文章導(dǎo)讀

本文介紹無(wú)人駕駛中幾種主流的環(huán)境感知傳感器，包括視覺(jué)攝像機(jī)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)。通過(guò)分析對(duì)比每種傳感器的原理和優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)一步理解不同場(chǎng)景下如何構(gòu)建感知方案。

在無(wú)人駕駛中，傳感器負(fù)責(zé)感知車輛行駛過(guò)程中周圍的環(huán)境信息，包括周圍的車輛、行人、交通信號(hào)燈、交通標(biāo)志物、所處的場(chǎng)景等。為無(wú)人駕駛汽車的安全行駛提供及時(shí)、可靠的決策依據(jù)。目前常用的車載傳感器包括相機(jī)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)等。根據(jù)各個(gè)傳感器的特性，在實(shí)際應(yīng)用中往往采用多種傳感器功能互補(bǔ)的方式進(jìn)行環(huán)境感知。

傳感器原理

攝像頭屬于被動(dòng)觸發(fā)式傳感器，被攝物體反射光線，傳播到鏡頭，經(jīng)鏡頭聚焦到CCD/CMOS芯片上，CCD/CMOS根據(jù)光的強(qiáng)弱積聚相應(yīng)的電荷，經(jīng)周期性放電，產(chǎn)生表示一幅幅畫面的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)預(yù)中放電路放大、AGC自動(dòng)增益控制，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換由圖像處理芯片處理成數(shù)字信號(hào)。

其中感光元器件一般分為CCD和CMOS兩種：CCD的靈敏度高，噪聲低，成像質(zhì)量好，具有低功耗的特點(diǎn)，但是制作工藝復(fù)雜，成本高，應(yīng)用在工業(yè)相機(jī)中居多；CMOS價(jià)格便宜，性價(jià)比很高，應(yīng)用在消費(fèi)電子中居多。為了滿足不同功能的視覺(jué)需求，有很多不同種類的攝像機(jī)。

傳感器分類

組合相機(jī)：這里指無(wú)人駕駛前視環(huán)境感知中常出現(xiàn)的單目/雙目/三目，由不同焦距組成光學(xué)陣列，用于探測(cè)不同范圍內(nèi)的目標(biāo)。

傳統(tǒng)的單目做前視感知一般FOV較小，景深會(huì)更遠(yuǎn)，能夠探測(cè)遠(yuǎn)距離障礙物，比如mobileye早期產(chǎn)品采用52°的鏡頭，當(dāng)然現(xiàn)在主推的是100°攝像頭能夠感知更廣的范圍。

雙目相機(jī)利用視差原理計(jì)算深度，通過(guò)兩幅圖像因?yàn)橄鄼C(jī)視角不同帶來(lái)的圖片差異構(gòu)成視差。雙目立體視覺(jué)在測(cè)距精度上要比單目做深度估計(jì)準(zhǔn)確很多。

三目相機(jī)采用三個(gè)不同焦距單目攝像機(jī)的組合，彌補(bǔ)了視野范圍和景深不可兼得的問(wèn)題，由寬視野的攝像頭感知近距離范圍，中視野的攝像頭感知中距離范圍，窄視野的攝像頭感知遠(yuǎn)處目標(biāo)。在AutoPilot 2.0的方案中三個(gè)攝像頭分別為前視窄視野攝像頭（最遠(yuǎn)感知250米）、前視主視野攝像頭（最遠(yuǎn)感知150米）及前視寬視野攝像頭（最遠(yuǎn)感知60米）。

魚(yú)眼相機(jī)：由十幾個(gè)不同的透鏡組合而成，在成像的過(guò)程中，入射光線經(jīng)過(guò)不同程度的折射，投影到尺寸有限的成像平面上，使得魚(yú)眼鏡頭擁有更大的視野范圍。魚(yú)眼相機(jī)的視場(chǎng)角一般能達(dá)到190°，廣闊的視野范圍也帶來(lái)嚴(yán)重的圖像畸變。通常應(yīng)用在自動(dòng)駕駛泊車功能中，安裝在車輛前后保險(xiǎn)杠處各一顆，左右后視鏡下方各一顆，四顆魚(yú)眼相機(jī)拼接成全景圖覆蓋車身周圍5米左右范圍做車位線檢測(cè)。

紅外相機(jī)：利用普通CCD攝像機(jī)可以感受紅外光的光譜特性，配合紅外燈作為照明源達(dá)到夜視成像的效果，通常在芯片表面加濾光涂層或在鏡頭中加濾光片濾掉人眼不可見(jiàn)的光以恢復(fù)原來(lái)色彩，具有夜視效果。近紅外線的繞射能力雖然可以穿透煙霧、墨漬、滌綸絲綢之類的材料，但是并不能穿透所有絲織物，所以紅外相機(jī)是做不到對(duì)人體的透視功能的~~~。

除了上述幾種攝像機(jī)，其實(shí)還有事件攝像機(jī)，結(jié)構(gòu)光攝像機(jī)，全景攝像機(jī)等，在無(wú)人駕駛的感知中目前涉及較少。

傳感器特性

視覺(jué)攝像機(jī)能夠得到豐富的紋理，特征信息，相比毫米波、激光雷達(dá)，采用圖像數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)車道線檢測(cè)，交通標(biāo)識(shí)符檢測(cè)，freespace等功能。但是也有其不足之處，比如：

• 相機(jī)容易受到光照的影響：

• 在強(qiáng)光直射或者陰影背光的情況下成像質(zhì)量較差；

• 物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)模糊；

傳感器原理

毫米波雷達(dá)通過(guò)發(fā)射無(wú)線電波，然后接收反射回來(lái)的信號(hào)，通過(guò)電磁波返回的飛行時(shí)間計(jì)算目標(biāo)的相對(duì)距離；根據(jù)多普勒原理，當(dāng)發(fā)射的無(wú)線電波和被探測(cè)目標(biāo)有相對(duì)移動(dòng)、回波的頻率會(huì)和發(fā)射波的頻率不同，通過(guò)檢測(cè)頻率差計(jì)算目標(biāo)的相對(duì)速度。

根據(jù)測(cè)距原理可以將毫米波雷達(dá)分成脈沖測(cè)距雷達(dá)和連續(xù)波測(cè)距雷達(dá)，由于調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)成本低廉、技術(shù)成熟并且信號(hào)處理復(fù)雜度低，所以FWCW調(diào)制方式的毫米波雷達(dá)成為主流。內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括收發(fā)天線、射頻前端、調(diào)制信號(hào)、信號(hào)處理模塊等。

傳感器分類

常用的車載毫米波雷達(dá)按照頻率分為24GHz、77GHz和79GHz，也有少數(shù)地區(qū)研究其他頻率的毫米波雷達(dá)，比如日本主要采用60GHz。頻率越低，繞射能力越強(qiáng)，所以信號(hào)損失越小。通常24GHz毫米波雷達(dá)用于近距離探測(cè)，77GHz的毫米波雷達(dá)用于遠(yuǎn)距離探測(cè)，79GHz的毫米波從帶寬、分辨率等方面均優(yōu)于前者，將成為未來(lái)的發(fā)展方向。

近距離雷達(dá)（SRR）：如上圖所示，車輛四周的角雷達(dá)和安裝于車輛后方的雷達(dá)，常用24GHz的毫米波探測(cè)40米以內(nèi)的目標(biāo)。

遠(yuǎn)距離雷達(dá)（LRR）：安裝于車輛前保險(xiǎn)桿上的前雷達(dá)常用77GHz的毫米波探測(cè)200米以內(nèi)的目標(biāo)并和攝像頭的目標(biāo)輸出做后融合。

79GHz的毫米波雷達(dá)頻率更高，波長(zhǎng)更短，分辨率更高，所以在遠(yuǎn)距離測(cè)距，測(cè)速上性能優(yōu)于77GHz，并且由于體積較小，是將來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

傳感器特性

毫米波雷達(dá)測(cè)量距離遠(yuǎn)，通常能達(dá)到200多米，并且受天氣影響較小，電磁波在雨雪、大霧、粉塵中具有良好的穿透性。但是也有其不足之處，比如：

• 對(duì)某些材質(zhì)回波弱比如行人、錐桶或塑料制品等識(shí)別率較差；

• 對(duì)金屬材質(zhì)特別敏感，導(dǎo)致虛警率很高；
  

• 采樣稀疏導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)噪聲大，目標(biāo)抖動(dòng)；
  

• 徑向目標(biāo)探測(cè)較準(zhǔn)，但是切向目標(biāo)敏感度差；

• 原始數(shù)據(jù)只有距離和角度信息，缺乏目標(biāo)高度信息；

傳感器原理

超聲波雷達(dá)通過(guò)聲音在空氣中傳輸?shù)臅r(shí)間來(lái)判斷障礙物的距離，在5米以內(nèi)的精度能達(dá)到厘米級(jí)范圍。其原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算其到障礙物的距離。主流的工作頻率有40KHz、48KHz、58KHz三種。

傳感器分類

針對(duì)泊車場(chǎng)景一般在車輛周圍安裝12顆超聲波雷達(dá)，車輛前后各安裝4顆短距離超聲波雷達(dá)，左右各安裝2顆長(zhǎng)距離超聲波雷達(dá)。

短距離超聲波（UPA）測(cè)量范圍一般在3米以內(nèi)，如上圖所示，安裝在車輛的前后保險(xiǎn)杠處用于倒車時(shí)探測(cè)近處障礙物，常用于倒車報(bào)警功能。

遠(yuǎn)距離超聲波（APA）測(cè)量范圍一般在5米以內(nèi)，安裝在車輛左右各兩顆，用于探測(cè)近處障礙物并判斷空車位，常用于泊車輔助功能。

傳感器特性

超聲波雷達(dá)受到雨水、粉塵、泥沙的干擾較小，在空氣中穿透性強(qiáng)、 衰減小，短距離探測(cè)中精度較高，常用于泊車場(chǎng)景。但是也有其不足之處，比如：

• 聲波的傳輸容易受到天氣溫度的影響，高低溫情況下測(cè)距誤差較大；
  

• 聲速相比光速較慢，車速較快時(shí)超聲波測(cè)距無(wú)法跟上汽車車距的實(shí)時(shí)變化，誤差較大；

• 超聲波雷達(dá)的輸出是在視野范圍內(nèi)的距離值，但是無(wú)法準(zhǔn)確的給出目標(biāo)位置；

傳感器原理

激光雷達(dá)是主動(dòng)測(cè)量傳感器，通過(guò)對(duì)外發(fā)射激光脈沖來(lái)進(jìn)行物體檢測(cè)和測(cè)距。根據(jù)測(cè)距方法的不同可以分為三角法測(cè)距、TOF法測(cè)距、相干法測(cè)距。市面上用的比較多的還是TOF測(cè)距的激光雷達(dá)。

基于TOF測(cè)距的激光雷達(dá)通過(guò)激光器以不同的角度發(fā)送多束激光，遇到障礙物后反射回來(lái)由接收器接收，最后激光雷達(dá)通過(guò)計(jì)算激光發(fā)射和接收的時(shí)間差，計(jì)算障礙物的相對(duì)距離，并根據(jù)接收到的強(qiáng)度信息分析障礙物的材質(zhì)。

傳感器分類

激光雷達(dá)從工作方式上可以分為

• 機(jī)械式激光雷達(dá)

• 混合固態(tài)激光雷達(dá)

• 固態(tài)激光雷達(dá)

機(jī)械式激光雷達(dá)通過(guò)底部旋轉(zhuǎn)馬達(dá)帶動(dòng)激光束進(jìn)行360°掃描，每掃描一圈得到一幀激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，掃描一圈的時(shí)間稱為一個(gè)掃描周期。通過(guò)測(cè)量激光信號(hào)的時(shí)間差和相位差來(lái)確定距離，并根據(jù)每條掃描線的角度和掃描旋轉(zhuǎn)角度構(gòu)建極坐標(biāo)關(guān)系。

混合固態(tài)激光雷達(dá)將機(jī)械式的外部旋轉(zhuǎn)元器件做到了設(shè)備內(nèi)部，比如MEMS技術(shù)直接在硅基芯片上集成體積十分精巧的微型掃描鏡，并通過(guò) MEMS 掃描鏡來(lái)反射激光器的光線，從而實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的運(yùn)動(dòng)掃描。

固態(tài)激光雷達(dá)比如相陣控技術(shù)通過(guò)調(diào)節(jié)相位偏移來(lái)改變激光束的發(fā)射方向，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)平面的掃描。其原理是相控陣發(fā)射器由若干發(fā)射接收單元組成一個(gè)矩形陣列，通過(guò)改變陣列中不同單元發(fā)射光線的相位差，可以達(dá)到調(diào)節(jié)射出波角度和方向的目的。

性能指標(biāo)

波長(zhǎng)：大多數(shù)激光雷達(dá)采用905nm波長(zhǎng)的光源，也有部分遠(yuǎn)距離探測(cè)雷達(dá)使用1550nm的波長(zhǎng)。波長(zhǎng)越長(zhǎng)功率越大，通俗點(diǎn)說(shuō)就是通過(guò)大力出奇跡的方式堆功率來(lái)探測(cè)的更遠(yuǎn)。針對(duì)多個(gè)激光雷達(dá)相同波段干擾問(wèn)題，可以采用連續(xù)波調(diào)頻技術(shù)解決。

線數(shù)：激光雷達(dá)可以分為單線、16線、32線、64線、128線等，線數(shù)越多單位時(shí)間內(nèi)采樣的點(diǎn)數(shù)就越多，分辨率越高。單線激光雷達(dá)常出現(xiàn)在機(jī)器人領(lǐng)域用于掃地機(jī)避障等功能；16線激光雷達(dá)在園區(qū)小車上曝光率較多，用于slam或者近距離障礙物檢測(cè)；32線和64線激光雷達(dá)由于點(diǎn)云更加稠密，采用深度學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別具有很好的周圍環(huán)境感知能力。

分辨率：包括水平角分辨率和垂直角分辨率，機(jī)械式激光雷達(dá)水平角分辨率一般在0.08°，垂直角分辨率根據(jù)線數(shù)的不同有較大的變化，16線激光雷達(dá)的垂直角分辨率為2°，呈現(xiàn)出的一幀點(diǎn)云較為稀疏。

視場(chǎng)角：包括水平視場(chǎng)角和垂直視場(chǎng)角，機(jī)械式激光雷達(dá)的水平視場(chǎng)角為360°，垂直視場(chǎng)角一般在20°~50°之間。固態(tài)激光雷達(dá)達(dá)不到全視野范圍，水平視場(chǎng)角通常小于100°，垂直視場(chǎng)角通常在20°~70°之間。

掃描頻率：采樣頻率在5~20Hz之間，一般默認(rèn)10Hz，線數(shù)越多，每一幀的點(diǎn)數(shù)越多。比如16線激光雷達(dá)，按照10Hz采樣，每幀大約30000多個(gè)點(diǎn)。

傳感器特性

激光雷達(dá)對(duì)光照變化不敏感，不受夜晚場(chǎng)景的影響，可以全天候工作；測(cè)距精度相比其他傳感器都要高，具有一定的抗干擾能力；感知周圍信息量較為豐富；但是也有其不足之處，比如：

• 受雨雪、霧天、粉塵等氣候影響性能下降；

• 對(duì)某些低反射特性的材料測(cè)距精度不佳；

• 硬件價(jià)格昂貴

從探測(cè)距離角度，毫米波雷達(dá)（長(zhǎng)距）和激光雷達(dá)（遠(yuǎn)距離）均能探測(cè)到200左右的物體；攝像機(jī)雖然能看到更遠(yuǎn)的物體，但是遠(yuǎn)距離測(cè)量精度不準(zhǔn)，單目估計(jì)在20米以外精度就開(kāi)始下降，立體相機(jī)測(cè)量80米以外的物體精度也明顯下降；超聲波雷達(dá)用于近距離探測(cè)，探測(cè)距離通常在3米以內(nèi)。

從測(cè)速功能角度，只有毫米波雷達(dá)能夠通過(guò)多普勒頻移直接獲得物體速度；激光雷達(dá)，攝像機(jī)，超聲波三種傳感器均不能直接獲得物體速度。

從抗干擾角度，攝像機(jī)作為被動(dòng)傳感器，依賴外部環(huán)境光，在夜間的探測(cè)能力較大；而毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)均是有源傳感器，不受白天/黑夜的影響，具有較好的魯棒性。在雨雪、大霧、粉塵等天氣狀況下，毫米波雷達(dá)具有良好的穿透性，所以性能不受顯著影響；而攝像機(jī)、激光雷達(dá)在探測(cè)性能上有不同程度的衰減。