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攝像頭、雷達(dá)、激光雷達(dá)——自動(dòng)駕駛幾大傳感器系統(tǒng)大揭秘

發(fā)布時(shí)間:2018-07-31 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和多攝像頭系統(tǒng)已經(jīng)在高端汽車(chē)上應(yīng)用,隨著智能駕駛發(fā)展破竹之勢(shì),環(huán)境感知技術(shù)將快速發(fā)展,進(jìn)一步發(fā)揮協(xié)同作用。當(dāng)今的半自動(dòng)駕駛系統(tǒng)采用了各種各樣數(shù)量和設(shè)計(jì)的雷達(dá)和攝像頭系統(tǒng)。而高性能價(jià)格合理、能檢測(cè)300米半徑內(nèi)信息的激光探測(cè)與測(cè)距系統(tǒng)開(kāi)發(fā),還處在預(yù)研階段。大多數(shù)汽車(chē)制造商都認(rèn)為,如果要實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛,攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)這三大傳感器系統(tǒng)缺一不可。
 
如若要想在2021/2022的年度車(chē)型上實(shí)現(xiàn)SAE L4/L5的全自動(dòng)駕駛功能,就需要應(yīng)用多種傳感器冗余系統(tǒng)。當(dāng)今的半自動(dòng)駕駛系統(tǒng)采用了各種各樣數(shù)量和設(shè)計(jì)的雷達(dá)和攝像頭系統(tǒng)。而高性能價(jià)格合理、能檢測(cè)300米半徑內(nèi)信息的激光探測(cè)與測(cè)距系統(tǒng)開(kāi)發(fā),還處在預(yù)研階段。大多數(shù)汽車(chē)制造商都認(rèn)為,如果要實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛,攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)這三大傳感器系統(tǒng)缺一不可。
 
攝像頭、雷達(dá)、激光雷達(dá)——自動(dòng)駕駛幾大傳感器系統(tǒng)大揭秘
 
目前,超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和多攝像頭系統(tǒng)已經(jīng)在高端汽車(chē)上應(yīng)用,隨著智能駕駛發(fā)展破竹之勢(shì),環(huán)境感知技術(shù)將快速發(fā)展,進(jìn)一步發(fā)揮協(xié)同作用。雖然傳感器僅僅是自動(dòng)駕駛汽車(chē)的一部分,但是市場(chǎng)前景十分廣闊。因此,相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)到2020年左右全球車(chē)載攝像頭、毫米波雷達(dá)和夜視系統(tǒng)等市場(chǎng)都將進(jìn)入快速成長(zhǎng)期。
 
攝像頭
 
智能駕駛之慧眼
 
車(chē)載攝像頭是實(shí)現(xiàn)眾多預(yù)警、識(shí)別類(lèi)ADAS功能的基礎(chǔ)。 在眾多ADAS功能中,視覺(jué)影像處理系統(tǒng)較為基礎(chǔ),對(duì)于駕駛者也更為直觀,而攝像頭又是視覺(jué)影像處理系統(tǒng)的基礎(chǔ),因此車(chē)載攝像頭對(duì)于智能駕駛必不可少。
 
車(chē)道偏離預(yù)警(LDW)、前向碰撞預(yù)警(FCW)、交通標(biāo)志識(shí)別(TSR)、 車(chē)道保持輔助(LKA)、行人碰撞預(yù)警(PCW)、全景泊車(chē)(SVP)、駕駛員疲勞預(yù)警等眾多功能都可借助攝像頭實(shí)現(xiàn),有的功能甚至只能通過(guò)攝像頭實(shí)現(xiàn)。
 
攝像頭可實(shí)現(xiàn)的ADAS功能
 
車(chē)載攝像頭價(jià)格持續(xù)走低,未來(lái)單車(chē)多攝像頭將成為趨勢(shì)。 相對(duì)于車(chē)載雷達(dá)等傳感器價(jià)格更加低廉,易于普及應(yīng)用。 特斯拉Autopilot 2.0的硬件系統(tǒng)中就包含8個(gè)攝像頭,未來(lái)單車(chē)多攝像頭將成為趨勢(shì)。
 
根據(jù)不同ADAS功能的要求,攝像頭的安裝位置也不盡相同。按攝像頭的安裝位置不同,可分為前視、側(cè)視、后視和內(nèi)置四個(gè)部分。未來(lái)要實(shí)現(xiàn)全套ADAS功能,單車(chē)需配備至少5個(gè)攝像頭。據(jù)高工智能產(chǎn)業(yè)研究院(GGII)研究院預(yù)估,攝像頭隨著ADAS滲透率的提升,市場(chǎng)規(guī)模由2016年的20億元增長(zhǎng)到2020年的58億元,年復(fù)合增長(zhǎng)率為30%。
 
車(chē)載攝像頭的價(jià)格不斷走低
 
前視攝像頭使用頻率最高,單一攝像頭可實(shí)現(xiàn)多重功能。 通過(guò)算法開(kāi)發(fā)優(yōu)化,單一前視攝像頭可以實(shí)現(xiàn)多重功能,如行車(chē)記錄、車(chē)道偏離預(yù)警、前向碰撞預(yù)警、行人識(shí)別等。未來(lái)也有望通過(guò)算法整合,實(shí)現(xiàn)更多ADAS功能。
 
前視攝像頭一般為廣角鏡頭,安裝在車(chē)內(nèi)后視鏡上或者前擋風(fēng)玻璃上較高的位置,以實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)的有效距離。
 
攝像頭、雷達(dá)、激光雷達(dá)——自動(dòng)駕駛幾大傳感器系統(tǒng)大揭秘
 
側(cè)視攝像頭代替后視鏡將成為趨勢(shì)。 由于后視鏡的范圍有限,當(dāng)另一輛在斜后方的車(chē)位于這個(gè)范圍之外就“隱身”,這個(gè)范圍之外的部分就叫做盲區(qū)。因?yàn)槊^(qū)的存在,大大增加了交通事故發(fā)生的幾率。而在車(chē)輛兩側(cè)加裝側(cè)視攝像頭可以基本覆蓋盲區(qū),當(dāng)有車(chē)輛進(jìn)入盲區(qū)時(shí),就有自動(dòng)提醒駕駛員注意,這就是盲區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
 
目前還出現(xiàn)了新的潮流,那就是使用側(cè)視廣角攝像頭取代后視鏡,這樣既能降低風(fēng)阻,同時(shí)又可以獲得更大更廣的視角,避免在危險(xiǎn)的盲區(qū)發(fā)生意外, 寶馬i8 Mirrorless概念車(chē)就采用如此設(shè)計(jì)。
 
汽車(chē)后視鏡盲區(qū)
 
全景泊車(chē)系統(tǒng)調(diào)用車(chē)身周?chē)鄠€(gè)攝像頭,助泊車(chē)開(kāi)啟“上帝視角”。 全景泊車(chē)系統(tǒng)通過(guò)安裝在車(chē)身周?chē)亩鄠€(gè)超廣角攝像頭,同時(shí)采集車(chē)輛四周的影像,經(jīng)過(guò)圖像處理單元矯正和拼接之后,形成一副車(chē)輛四周的全景俯視圖,實(shí)時(shí)傳送至中控臺(tái)的顯示設(shè)備上。
 
駕駛員坐在車(chē)中即可以“上帝視角”直觀地看到車(chē)輛所處的位置以及車(chē)輛周報(bào)的障礙物,從容操縱泊車(chē)入位或通過(guò)復(fù)雜路面,有效減少刮蹭、碰撞等事故的發(fā)生。
 
全景泊車(chē)系統(tǒng)的圖像拼接技術(shù)
 
車(chē)載攝像頭應(yīng)用廣泛且價(jià)格相對(duì)低廉,是最基本最常見(jiàn)的傳感器,未來(lái)市場(chǎng)空間將超百億人民幣。
 
攝像頭對(duì)于多個(gè)ADAS功能必不可少,未來(lái)單價(jià)也有望繼續(xù)走低,將帶動(dòng)車(chē)載攝像頭市場(chǎng)空間快速增長(zhǎng)。根據(jù)的估算,全球車(chē)載攝像頭出貨量將從2014年的2800萬(wàn)枚增長(zhǎng)到2020年的8300萬(wàn)枚,復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)20%。
 
據(jù)此估算,全球車(chē)載攝像頭市場(chǎng)規(guī)模將從2015年的62億人民幣增長(zhǎng)到2020年的133億人民幣,年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)16%。消費(fèi)區(qū)域主要在美洲、歐洲、亞太等地,其中亞太地區(qū)將成為增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)。
 
2020年國(guó)內(nèi)車(chē)載攝像頭市場(chǎng)需求量測(cè)算
 
攝像頭產(chǎn)業(yè)鏈主要有鏡頭組、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,即互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體)、 DSP(Digital Signal Process 即數(shù)字信號(hào)處理器)、模組封裝等環(huán)節(jié)組成。
 
近幾年,智能手機(jī)的高速增長(zhǎng)帶動(dòng)了攝像頭市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展,但是從 2014年開(kāi)始智能手機(jī)的增速已轉(zhuǎn)緩,手機(jī)攝像頭未來(lái)的增長(zhǎng)率也必將放緩。隨著車(chē)載攝像頭市場(chǎng)的興起,手機(jī)攝像頭產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)的產(chǎn)能將向車(chē)載攝像頭產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移,預(yù)計(jì)未來(lái)CMOS、鏡頭、 模組封裝等產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)將繼續(xù)保持高增長(zhǎng)。
 
雷達(dá)
 
測(cè)距測(cè)速必不可少的傳感器
 
雷達(dá)通過(guò)發(fā)射聲波或者電磁波對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行照射并接收其回波,由此獲得目標(biāo)物體的距離、距離變化率(徑向速度)、大小、方位等信息。雷達(dá)最先應(yīng)用于軍事中,后來(lái)逐漸民用化。
 
隨著汽車(chē)智能化的發(fā)展趨勢(shì),雷達(dá)開(kāi)始出現(xiàn)在汽車(chē)上,主要用于測(cè)距、測(cè)速等功能。汽車(chē)?yán)走_(dá)可分為超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等,不同雷達(dá)的原理不盡相同,性能特點(diǎn)也各有優(yōu)勢(shì),可用于實(shí)現(xiàn)不同的功能。
 
攝像頭、雷達(dá)、激光雷達(dá)——自動(dòng)駕駛幾大傳感器系統(tǒng)大揭秘
 
雷達(dá)傳感器(僅進(jìn)行原始數(shù)據(jù)收集)的基本架構(gòu)
 
(1)超聲波雷達(dá)
 
超聲波雷達(dá)是利用傳感器內(nèi)的超聲波發(fā)生器產(chǎn)生40KHz的超聲波,再由接收探頭接收經(jīng)障礙物反射回來(lái)的超聲波,根據(jù)超聲波反射接收的時(shí)間差計(jì)算與障礙物之間的距離。超聲波雷達(dá)成本較低,探測(cè)距離近精度高,且不受光線條件的影響,因此常用于泊車(chē)系統(tǒng)中。
 
自動(dòng)泊車(chē)功能離不開(kāi)超聲波雷達(dá)。寶馬最新的i系列和7系列已經(jīng)支持使用車(chē)鑰匙遙控汽車(chē)自動(dòng)泊車(chē),在操作過(guò)程中用戶(hù)只需要發(fā)出前進(jìn)或后退兩個(gè)指示,汽車(chē)就會(huì)持續(xù)使用超聲波傳感器檢測(cè)車(chē)位和障礙物,自動(dòng)操作方向盤(pán)和制動(dòng)器,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泊車(chē)。
 
(2)毫米波雷達(dá):ADAS核心傳感器
 
毫米波是指波長(zhǎng)在1mm到10mm之間的電磁波,換算成頻率后,毫米波的頻率位于30GHz到300GHz之間。毫米波的波長(zhǎng)介于厘米波和光波之間,因此毫米波兼有微波制導(dǎo)和光電制導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)。
 
毫米波雷達(dá)在導(dǎo)彈制導(dǎo)、目標(biāo)監(jiān)視和截獲、炮火控制和跟蹤、高速通信、衛(wèi)星遙感等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。近些年,隨著毫米波雷達(dá)技術(shù)水平的提升和成本的下降,毫米波雷達(dá)開(kāi)始應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域。
 
毫米波雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)主要由國(guó)外電子公司掌控。毫米波雷達(dá)系統(tǒng)主要包括天線、收發(fā)模塊、信號(hào)處理模塊,而MMIC(MonolithicMicrowaveIntegratedCircuit)芯片和天線PCB板(PrintedCircuitBoard)是毫米波雷達(dá)的硬件核心。
 
目前毫米波雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)主要被Bosch、Continental、Denso、Autoliv等零部件巨頭壟斷,特別是77GHz產(chǎn)品技術(shù)只有Bosch、Continental、Denso、Delphi等少數(shù)幾家公司掌握。
 
激光雷達(dá)
 
功能強(qiáng)大成本大幅降低可期
 
激光雷達(dá)是軍轉(zhuǎn)民的高精度雷達(dá)技術(shù)。激光雷達(dá)的應(yīng)用一開(kāi)始主要為軍事領(lǐng)域,受到了各國(guó)軍事部門(mén)的極大關(guān)注。相比普通雷達(dá),激光雷達(dá)可提供高分辨率的輻射強(qiáng)度幾何圖像、距離圖像、速度圖像。在民用領(lǐng)域中,激光雷達(dá)因其在測(cè)距測(cè)速、三維建模等領(lǐng)域的優(yōu)越性能也被廣泛應(yīng)用。
 
攝像頭、雷達(dá)、激光雷達(dá)——自動(dòng)駕駛幾大傳感器系統(tǒng)大揭秘
 
激光雷達(dá)性能精良,是無(wú)人駕駛的最佳技術(shù)路線。激光雷達(dá)相對(duì)于其他自動(dòng)駕駛傳感器具有非常優(yōu)越的性能:
 
1)分辨率高。激光雷達(dá)可以獲得極高的角度、距離和速度分辨率。通常激光雷達(dá)的角分辨率不低于0.1mard也就是說(shuō)可以分辨3km距離上相距0.3m的兩個(gè)目標(biāo),并可同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo);距離分辨率可達(dá)0.1m;速度分辨率能達(dá)到10m/s以?xún)?nèi)。如此高的距離、速度分辨率意味著激光雷達(dá)可以利用多普勒成像技術(shù)獲得非常清晰的圖像。
 
2)精度高。激光直線傳播、方向性好、光束非常窄,彌散性非常低,因此激光雷達(dá)的精度很高。
 
3)抗有源干擾能力強(qiáng)。與微波、毫米波雷達(dá)易受自然界廣泛存在的電磁波影響的情況不同,自然界中能對(duì)激光雷達(dá)起干擾作用的信號(hào)源不多,因此激光雷達(dá)抗有源干擾的能力很強(qiáng)。
 
激光雷達(dá)可以分為一維激光雷達(dá)、二維激光雷達(dá)、三維激光掃描儀、三維激光雷達(dá)等。其中一維激光雷達(dá)主要用于測(cè)距測(cè)速等,二維激光雷達(dá)主要用于輪廓測(cè)量、物體識(shí)別、區(qū)域監(jiān)控等,三維激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)三維空間建模。
 
攝像頭、雷達(dá)、激光雷達(dá)——自動(dòng)駕駛幾大傳感器系統(tǒng)大揭秘
 
車(chē)載三維激光雷達(dá)一般安裝在車(chē)頂,可以高速旋轉(zhuǎn),以獲得周?chē)臻g的點(diǎn)云數(shù)據(jù),從而實(shí)時(shí)繪制出車(chē)輛周邊的三維空間地圖;同時(shí),激光雷達(dá)還可以測(cè)量出周邊其他車(chē)輛在三個(gè)方向上的距離、速度、加速度、角速度等信息,再結(jié)合GPS地圖計(jì)算出車(chē)輛的位置,這些龐大豐富的數(shù)據(jù)信息傳輸給ECU分析處理后,以供車(chē)輛快速做出判斷。
 
 
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