未來無人駕駛汽車的傳感器方案發(fā)展趨勢(上)

◆文/安徽 程增木

無人駕駛汽車系統(tǒng)主要包括感知、定位、決策、規(guī)劃、控制等模塊，感知模塊是無人駕駛汽車的“眼睛”，其將感知的結(jié)果傳輸給后續(xù)模塊供其使用。感知模塊主要使用的傳感器包括攝像頭、激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)等傳感器。本文重點介紹激光雷達(dá)和攝像頭。

一、激光雷達(dá)傳感器的組成及工作原理

激光雷達(dá)是利用可見光和近紅外光(多為950nm波段附近的紅外光）發(fā)射一個信號，經(jīng)目標(biāo)反射后被接收系統(tǒng)收集，通過測量反射光的運行時間而確定目標(biāo)的距離。激光雷達(dá)具有高分辨率、強抗干擾能力、可全天時工作、信息量豐富的優(yōu)點，可應(yīng)用于無人駕駛汽車中，但是其容易受到大氣條件以及工作環(huán)境的煙塵的影響。

激光雷達(dá)主要由激光發(fā)射系統(tǒng)、激光接收系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)和掃描系統(tǒng)四部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.激光發(fā)射系統(tǒng)

激光發(fā)射系統(tǒng)的激勵源周期性地驅(qū)動激光器，發(fā)射激光脈沖，利用激光調(diào)制器通過光束控制器控制發(fā)射激光的方向和線數(shù)， 最后通過光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)將激光發(fā)射至目標(biāo)物體。

2.激光接收系統(tǒng)

激光接收系統(tǒng)經(jīng)光學(xué)接收系統(tǒng)光電探測器接收目標(biāo)物體反射回來的激光， 產(chǎn)生接收信號。

3.信息處理系統(tǒng)

信息處理系統(tǒng)將接收信號經(jīng)過放大處理和數(shù)模轉(zhuǎn)換后， 由信息處理模塊計算，獲取目標(biāo)表面形態(tài)、 物理屬性等特征， 最終建立物體模型。

4.掃描系統(tǒng)

掃描系統(tǒng)以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對所在平面的掃描，并產(chǎn)生實時的平面圖信息。

激光雷達(dá)的工作原理與雷達(dá)非常相近，以激光作為信號源，由激光器發(fā)射出的脈沖激光，打到地面的樹木、道路、橋梁和建筑物上，引起散射，一部分光波會反射到激光雷達(dá)的接收器上，根據(jù)激光測距原理計算，就得到從激光雷達(dá)到目標(biāo)點的距離。脈沖激光不斷地掃描目標(biāo)物，就可以得到目標(biāo)物上全部目標(biāo)點的數(shù)據(jù)，用此數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理后，就可得到精確的三維立體圖像。

在激光雷達(dá)前端有一個光學(xué)發(fā)射和光學(xué)接收系統(tǒng)，在發(fā)射系統(tǒng)后端有N組發(fā)射模塊，在接收系統(tǒng)后端也有N組與發(fā)射模塊對應(yīng)的接收模塊。當(dāng)激光雷達(dá)開始工作時，N組發(fā)射模塊和N組接收模塊在系統(tǒng)電路的精確控制下，按照一定的時間順序輪流工作，發(fā)射和接收激光束。編碼器是一種用于運動控制的傳感器，它利用光電、電磁、電感等原理，檢測物體的機(jī)械位置及其變化，并將此信息轉(zhuǎn)換為電信號作為運動控制的反饋，傳遞給各種運動控制裝置。光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器屬于編碼器中較為特殊的一種，它通過光電轉(zhuǎn)換，可將輸出軸的角位移、角速度等機(jī)械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量輸出，可以精確地測試電機(jī)角位移和旋轉(zhuǎn)位置。旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動掃描鏡按照一定的順序和速度旋轉(zhuǎn)，將激光器發(fā)出的激光束發(fā)射出去，然后反射回來的激光束通過光學(xué)接收系統(tǒng)進(jìn)行處理計算，這樣就可以形成光學(xué)掃描，其工作原理如圖2所示。

攝像頭是光線通過鏡頭進(jìn)入攝像頭內(nèi)部，然后經(jīng)過紅外濾光片過濾紅外光，最后到達(dá)光感傳感器(主要包括CMOS和CCD兩種），光感傳感器可以將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電信號，再通過內(nèi)部的模數(shù)電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后傳輸給控制器。攝像頭具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、感知距離遠(yuǎn)、視角范圍大等優(yōu)勢，但是其受周圍光線影響交大，容易受到光源及環(huán)境的干擾。

視覺傳感器主要由光源、鏡頭、圖像傳感器、模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像處理器、圖像存儲器等組成，其主要功能是獲取足夠的機(jī)器視覺系統(tǒng)要處理的原始圖像，如圖3所示。

光源是一個物理學(xué)名詞，世界上的物體有的發(fā)光，有的不發(fā)光，我們把能夠自行發(fā)光且正在發(fā)光的物體叫作光源，如太陽、打開的電燈、燃燒的蠟燭等都是光源。

鏡頭是視頻傳感器的關(guān)鍵部件，它的質(zhì)量好壞直接影響著攝像頭的指標(biāo)。鏡頭相當(dāng)于人眼的晶狀體，如果沒有晶狀體人眼看不到任何物體。 如果沒有鏡頭，那么攝像頭所輸出的圖像就是白茫茫的一片，沒有清晰的圖像輸出。

圖像傳感器通常使用電荷耦合器件(CCD)或互補金屬氧化物半導(dǎo)(CMOS) 技術(shù)將光轉(zhuǎn)換為電信號。圖像傳感器的任務(wù)本質(zhì)上就是采集光源并將其轉(zhuǎn)換為平衡噪聲、靈敏度和動態(tài)范圍的數(shù)字圖像。圖像是像素的集合，暗光產(chǎn)生暗像素，亮光產(chǎn)生較亮的像素。圖像傳感器能夠確保攝像頭具有正確的分辨率以適合應(yīng)用，分辨率越高，圖像細(xì)節(jié)越高，測量準(zhǔn)確度越高。

模/數(shù)轉(zhuǎn)換器即通常所說的A/D轉(zhuǎn)換器，是將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的電子元件，能夠把輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字信號。

圖像處理器是一個進(jìn)行分類、合成等處理的軟件。它通過取樣和量化過程，將一個以自然形式存在的圖像變換為適合計算機(jī)處理的數(shù)字形式，包括圖片直方圖、灰度圖等的顯示。圖片修復(fù)，即指通過圖像增強或復(fù)原來改進(jìn)圖片的質(zhì)量。

圖像存儲是指各種圖形和影像在存儲器中最多可以存儲多少幀的視頻信號。數(shù)字圖像文件存儲方式主要有位映射圖像、光柵圖像以及矢量圖像等。

車載視覺系統(tǒng)是能夠讓汽車具備視覺感知功能的系統(tǒng)，利用視覺傳感器獲取周邊環(huán)境的圖像，并通過視覺處理器進(jìn)行圖像的分析和理解，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的定義符號，使汽車能夠辨識并確認(rèn)物體位置及各種狀態(tài)。被拍攝的物體經(jīng)過視覺傳感器的鏡頭聚焦到視覺傳感器上面，視覺傳感器由多個X-Y縱橫排列的像素點組成，每個像素點都由一個光電二極管及相關(guān)電路組成。光電二極管將拍攝到的光線轉(zhuǎn)變成對應(yīng)的電荷，在相關(guān)電路的控制下逐點輸出，經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換，然后形成數(shù)字視頻信號輸出，最后通過顯示屏還原后，就可以看到和拍攝場景一樣的圖像了，如圖4所示。

在2021年的廣州車展中，不少車企展出了搭載激光雷達(dá)的車型，主要包括小鵬G9、沙龍機(jī)甲龍、哪吒S、飛凡R7、極狐阿爾法S全新HI版。為什么激光雷達(dá)越來越多的搭載在即將量產(chǎn)的車型上？首先，激光雷達(dá)具備分辨率高、穩(wěn)定、可采集三維數(shù)據(jù)等優(yōu)勢，激光雷達(dá)點云經(jīng)過處理后可以獲得目標(biāo)的距離、角度、反射強度、速度等信息，生成目標(biāo)的多維度圖像，并且激光雷達(dá)可全天時工作，相比于毫米波雷達(dá)，激光雷達(dá)可實現(xiàn)對金屬物體的檢測，并且相比于攝像頭，激光雷達(dá)的探測距離更遠(yuǎn)。從技術(shù)角度來說，激光雷達(dá)可以彌補攝像頭和毫米波雷達(dá)的不足，滿足后續(xù)高階自動駕駛的系統(tǒng)要求。

現(xiàn)在給大家展示的車型有可能是以后各位讀者接觸到的高階自動駕駛版車型，大家閱讀后可以了解到硬件傳感器配置方案和應(yīng)用場景，有助于各位對無人駕駛有一個初步的了解。

讓我們看一下，近兩年搭載激光雷達(dá)車型(以后你可能買到的車型）在技術(shù)和應(yīng)用場景兩方面有什么亮點吧。筆者將從市場表現(xiàn)以及技術(shù)兩方面分析本次新推出車型的無人駕駛感知系統(tǒng)傳感器性能表現(xiàn)。

各家主機(jī)廠的傳感器配置、應(yīng)用功能及場景如表1所示。