哪種距離傳感器最適合自動(dòng)駕駛？

為了使車輛能夠自動(dòng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛

大眾甲殼蟲看上去很美，但它并不能識(shí)別周圍的環(huán)境。對于汽車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)間原理。

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

飛行時(shí)間原理簡述：

飛行時(shí)間基于信號(hào)撞擊物體并反射回來所花費(fèi)的時(shí)間間接測量距離和速度。該原理可以在動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)別道路標(biāo)記或交通標(biāo)志，精確檢測、識(shí)別靜止物體和運(yùn)動(dòng)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(gè)攝像頭，就像立體相機(jī)或圖像識(shí)別軟件一樣，這需要很高的計(jì)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(gè)相機(jī)鏡頭和一個(gè)圖像傳感器，提供2D圖像。這些圖像是行車助手、識(shí)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(jì)算。

立體攝像頭（兩只“眼睛”）更昂貴，體積更大。它主要由兩個(gè)攝像頭和兩個(gè)圖像傳感器組成。立體攝像頭同時(shí)從不同角度拍攝兩個(gè)圖像。通過標(biāo)定它們來創(chuàng)建3D圖像，可以計(jì)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(huì)被反射并反射回傳感器。發(fā)送和接收之間的時(shí)間間隔越短，對象越近。

因此，基于波的傳播速度，可以計(jì)算到物體的距離，從而可以高精度地確定距離。通過將幾個(gè)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(dòng)剎車輔助系統(tǒng)等。

雷達(dá)傳感器堅(jiān)固耐用，價(jià)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(shí)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(gè)頻段。它結(jié)構(gòu)緊湊，干擾問題少，價(jià)格較便宜。近距離雷達(dá)有助于停車操作，監(jiān)視盲點(diǎn)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(dòng)輔助和自適應(yīng)巡航控制（即使在高速行駛時(shí)），因此在實(shí)現(xiàn)下一步自動(dòng)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(jì)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(gè)超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)，這些傳感器通常安裝在車輛周圍的保險(xiǎn)中。

超聲波也是基于飛行時(shí)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(dòng)輔助系統(tǒng)等。

超聲波傳感器堅(jiān)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?yàn)槁曇舻膫鞑ィㄓ绕涫窃诟哳l下）的損耗要比空氣中的損耗小得多?？梢愿鶕?jù)水下聲速和物體反射時(shí)間計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)下一級(jí)別自動(dòng)駕駛的重要前提。這項(xiàng)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(shí)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(gè)激光脈沖，捕獲高分辨率3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

這些所謂的點(diǎn)云非常詳細(xì)，不僅可以識(shí)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(jiān)固耐用的特點(diǎn)，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(jì)。但是，由于它們的固態(tài)設(shè)計(jì)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(dòng)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(gè)環(huán)境中，旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)高達(dá)360°的視場。但是，手動(dòng)設(shè)置很復(fù)雜且成本很高。因此，即使是大量生產(chǎn)，單價(jià)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(jì)基于半導(dǎo)體技術(shù)，沒有任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(jí)別的批量生產(chǎn)車輛中，在未來自動(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)安全的自動(dòng)駕駛。

責(zé)任編輯：haq