系統(tǒng)，是決定自動(dòng)駕駛汽車(chē)可以實(shí)現(xiàn)的第一步。為了讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)感知更加精準(zhǔn)，離不開(kāi)車(chē)載攝像頭、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)等感知硬件，其中，超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)主要用于測(cè)量距離、速度和障礙物，車(chē)載攝像頭主要用于圖像采集和識(shí)別，感知硬件各司其職，讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)可以獲取更多的道路信息。

車(chē)載攝像頭

1.1技術(shù)原理

車(chē)載攝像頭是利用攝像機(jī)成像原理，通過(guò)采集道路的高質(zhì)量圖像信息，對(duì)道路上的交通標(biāo)識(shí)、其他車(chē)輛、行人等信息進(jìn)行獲取。車(chē)載攝像頭可以通過(guò)單目或立體成像的方式進(jìn)行感知，其中單目攝像頭是通過(guò)單一攝像頭獲取二維圖像，而立體攝像頭則需要兩個(gè)或多個(gè)攝像頭組合獲取三維圖像。目前車(chē)上搭載的車(chē)載攝像頭根據(jù)安裝位置主要分為車(chē)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。車(chē)載攝像頭的主要硬件包括光學(xué)鏡頭（其中包含光學(xué)鏡頭、濾光片、保護(hù)膜等）、圖像傳感器、圖像信號(hào)處理器ISP、串行器、連接器等部件。

車(chē)載攝像頭的組成

光學(xué)鏡頭：光學(xué)鏡頭主要負(fù)責(zé)聚焦光線，將視野中的物體投射到成像介質(zhì)表面，根據(jù)成像效果的要求不同，可能要求多層光學(xué)鏡片。濾光片可以將人眼看不到的光波段進(jìn)行濾除，只留下人眼視野范圍內(nèi)的實(shí)際景物的可見(jiàn)光波段。圖像傳感器：圖像傳感器可以利用光電器件的光電轉(zhuǎn)換功能將感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例關(guān)系的電信號(hào)。主要分為CCD和CMOS兩種。圖像信號(hào)處理器ISP：主要使用硬件結(jié)構(gòu)完成圖像圖傳感器輸入的圖像視頻源RAW格式數(shù)據(jù)的前處理，可轉(zhuǎn)換為YCbCr等格式。還可以完成圖像縮放、自動(dòng)曝光、自動(dòng)白平衡、自動(dòng)聚焦等多種工作。串行器：將處理后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，可用于傳輸RGB、YUV等多種圖像數(shù)據(jù)種類。連接器：用于連接固定攝像頭。

1.2車(chē)載攝像頭優(yōu)勢(shì)

車(chē)載攝像頭作為自動(dòng)駕駛汽車(chē)主要感知硬件，在自動(dòng)駕駛汽車(chē)中承擔(dān)著非常重要的任務(wù)，由于其成本較低、易于安裝和維護(hù)，可以識(shí)別高清的交通信息，對(duì)交通標(biāo)識(shí)和其他車(chē)輛有很好的識(shí)別效果。因此被眾多主機(jī)廠所推崇，以特斯拉為主的企業(yè)，更是將車(chē)載攝像頭作為主要的感知硬件，通過(guò)算法的輔助，讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)可以直接實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。

1.3車(chē)載攝像頭劣勢(shì)

由于車(chē)載攝像頭拍攝的主要是圖像信息，為了讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)可以更好地自主完成行駛，就需要通過(guò)大量的計(jì)算來(lái)完成圖像處理。在惡劣天氣、弱光、反光等情況下，車(chē)載攝像頭的拍攝效果也會(huì)受到影響，此外由于車(chē)載攝像頭視野范圍相對(duì)較窄，需要多個(gè)攝像頭的配合才能交通信息的獲取，從而確保自動(dòng)駕駛的行車(chē)安全。

激光雷達(dá)

2.1技術(shù)原理

激光雷達(dá)也稱光學(xué)雷達(dá)，是激光探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，通過(guò)發(fā)射和接收激光束，檢測(cè)周?chē)矬w的距離和位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)周邊環(huán)境的感知。激光雷達(dá)主要由激光發(fā)射器、接收器、掃描器、透鏡天線和信號(hào)處理電路等部分組成，按照工作介質(zhì)分，激光雷達(dá)可以被分為固體激光雷達(dá)、氣體激光雷達(dá)與半導(dǎo)體激光雷達(dá)等；按照線數(shù)分，激光雷達(dá)可以被分為單線激光雷達(dá)與多線激光雷達(dá)；按照掃描方式分，激光雷達(dá)可以被分為MEMS型激光雷達(dá)、Flash型激光雷達(dá)、相控陣激光雷達(dá)與機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)等；按照探測(cè)方式分，激光雷達(dá)可以被分為直接探測(cè)激光雷達(dá)、相干探測(cè)激光雷達(dá)；按激光發(fā)射波形分，激光雷達(dá)可以被分為連續(xù)型激光雷達(dá)與脈沖型激光雷達(dá)。

2.2激光雷達(dá)優(yōu)勢(shì)

以谷歌為主的主機(jī)廠在研究自動(dòng)駕駛技術(shù)時(shí)，都采用了激光雷達(dá)作為主要感知硬件的解決方案。激光雷達(dá)具有測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以提供高精度目標(biāo)位置和輪廓信息，對(duì)目標(biāo)分類和識(shí)別等任務(wù)具有很好的效果。激光雷達(dá)還可以提供高分辨率的地圖，使車(chē)輛可以實(shí)現(xiàn)高精度的定位和路徑規(guī)劃，此外激光雷達(dá)具有較大的視野范圍，可以檢測(cè)多個(gè)角度的目標(biāo)。在復(fù)雜的環(huán)境下，激光雷達(dá)也可以提供更為精準(zhǔn)的目標(biāo)位置信息，使自動(dòng)駕駛汽車(chē)可以避免碰撞，除此之外，激光雷達(dá)還可以在可見(jiàn)光無(wú)法穿透的情況下繼續(xù)工作，使自動(dòng)駕駛汽車(chē)獲取信息更為精準(zhǔn)。

2.3激光雷達(dá)劣勢(shì)

激光雷達(dá)相較于車(chē)載攝像頭，其成本相對(duì)較高，且制造和維護(hù)成本也相對(duì)較大，這也是現(xiàn)目前激光雷達(dá)受限的主要原因之一。在大雨、濃煙、濃霧等惡劣天氣時(shí)，激光雷達(dá)的探測(cè)精度會(huì)急速下降。由于激光雷達(dá)是通過(guò)激光束的發(fā)射和接收時(shí)間差來(lái)判斷自動(dòng)駕駛周邊環(huán)境的，因此無(wú)法識(shí)別物體顏色、種類、文字等信息。

毫米波雷達(dá)

3.1技術(shù)原理

毫米波雷達(dá)是一種利用毫米波進(jìn)行測(cè)距和成像的雷達(dá)，工作頻段一般為30 GHz～300 GHz，波長(zhǎng)一般為1 mm～10 mm，介于微波和厘米波之間。毫米波雷達(dá)發(fā)射高頻電磁波，通過(guò)接收波的反射來(lái)檢測(cè)周?chē)矬w的距離和位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)道路上物體的感知。毫米波雷達(dá)一般由雷達(dá)圓頂、分立的雷達(dá)機(jī)身、天線PCB板、處理器、MMIC和電源管理、壓鑄底板等組成。毫米波雷達(dá)的感知原理與激光雷達(dá)類似，但毫米波雷達(dá)可以克服激光雷達(dá)在弱光或光滑表面等環(huán)境下的缺點(diǎn)。

傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)組成

3.2毫米波雷達(dá)優(yōu)勢(shì)

毫米波雷達(dá)相對(duì)技術(shù)比較成熟，在高級(jí)輔助駕駛功能上使用比較普及，是感知環(huán)節(jié)中重要的一環(huán)，毫米波雷達(dá)可以在遠(yuǎn)距離和低能見(jiàn)度條件下精確地探測(cè)物體，能夠探測(cè)到很小的目標(biāo)，如行人、自行車(chē)等，具有較高的精度和穩(wěn)定性；與激光雷達(dá)和車(chē)載攝像頭不同，毫米波雷達(dá)不受光照和天氣條件的限制，可以在雨雪、霧等低能見(jiàn)度條件下工作；此外毫米波雷達(dá)具有體積小，易集成和空間分辨率高的特點(diǎn)，毫米波雷達(dá)可以全天候工作，在極端天氣及夜晚也可以發(fā)揮作用，毫米波雷達(dá)測(cè)距也比較遠(yuǎn)。

3.3毫米波雷達(dá)劣勢(shì)

毫米波雷達(dá)由于分辨率較低，難以成像且無(wú)法識(shí)別圖像，不能提供詳細(xì)的空間信息，因此并不能作為激光雷達(dá)的替代品，且由于毫米波雷達(dá)是利用電磁波進(jìn)行探測(cè)，如果周邊有較強(qiáng)的電磁干擾，則可能會(huì)影響毫米波雷達(dá)的探測(cè)效果。

3.4毫米波雷達(dá)未來(lái)

由于傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)只能探測(cè)二維水平坐標(biāo)，并沒(méi)有高度信息，因此在自動(dòng)駕駛汽車(chē)感知硬件的使用上，毫米波雷達(dá)并不具備優(yōu)勢(shì)，為此在自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，4D毫米波雷達(dá)的概念便被提了出來(lái)，4D毫米波雷達(dá)又稱為成像雷達(dá)，在原有的距離、速度、方向的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，加上了對(duì)目標(biāo)的高度分析，將第4個(gè)維度整合到傳統(tǒng)毫米波雷達(dá)中，以更好地了解和繪制環(huán)境地圖，讓測(cè)到的交通數(shù)據(jù)更為精準(zhǔn)。目前4D毫米波雷達(dá)主要有兩種技術(shù)方案，一種是4D毫米波雷達(dá)企業(yè)自主研發(fā)多通道陣列射頻芯片組、雷達(dá)處理器芯片和基于人工智能的后處理軟件算法。另一種就是基于傳統(tǒng)雷達(dá)芯片供應(yīng)商的解決方案，通過(guò)多芯片極聯(lián)，或者軟件算法來(lái)實(shí)現(xiàn)密集點(diǎn)云輸出及識(shí)別。4D毫米波雷達(dá)的主要特點(diǎn)就是角分辨率非常高，前置4D毫米波雷達(dá)角分辨率可達(dá)1度方位角和2度俯仰角，當(dāng)加裝4D毫米波雷達(dá)的自動(dòng)駕駛汽車(chē)在探測(cè)道路信息時(shí)，可以直接探測(cè)到車(chē)輛周邊物體的輪廓。像是在道路信息比較豐富，如行人與車(chē)輛夾雜在一起時(shí)，4D毫米波雷達(dá)就可以直接對(duì)行人和車(chē)輛進(jìn)行識(shí)別，并可以判斷對(duì)應(yīng)物體的運(yùn)動(dòng)情況（是否運(yùn)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)方向）。4D毫米波雷達(dá)還可以探測(cè)到幾何形狀，比如在隧道場(chǎng)景中時(shí)，可以探測(cè)到隧道的長(zhǎng)度和寬度。4D毫米波雷達(dá)的出現(xiàn)，可以提高自動(dòng)駕駛汽車(chē)對(duì)道路信息的探測(cè)精度，獲取更多的信息以供自動(dòng)駕駛汽車(chē)做出行駛預(yù)判。4D毫米波雷達(dá)就像是給“近視”的自動(dòng)駕駛汽車(chē)配置了近視眼鏡，讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)“看”的更清晰。

超聲波雷達(dá)

4.1技術(shù)原理

超聲波雷達(dá)是一款極其常見(jiàn)的傳感器，在現(xiàn)在的汽車(chē)上使用非常普遍，超聲波雷達(dá)主要通過(guò)超聲波發(fā)射裝置向外發(fā)出超聲波，通過(guò)計(jì)算接收器接收到發(fā)射出去超聲波的時(shí)間差來(lái)測(cè)算距離。目前，常用探頭的工作頻率有40 kHz,48 kHz和58 kHz三種。一般來(lái)說(shuō)，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，因此在車(chē)輛的使用上，一般采用40 kHz的探頭。

4.2超聲波雷達(dá)優(yōu)勢(shì)

超聲波雷達(dá)具有防水、防塵等優(yōu)勢(shì)，即使有少量的泥沙遮擋也不影響。探測(cè)范圍在0.1 m～3 m之間，而且精度較高，可以提供精準(zhǔn)的位置信息，因此非常適用于泊車(chē)輔助，此外超聲波雷達(dá)易于安裝和維護(hù)，因此在汽車(chē)上得到了普遍使用。

4.3超聲波雷達(dá)劣勢(shì)

由于超聲波雷達(dá)視野范圍較小，因此需要多個(gè)超聲波雷達(dá)列陣組合，才可以實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的識(shí)別，這就會(huì)占用更多的車(chē)載空間；在高速下，超聲波雷達(dá)也具有一定的局限定；此外在有噪音干擾的情況下，超聲波雷達(dá)也無(wú)法得到使用。

感知硬件的未來(lái)趨勢(shì)

感知硬件作為讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)“看”清道路必不可少的關(guān)鍵技術(shù)，隨著自動(dòng)駕駛汽車(chē)的普及和應(yīng)用，其重要性將愈發(fā)凸顯，其技術(shù)也將不斷完善，其發(fā)展也將更加多元化和集成化。為了讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)獲得的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，需要將多個(gè)感知硬件獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)朝著更加可靠和安全的方向發(fā)展。此外，隨著人工智能技術(shù)的不斷完善，自動(dòng)駕駛感知硬件也將在人工智能的技術(shù)下，進(jìn)一步提高感知的精度和魯棒性，實(shí)現(xiàn)多層次檢測(cè)和安全決策。隨著技術(shù)的不斷提升，感知硬件的成本也將降低，從而讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)成為大眾買(mǎi)得起的消費(fèi)產(chǎn)品。總之，自動(dòng)駕駛感知硬件是自動(dòng)駕駛汽車(chē)的重要組成部分，其發(fā)展和完善將對(duì)自動(dòng)駕駛技術(shù)的推廣和應(yīng)用起到至關(guān)重要的作用。未來(lái)的自動(dòng)駕駛汽車(chē)感知系統(tǒng)將不斷進(jìn)化和升級(jí)，為駕駛員和乘客帶來(lái)更安全、更便捷、更舒適的出行體驗(yàn)。

審核編輯黃宇