汽車前撞預(yù)警系統(tǒng)傳感器測距精度測試與研究

牛成勇，蘇占領(lǐng)，吳昆倫，徐建勛，游國平

（1.重慶車輛檢測研究院有限公司 國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶 401122；2.汽車主動(dòng)安全測試技術(shù)重慶市工業(yè)和信息化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401122；3.自動(dòng)駕駛系統(tǒng)及智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)研發(fā)與測試應(yīng)用重慶市工程研究中心，重慶 401122）

汽車前撞預(yù)警系統(tǒng)（FCWs）通過視覺或雷達(dá)感知系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測前方車輛，判斷兩者之間的距離、方位及相對(duì)速度等，當(dāng)系統(tǒng)探測到前方區(qū)域存在潛在碰撞危險(xiǎn)時(shí)，及時(shí)提醒并警告駕駛員采取相應(yīng)措施以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。然而，F(xiàn)CWs的關(guān)鍵技術(shù)在于車輛測距，測距技術(shù)能夠?yàn)槠涮峁┥疃刃畔⒅С郑Ｕ闲熊嚢踩?/p>

隨著國家標(biāo)準(zhǔn)《智能運(yùn)輸系統(tǒng)車輛前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)性能要求和測試規(guī)程》（GB/T 33577—2017）及交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《營運(yùn)客車安全技術(shù)條件》（JT/T 1094—2016）的相繼發(fā)布和實(shí)施，不同傳感器方案的FCWs廣泛應(yīng)用于乘用車及營運(yùn)客車上。因此，需要對(duì)國內(nèi)各供應(yīng)商的FCWs產(chǎn)品性能，尤其是測距精度進(jìn)行對(duì)比、分析，讓國內(nèi)各大整車廠更加了解FCWs測距性能，也能為相關(guān)零部件供應(yīng)商更好地研發(fā)FCWs產(chǎn)品提供技術(shù)參考。同時(shí)，指出目前在測距精度測試與評(píng)價(jià)中存在的問題并提出相關(guān)建議，為標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步修訂和完善提供借鑒。

1 汽車FCWs測距精度評(píng)價(jià)方法

1.1 汽車FCWs傳感器類型及特點(diǎn)

目前，廣泛應(yīng)用于汽車上的FCWs測距方式主要有毫米波雷達(dá)測距、視覺（攝像頭）測距及毫米波雷達(dá)+攝像頭信息融合測距3種。現(xiàn)就該3種傳感方案測距原理進(jìn)行介紹并作分析。

1.1.1 毫米波雷達(dá)測距

雷達(dá)測距是通過目標(biāo)對(duì)電磁波的反射來探測前方障礙物的位置信息，包括距離、方位及相對(duì)速度等。目前，脈沖雷達(dá)測距和連續(xù)波雷達(dá)測距是毫米波雷達(dá)兩種最主要的測距方式。

圖1為脈沖雷達(dá)測距原理圖，主要是利用電磁波發(fā)射和接收之間的時(shí)間差T來計(jì)算距離L。雖然測距原理較為簡單，但在具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，脈沖測距方式存在一定難度：硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。

連續(xù)波雷達(dá)測距采用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）測距方式：（1）雷達(dá)天線向前方探測區(qū)域發(fā)射連續(xù)的調(diào)頻信號(hào)，檢測到目標(biāo)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生回波（與發(fā)射信號(hào)有一定延時(shí)）。（2）將發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)進(jìn)行混頻處理，以便從信號(hào)頻譜中提取目標(biāo)距離信息。（3）根據(jù)差拍信號(hào)間的相差來處理、計(jì)算出與目標(biāo)的相對(duì)距離，如圖2所示。圖中，設(shè)定發(fā)射波中心頻率為f0，頻帶寬度為B，掃頻周期為T，調(diào)制信號(hào)為三角波，c為光速，V和R分別為目標(biāo)的相對(duì)速度和相對(duì)距離。該測距方式雷達(dá)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、尺寸小、質(zhì)量輕且成本相對(duì)較低。

圖1 脈沖雷達(dá)測距原理

圖2 連續(xù)波雷達(dá)測距原理

1.1.2 視覺測距

由于視覺測距技術(shù)測距精度相對(duì)較高且能夠獲取豐富的道路環(huán)境信息，所以在ADAs領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。目前，應(yīng)用于汽車上的視覺測距方法主要有兩種：單目測距和雙目測距。

1.1.2.1 單目視覺測距

單目視覺測距是利用一部攝像機(jī)采集單幅圖像，通過攝像頭內(nèi)部及外部參數(shù)估算深度信息（或采用特征匹配及光流技術(shù)從圖像序列中估算三維參數(shù)）。

單目測距優(yōu)點(diǎn)：測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單且運(yùn)算速度快，成本低，不存在圖像配準(zhǔn)問題，實(shí)時(shí)性好，能滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

1.1.2.2 雙目視覺測距

雙目測距是利用視差感知距離的方法模擬人類視覺系統(tǒng)，通過兩部攝像機(jī)獲取同一目標(biāo)在不同位置的圖像，并進(jìn)行立體匹配以獲得視差圖，從而實(shí)現(xiàn)測距，即視差測距原理。

雙目測距的關(guān)鍵在于相機(jī)的標(biāo)定（雙目校正）和左右圖像對(duì)的匹配（雙目匹配）。然而，雙目測距在將三維場景投影成二維圖像的過程中會(huì)不可避免地存在畸變、噪聲、深度和不可見部分信息會(huì)被丟失等問題，極大地增加了雙目匹配的難度。此外，采用多個(gè)攝像頭，使系統(tǒng)的安裝及圖像的同步采集等技術(shù)難度也相應(yīng)增加。

1.1.3 毫米波雷達(dá)+攝像頭信息融合測距

信息融合測距原理：（1）毫米波雷達(dá)和攝像頭分別針對(duì)目標(biāo)障礙物實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)信息。（2）對(duì)各傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取與模式識(shí)別處理，并將目標(biāo)按類別進(jìn)行準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)。（3）利用融合算法將同一目標(biāo)的所有傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，從而得出關(guān)于“目標(biāo)威脅性”的一致結(jié)論。

與單獨(dú)視覺或單獨(dú)毫米波雷達(dá)方案相比，兩者融合方案在系統(tǒng)分辨能力、數(shù)據(jù)可信度、系統(tǒng)魯棒性和穩(wěn)定性等方面更有優(yōu)勢。

1.2 測試規(guī)程

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 33577—2017《智能運(yùn)輸系統(tǒng) 車輛前向碰撞預(yù)警系統(tǒng)性能要求和測試規(guī)程》和交通運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 883—2014《營運(yùn)車輛行駛危險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng) 技術(shù)要求和試驗(yàn)方法》中的要求，汽車FCWs報(bào)警距離精度測試按照以下規(guī)程進(jìn)行。

測試在車輛行駛過程中進(jìn)行，目標(biāo)車輛需在檢測區(qū)域內(nèi)。自車以速度V=20 m/s朝目標(biāo)車輛行駛，需測量兩個(gè)時(shí)刻，如圖3所示：第1個(gè)時(shí)刻為自車和目標(biāo)車輛的車間距為d的時(shí)刻t0，第2個(gè)時(shí)刻為報(bào)警時(shí)刻t1。報(bào)警距離的計(jì)算公式為D=d?V× (t1?t0)。用該計(jì)算結(jié)果與制造商所設(shè)定的報(bào)警距離進(jìn)行比較，在重復(fù)性測試中，報(bào)警距離精度需在70%以上次數(shù)的測試中達(dá)到測距精度要求（JT/T 883—2014：報(bào)警距離相對(duì)誤差最大不超過 ±1 m 或 ±5%；GB/T 33577—2017：±2 m 或±15%）。其中，報(bào)警距離相對(duì)誤差 的計(jì)算公式為：

式中：d1為實(shí)際報(bào)警距離；d2為系統(tǒng)報(bào)警距離；d3為實(shí)際探測距離。

圖3 報(bào)警距離精度測試方法

根據(jù)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求，搭建如圖4所示的試驗(yàn)場景進(jìn)行FCWs距離精度測試。

圖4 FCWs距離精度試驗(yàn)場景

2 汽車FCWs傳感器測距精度測試與結(jié)果分析

2.1 測試設(shè)備

汽車FCWs距離精度測試需要的測試設(shè)備主要有英國ABD sR60駕駛機(jī)器人，牛津RT慣導(dǎo)系統(tǒng)+GPs差分基站，德維創(chuàng)DEWE-501數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過Euro-NCAP認(rèn)證的德國產(chǎn)目標(biāo)假車，如圖5所示。

圖5 FCWs報(bào)警距離精度測試設(shè)備

儀器測試精度：

（1）速度精度為0.05 km/h；

（2）加速度精度為0.01 m/s2；

（3）定位精度為0.02 m。

2.2 測試車輛信息

測試車輛的重要參數(shù)信息見表1（整車參數(shù)均為實(shí)測值，并非法規(guī)公告值；測試車輛為某MPV，且為空載狀態(tài)）。

表1 測試車輛重要參數(shù)信息

2.3 汽車FCWs傳感器方案

某MPV 所裝備的FCWs傳感器方案見表2。其中，毫米波雷達(dá)B1、B2分別采用國外、國內(nèi)生產(chǎn)的雷達(dá)，單目攝像頭均為國內(nèi)供應(yīng)商所生產(chǎn)。

表1 測試車輛重要參數(shù)信息

2.4 汽車FCWs測距精度測試結(jié)果分析

2.4.1 基于單目攝像頭方案

（1）兩種單目攝像頭均采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行目標(biāo)障礙物檢測，其測距方法為：

①單目攝像頭A1測距方法采用“目標(biāo)像素輪廓大小測距”，根據(jù)目標(biāo)在相機(jī)平面上成像的尺寸、面積及攝像頭安裝高度（一般安裝在汽車前擋風(fēng)玻璃中間位置）擬合測距曲線以確定目標(biāo)的距離。

②單目攝像頭A2測距方法采用“目標(biāo)底部陰影遠(yuǎn)近測距”，以目標(biāo)車輛底部陰影作為感興趣區(qū)域，獲取該陰影在道路上的位置并還原車輛的寬度等信息，通過攝像頭標(biāo)定擬合測距曲線。

（2）測試結(jié)果分析：兩種測距方法的測距精度如圖6和圖7所示。

由圖可知，基于單目攝像頭A1和A2的FCWs報(bào)警距離“相對(duì)誤差”及“絕對(duì)誤差”較大：σA1=11.52%（7.76 m），σA2=23.34%（13.82 m）。而且，由于一般單目攝像頭的成像效果不太理想，導(dǎo)致車輛底部陰影識(shí)別效果較差，該測距算法不如“目標(biāo)像素輪廓大小測距”算法。由此可見，國內(nèi)單目攝像頭測距精度不高，測距誤差甚至高達(dá)十幾米，達(dá)不到法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 883—2014的要求，A1產(chǎn)品能夠“滿足”GB/T 33577—2017要求（標(biāo)準(zhǔn)：±2 m或±15%，但若看測距誤差7.76 m的話，不滿足），具體原因分析如下。

①單目視覺識(shí)別精度低。根據(jù)上文提到的單目視覺測距原理可知，單目攝像頭無法直接測量本車與前車的相對(duì)距離，而是通過“像素距離擬合出空間距離曲線”的測距方式近似獲得。因此，其測距精度較差。

②單目視覺識(shí)別效率低。需要先對(duì)前方目標(biāo)障礙物進(jìn)行識(shí)別，然后再進(jìn)行測距，即單目攝像頭在進(jìn)行測距前先識(shí)別障礙物是人、車或是其它物體。鑒于此，單目攝像頭的天然劣勢在于需要大型數(shù)據(jù)庫且不斷更新、維護(hù)和優(yōu)化。

③單目攝像頭變焦距問題。通常來講，攝像頭視角變窄（長焦距），則探測距離遠(yuǎn)；視角變寬（短焦距），則探測距離近。所以，針對(duì)不同距離范圍內(nèi)的目標(biāo)探測需要不斷變焦以保證測距精度，然而，目前市場上的單目攝像頭焦距都是固定的。

圖6 單目攝像頭A1測距精度對(duì)比曲線

圖7 單目攝像頭A2測距精度對(duì)比曲線

2.4.2 基于毫米波雷達(dá)方案

（1）兩種毫米波雷達(dá)測距方式說明：國外毫米波雷達(dá)B1和國內(nèi)毫米波雷達(dá)B2均采用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）測距方式。

（2）測試結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 毫米波雷達(dá)B1測距精度對(duì)比曲線

圖9 毫米波雷達(dá)B2測距精度對(duì)比曲線

由圖可知，基于毫米波雷達(dá)B1（國外產(chǎn)）和B2（國內(nèi)產(chǎn)）的FCWs報(bào)警距離相對(duì)誤差較?。害褹1=3.39%（1.86 m），σA2=4.03%（2.55 m）。由此可見，進(jìn)口毫米波雷達(dá)測距精度均較高，滿足法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求。但相較國外進(jìn)口毫米波雷達(dá)，國產(chǎn)毫米波雷達(dá)測距性能較差，會(huì)出現(xiàn)“丟目標(biāo)”的情況，造成系統(tǒng)“失明”。究其原因，毫米波雷達(dá)國產(chǎn)化進(jìn)程滯后，雷達(dá)芯片是關(guān)鍵制約因素。

需要指出的是，受制于知識(shí)產(chǎn)權(quán)與供應(yīng)鏈等諸多因素，英飛凌、飛思卡爾等國際Tier 1芯片供應(yīng)商并沒有完全對(duì)中國放開77 GHz雷達(dá)芯片的供應(yīng)，這直接導(dǎo)致國內(nèi)77 GHz毫米波雷達(dá)的研發(fā)受到很大程度的制約，進(jìn)展較為緩慢。

2.4.3 基于毫米波雷達(dá)+攝像頭信息融合方案

（1）方案說明：采用“攝像頭主要負(fù)責(zé)目標(biāo)外觀鎖定，毫米波雷達(dá)主要負(fù)責(zé)測距”工作模式。測距過程：先通過視覺和雷達(dá)同時(shí)測量距離，然后結(jié)合兩者的測定距離來判斷有沒有誤識(shí)別，甄選出有威脅的目標(biāo)障礙物，最后以毫米波雷達(dá)所測距離為實(shí)際測量距離。

（2）測試結(jié)果分析。

由圖10可知，基于毫米波雷達(dá)（國外產(chǎn)77 GHz）+攝像頭信息融合方案的FCWs報(bào)警距離相對(duì)誤差較?。害褻=2.72%（1.75 m）。由此可見，與前兩種傳感方案相比，毫米波雷達(dá)+攝像頭信息融合方案測距精度很高，也滿足法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求。

顯然，與單目視覺或單毫米波雷達(dá)方案相比，兩者融合方案在系統(tǒng)分辨能力、數(shù)據(jù)可信度、系統(tǒng)魯棒性和穩(wěn)定性等方面更有優(yōu)勢。

圖10 基于融合傳感方案C測距精度對(duì)比曲線

2.5 汽車FCWs測距精度評(píng)價(jià)問題分析及建議

（1）由于基于視覺測距原理“瓶頸”的限制，其測距精度根本達(dá)不到JT/T 883—2014標(biāo)準(zhǔn)的要求，部分產(chǎn)品能夠滿足GB/T 33577—2017的要求。建議根據(jù)FCWs傳感方案的不同，對(duì)應(yīng)調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)中的測距精度要求，同時(shí)，針對(duì)基于視覺的FCWs供應(yīng)商需不斷優(yōu)化測距算法以提升系統(tǒng)測距精度與可靠性。

（2）FCWs測距精度測試方法選擇問題：目前標(biāo)準(zhǔn)只明確規(guī)定了一種試驗(yàn)方法，即前方目標(biāo)車輛靜止，測試車輛以72 km/h的速度接近。該測試方法未必能有效評(píng)價(jià)傳感器測距精度，可考慮增加測試方法以模擬實(shí)際行駛工況，如增加前方目標(biāo)車輛勻速或減速行駛工況。

（3）FCWs測距精度評(píng)價(jià)指標(biāo)問題：標(biāo)準(zhǔn)GB/T 33577—2017和JT/T 883—2014中對(duì)測距精度要求一致性存在差別，即“測距誤差”的要求（±1 m或±2 m）明顯高于“測距相對(duì)誤差”（±5%或±15%）。比如，單目攝像頭A1測試結(jié)果為11.52%（7.76 m），以測距誤差7.76 m作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，則不滿足；相反，以測距相對(duì)誤差11.52%作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，則滿足要求。鑒于此，希望修訂標(biāo)準(zhǔn)中的評(píng)價(jià)指標(biāo)，形成統(tǒng)一的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

本文在分析FCWs傳感方案測距原理的基礎(chǔ)之上，依據(jù)交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 883—2014及國標(biāo)GB/T 33577—2017，針對(duì)某乘用車匹配的不同F(xiàn)CWs傳感方案的測距精度進(jìn)行了測試與評(píng)價(jià)。測試結(jié)果表明，毫米波雷達(dá)與攝像頭信息融合方案的測距精度最優(yōu)，同時(shí)指出了當(dāng)前在汽車FCWs距離精度測評(píng)方面存在的一些問題并提出了相關(guān)可行性建議。