聊聊自動駕駛中的雷達“三劍客”

每年有125萬人死于車禍，其中94%以上的致命事故是人為失誤（酒后駕車、超速行駛、無視交通信號燈、邊開車邊發(fā)短信）造成的。為了盡可能地將汽車事故減少到接近零的水平，汽車制造商、汽車供應商、政府、學術(shù)界，甚至非汽車技術(shù)提供商都在聯(lián)合開發(fā)先進的駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS），并最終開發(fā)出自動駕駛汽車。而自動駕駛汽車這種新的汽車生態(tài)系統(tǒng)的建立需要傳感器融合、全新的汽車網(wǎng)絡架構(gòu)、車聯(lián)網(wǎng)等多種先進技術(shù)的支撐。

目前，應用于汽車無人駕駛的雷達主要有三種：超聲波雷達、激光雷達和毫米波雷達。后兩種雷達技術(shù)雖然屬于后起之秀，但在最近幾年，它們在自動駕駛中發(fā)揮的作用日益凸顯。

01 超聲波雷達：技術(shù)成熟，成本之選

超聲波雷達在汽車中的應用已經(jīng)有很多年了，在許多車輛的前后兩側(cè)都能發(fā)現(xiàn)它們的身影。按工作頻率劃分，超聲波雷達有40kHz、48kHz和58kHz三種，頻率越高，靈敏度越高，探測角度越小。在工作狀態(tài)，通過收發(fā)超聲波，超聲波雷達能以1-3cm精度測算0.2-5m范圍內(nèi)的障礙物。

然而，由于工作頻率屬于聲波范圍，超聲波雷達的不足也是顯而易見的。尤其是汽車在高速行駛過程中，由于超聲波信號的傳播延遲，接收到的信息會出現(xiàn)一定的延遲。另外，超聲波設備也存在方向性差的問題，需要更多的設備來覆蓋同一個區(qū)域，而且天氣條件也會極大地影響它們的探測效果。

不過，這并沒有影響超聲波雷達在汽車行業(yè)的應用，非常關鍵的一點就是它的超高性價比。市場上單個超聲波雷達的售價僅為數(shù)十元人民幣，按照一套倒車雷達系統(tǒng)安裝4個超聲波雷達計算，硬件成本還不足二百元。自動泊車系統(tǒng)雖然需要的超聲波雷達數(shù)量多一些，但硬件總成本也能控制在五百元左右。與動不動就要數(shù)萬元甚至數(shù)十萬元的激光雷達相比，超聲波雷達在成本方面的優(yōu)勢實在太突出了。據(jù)稱，特斯拉對超聲波雷達就格外偏愛，在泊車輔助中就使用了8顆，在輔助駕駛中使用12顆。

02 激光雷達：自動駕駛不可或缺

激光雷達（light detection and ranging，LiDAR），意為激光探測和測距，它是在雷達和聲納之后出現(xiàn)的一項傳感技術(shù)，使用激光脈沖掃描環(huán)境，而不是無線電波或聲波，波長為納米級。在汽車采用的所有傳感技術(shù)中，激光雷達屬于新鮮事物，對于自動駕駛汽車而言具有舉足輕重的地位。

激光雷達可以提供最精確的三維地圖，并能掃描自動駕駛汽車周圍的360度空間，范圍可達100米左右。有些激光雷達系統(tǒng)甚至提供多達64個通道，每秒掃描超過100萬個點。這些信息量可提供2厘米的高精度，以應對不斷變化的環(huán)境。除了獲得位置信息，激光信號的反射率還可以區(qū)分目標物質(zhì)的材質(zhì)。

按照功能劃分，激光雷達系統(tǒng)可分為機載激光雷達（Airborne LiDAR）和陸地激光雷達（Terrestrial LiDAR）兩大類。機載激光雷達主要安裝在直升機或無人機上用于收集數(shù)據(jù)。地面激光雷達系統(tǒng)通常安裝在移動的車輛或地面的三腳架上，用于收集準確的數(shù)據(jù)點。自動駕駛汽車采用的是移動地面激光雷達系統(tǒng)，僅僅使用一個激光雷達，即可在同一時間以光速掃描多個角度，從而創(chuàng)建一個詳細的周邊三維圖像或地圖。

由于激光雷達使用激光和反射鏡進行回波成像，并實時繪制周圍環(huán)境的地圖，因此其測量精度明顯高于超聲波雷達。如今，激光雷達已被應用于許多關鍵的汽車和移動應用，包括先進駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）和自動駕駛系統(tǒng)中。在實際應用中，該技術(shù)可與其他感官數(shù)據(jù)相結(jié)合，為車輛環(huán)境中的靜態(tài)和移動物體提供更可靠的表征。

總體來看，極高的分辨率和精確度、快速而直觀的測試結(jié)果，是激光雷達能夠用于自動駕駛汽車的優(yōu)勢所在。要說缺點，目前激光雷達的體積依然較大，且價格不菲，這也是激光雷達技術(shù)很難在汽車行業(yè)大規(guī)模應用的重要原因。

03 毫米波雷達：向77-79GHz邁進

相比激光雷達的復雜反射鏡和激光器，毫米波雷達的裝置要簡單多了，但它的信號傳輸速度比超聲波更快、更精確。毫米波雷達通常工作在24GHz和77-79GHz，基本不受熱或光等環(huán)境因素的影響。毫米波天線也比超聲波天線小得多，功率更低，很容易與車輛設計融為一體。另外，它們可以調(diào)整為短、長、寬或窄的探測范圍，以滿足特定應用的需要。

傳統(tǒng)的24 GHz窄帶汽車雷達在區(qū)分物體和區(qū)分人、狗、其他汽車等方面有一定的局限性。目前，以24GHz窄帶傳感器為主流的汽車雷達傳感技術(shù)正朝著76-81GHz頻段、調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）和波束成形天線的方向快速發(fā)展。其中，76GHz用于遠程檢測，77-81GHz頻段用于短距離、高精度檢測。

我們知道，距離測量誤差和最小可分辨距離與帶寬成反比。從24GHz過渡到79GHz，在距離分辨率和精確度方面的性能可提高近20倍。也就是說，24GHz系統(tǒng)的距離分辨率為75cm，將其換成79GHz系統(tǒng)，那么分辨率就將達到4cm，能夠更好地檢測相鄰的多個物體。同樣，在波長較小的情況下，速度測量的分辨率和精度也將成比例的提高。

采用79GHz雷達系統(tǒng)的另一個優(yōu)勢是設備的尺寸和重量將大幅下降。由于79GHz信號的波長約為24GHz系統(tǒng)的三分之一，因此79GHz天線的總面積只相當于24GHz天線的九分之一。開發(fā)人員可以使用更小更輕的傳感器，并且很容易將其隱藏起來，以獲得更好的燃油經(jīng)濟性和汽車外形設計?？梢哉f，76-81GHz毫米波雷達是一個面向未來的ADAS以及自動駕駛的傳感技術(shù)。

04 汽車傳感技術(shù)的融合

除了上述三種傳感技術(shù)，車載攝像頭也是在汽車中廣泛使用的傳感器，限于篇幅，本文未做具體介紹。不可否認的是，在當前的車輛中，車載攝像頭充當了ADAS系統(tǒng)的主要視覺傳感器。借由鏡頭采集圖像并通過攝像頭內(nèi)的感光組件及控制組件對圖像進行處理，然后轉(zhuǎn)化為可供電腦做進一步處理的數(shù)字信號，實現(xiàn)對車輛周邊的路況感知，包括前向碰撞預警、車道偏移報警、行人檢測等功能。

任何一種傳感技術(shù)都有其優(yōu)點與局限性，汽車工業(yè)也不會僅僅依賴一種傳感技術(shù)實現(xiàn)其自動駕駛功能。大多數(shù)廠商都是將這三種傳感技術(shù)結(jié)合在一起，以確保他們的自主駕駛系統(tǒng)在范圍、分辨率和魯棒性方面獲得可靠的數(shù)據(jù)。雖然目前的傳感方案還無法提供足夠的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)全自動駕駛，但它們已經(jīng)通過ADAS系統(tǒng)大幅降低了駕駛員的人為錯誤。

反過來，ADAS技術(shù)的采用以及無人駕駛汽車的出現(xiàn)進一步促進了汽車傳感器技術(shù)和市場的發(fā)展。根據(jù)市場調(diào)研機構(gòu)MarketsandMarkets的預測，到2025年，汽車傳感器市場將從2020年的245億美元增長到403億美元，在2020年至2025年期間復合年增長率為10.5%。而全球機動車產(chǎn)量以及汽車電氣化需求的增加，包括消費者對汽車安全性和舒適性需求的提升，是推動汽車傳感器市場增長的主要因素。

審核編輯：郭婷