扒扒自動(dòng)駕駛汽車(chē)上的傳感器

傳統的汽車(chē)，由于是人為控制，對外界環(huán)境的感知、認知以及對汽車(chē)的控制都是由駕駛員來(lái)完成?；蛘咝┥晕⒌钠?chē)，配有輔助駕駛，可由駕駛員和輔助駕駛系統配合著(zhù)完成這些“任務(wù)”。但對于自動(dòng)駕駛和無(wú)人駕駛汽車(chē)，因為是車(chē)輛本身占據了汽車(chē)部分甚至是部的控制權，此時(shí)便要依靠安裝在汽車(chē)上各種各樣的傳感器協(xié)同工作，保證行車(chē)安。

目前來(lái)看，企業(yè)應用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)的傳感器主要有以下幾種：圖像傳感器、激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達以及生物傳感器。它們依據各自不同的產(chǎn)品屬性，在自動(dòng)駕駛汽車(chē)行駛過(guò)程中各主不同的功能，以保證自動(dòng)駕駛汽車(chē)的正常運行。本文蓋世汽車(chē)帶大家認識目前自動(dòng)駕駛汽車(chē)上幾種主要的傳感器。

圖像傳感器

圖像傳感器又叫感光元件，是種可以將光學(xué)圖像轉換成電子信號的設備，在自動(dòng)駕駛汽車(chē)上屬于基礎部件類(lèi)，獲取圖像時(shí)，前期需與數字攝像頭結合使用，后期則需要圖像數據處理系統的支持，方能為汽車(chē)提供直觀(guān)、真實(shí)的可視圖像信息。其具體工作原理為：

物體在外界照明光的照射下，經(jīng)成像物鏡成像，形成二維光強分布的光學(xué)圖像，再通過(guò)圖像傳感器轉換成電子信號。之后，這些電子信號經(jīng)圖像數據處理系統的放大和同步控制處理，發(fā)送給圖像顯示器，便可以看到物體的二維光學(xué)圖像，從而為自動(dòng)駕駛汽車(chē)提供準確的駕駛環(huán)境信息。

攝像頭中的圖像傳感器

圖像傳感器的工作原理

在汽車(chē)域，圖像傳感器主要應用在汽車(chē)視覺(jué)系統中，如倒車(chē)影像、前視、俯視、景泊車(chē)影像、車(chē)鏡取代、行車(chē)記錄儀、正向碰撞警告、車(chē)道偏離警告、交通信號識別、行人檢測、自適應巡航控制、盲點(diǎn)檢測及夜視等，以保證視覺(jué)系統在各種天氣、路況條件下，能夠清晰識別車(chē)道線(xiàn)、車(chē)輛、障礙物、交通標志等。

根據元件的不同，圖像傳感器可分為CCD、CMOS和CIS三種。早期，作為固態(tài)圖像傳感器，CCD由于有體積小、分辨率高、靈敏度高、圖像質(zhì)量高等優(yōu)勢，直統著(zhù)圖像傳感器市場(chǎng)。不過(guò)，CCD高畫(huà)質(zhì)背后也帶來(lái)了些問(wèn)題，譬如成本高，由此出現了成本更低、功耗更低的CMOS傳感器。

與CCD相比，CMOS具有讀取信息方式簡(jiǎn)單、輸出信息速率快、耗電省、集成度高、價(jià)格低等點(diǎn)，在推出后很快受到了多家知名廠(chǎng)商的青睞。并隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，CMOS不斷縮小與CCD的差距，現逐漸發(fā)展成市場(chǎng)的核心。

而另種圖像傳感器CIS，則多用在掃描儀中，其景深、分辨率以及色彩表現目前都趕不上CCD感光器件。

激光雷達

激光雷達是目前自動(dòng)駕駛汽車(chē)上應用廣泛的傳感器之，主要通過(guò)向目標物體發(fā)射激光束和接收從目標對象上反射回來(lái)的激光束來(lái)測算目標的位置、速度等征量，感知車(chē)輛周?chē)h(huán)境，并形成精度高達厘米的3D環(huán)境地圖，為下步的車(chē)輛操控建立決策依據。

與其他汽車(chē)傳感器相比，激光雷達的優(yōu)勢在于其探測范圍更廣，探測精度更高。但是，激光雷達的缺點(diǎn)也很明顯：在雨雪霧等天氣下性能較差，采集的數據量過(guò)大，十分昂貴。別是激光雷達線(xiàn)束多少直接與測量精度有關(guān),線(xiàn)束越多,測量越，但同時(shí)價(jià)格也越昂貴。

傳統機械式激光雷達

以Velodyne的產(chǎn)品為例，其64線(xiàn)束的激光雷達價(jià)格大約是16線(xiàn)束的10倍，而百度的無(wú)人駕駛汽車(chē)曾使用的臺64位激光雷達，價(jià)值70萬(wàn)余人民幣，非常昂貴，不僅般的企業(yè)難以承受，搭載了這種激光雷達的自動(dòng)駕駛汽車(chē)，也非般人能消費得起的。因此，現在激光雷達域的企業(yè)都在努力開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品、新技術(shù)，力爭使激光雷達朝著(zhù)小型化、低成本化方向發(fā)展。其中，已經(jīng)在試行的方法是固態(tài)激光雷達。

Quanergy  S3固態(tài)激光雷達傳感器

所謂固態(tài)激光雷達即去除了機械式激光雷達里面的機械旋轉部件，采用電子方案來(lái)達到范圍探測，而傳統的激光雷達則是通過(guò)機械旋轉達到范圍探測，因此體積通常較大。

此外還有種方法是混合固態(tài)激光雷達，介于固態(tài)激光雷達和機械式激光雷達兩者之間。從外觀(guān)上，混合固態(tài)激光雷達幾乎看不到傳統激光雷達的旋轉部件，但其實(shí)內部仍存在些機械旋轉部件，只是這套機械旋轉部件做的非常小巧，并且藏在機身內部。

技術(shù)上來(lái)講，目前傳統激光雷達技術(shù)已經(jīng)很成熟，而固態(tài)激光雷達和混合固態(tài)激光雷達尚處于起步階段，因此各企業(yè)當前在自動(dòng)駕駛汽車(chē)使用的激光雷達，多以機械式激光雷達為主。而從整個(gè)激光雷達行業(yè)來(lái)看，高精度車(chē)載激光雷達產(chǎn)品生產(chǎn)商主要集中在外，如美的Velodyne、Quanegy，德的IBEO，內近幾年也開(kāi)始出現些注于車(chē)載激光雷達的企業(yè)，以及些從其他域轉行而來(lái)的激光雷達企業(yè)，因看中自動(dòng)駕駛汽車(chē)廣闊發(fā)展前景，紛紛投身車(chē)載激光雷達產(chǎn)品的研發(fā)，目前來(lái)看成果顯著(zhù)。

毫米波雷達

同激光雷達樣，毫米波雷達也是現在應用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)ADAS系統的種主流傳感器。其波長(cháng)介于厘米波和光波之間，波長(cháng)短、頻帶寬，具有穿透霧、煙、灰塵的能力強，可天候工作，體積小巧緊湊，識別精度高等優(yōu)點(diǎn)，能幫助自動(dòng)駕駛汽車(chē)準確地“看”到與附近車(chē)輛之間的距離，從而為司機提供變道輔助、自主控制車(chē)速、碰撞預警等幫助，提高駕駛舒適度，降低事故發(fā)生率。且價(jià)格方面，毫米波雷達單價(jià)遠低于激光雷達，是種相對容易得到的傳感器技術(shù)。

目前斯拉的主力車(chē)型上搭載的都是毫米波雷達

按照目前的主流分類(lèi)，汽車(chē)毫米波雷達頻率主要包括77GHz和24GHz兩種，其中前者波長(cháng)更短，探測距離更遠，因此多用于前方車(chē)輛檢測；而后者則通常用在車(chē)輛周?chē)臋z測，如盲點(diǎn)檢測。此外，也有些其他頻段的毫米波雷達，如日本的60GHz以及臺灣使用的79GHz。

從整個(gè)毫米波雷達行業(yè)發(fā)展來(lái)看，無(wú)論系統還是器件，核心技術(shù)目前仍掌握在外企業(yè)手中，如系統域的博世、大陸、德?tīng)柛５?，器件方面的飛思卡爾、英飛凌、意法半導體等。不過(guò)，近幾年內也涌現出了些毫米波雷達相關(guān)公司，加速了行業(yè)的發(fā)展。有家認為，相對于攝像頭方面的激烈競爭，毫米波雷達更有創(chuàng )新性，潛在的市場(chǎng)空間更大，機會(huì )更多。別是77GHz，未來(lái)有望成為毫米波雷達主流，而在內，加快開(kāi)發(fā)產(chǎn)的77GHZ毫米波雷達芯片并盡快車(chē)載應用，將是我汽車(chē)毫米波雷達產(chǎn)業(yè)的機遇。

超聲波雷達

在上圖斯拉的Autopilot系統中，除使用到了毫米波雷達，其實(shí)還用到了超聲波雷達。據了解，在斯拉裝備的自動(dòng)駕駛輔助套件中，同時(shí)用到了攝像頭、超聲波雷達和毫米波雷達三種傳感器。其中，超聲波主要用于泊車(chē)測距、輔助剎車(chē)等，量程較短。

采用超聲波雷達測距時(shí)，超聲波發(fā)射器先向外面某個(gè)方向發(fā)射出超聲波信號，在發(fā)射超聲波時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始進(jìn)行計時(shí)，超聲波通過(guò)空氣進(jìn)行傳播，傳播途中遇到障礙物就會(huì )立即反射回來(lái)，超聲波接收器在收到反射波的時(shí)刻立即停止計時(shí)。計時(shí)器通過(guò)記錄時(shí)間，就可以測算出從發(fā)射點(diǎn)到障礙物之間的距離。

超聲波雷達在汽車(chē)上的應用

在倒車(chē)輔助過(guò)程中，超聲波傳感器通常需同控制器和顯示器結合使用，從而以聲音或者更為直觀(guān)的顯示告知駕駛員周?chē)系K物的情況，解除駕駛員泊車(chē)、倒車(chē)和起動(dòng)車(chē)輛時(shí)前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除視野死角和視線(xiàn)模糊的缺陷，提高駕駛安性。

使用果上，超聲波雷達穿透性強，測距的方法簡(jiǎn)單，成本低。不過(guò)，由于超聲波是種機械波，其使用果會(huì )受傳播介質(zhì)的影響，例如受天氣情況的影響，在不同的天氣情況下，超聲波的傳輸速度不同，而且傳播速度較慢。另外，當汽車(chē)高速行駛時(shí)，使用超聲波測距無(wú)法跟上汽車(chē)的車(chē)距實(shí)時(shí)變化，誤差較大，影響測量精度。

生物傳感器

汽車(chē)科技的快速發(fā)展，讓汽車(chē)技術(shù)迭代加速，些新的技術(shù)、產(chǎn)品也由此而生，如生物識別。所謂生物識別技術(shù)是指通過(guò)人類(lèi)生物征進(jìn)行身份認證的種技術(shù)，這些生物征通常包括指紋識別、虹膜識別、視網(wǎng)膜識別、面部識別、DNA識別等具有性的、可以測量或自動(dòng)識別驗證、遺傳性或終身不變的點(diǎn)。其中，指紋識別和面部識別目前已應用在自動(dòng)駕駛汽車(chē)上，生物傳感器也由此得來(lái)。

生物傳感器是種對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉換為電信號進(jìn)行檢測的儀器，由于其感應對象是人體征，而人體征具有不可復制的性，可以說(shuō)比其他很多方法能更好地保證行車(chē)安，同時(shí)還可解放駕駛者雙手、增加駕駛樂(lè )趣。

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2017 CES上，大陸集團就推出了這么項車(chē)載生物征識別技術(shù)。據了解，通過(guò)該面部識別技術(shù)乘員可對座椅位置、后視鏡角度、音樂(lè )播放、溫度調節以及導航等多種車(chē)載功能進(jìn)行個(gè)性化設置。且只有在駕駛員通過(guò)指紋傳感器完成身份驗證后，駕駛員才能啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機，大大提升了車(chē)輛安性。而除了大陸，博世、FCA集團的克萊斯勒也都有類(lèi)似的技術(shù)。

合能小結：以上幾種傳感器都是目前自動(dòng)駕駛系統研發(fā)過(guò)程中，應用比較廣泛的傳感器。從功能上來(lái)看，它們各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，能分別從不同的方面保證自動(dòng)駕駛汽車(chē)行車(chē)安。不過(guò)，其中部分技術(shù)目前在內尚不是很成熟，產(chǎn)品需要依賴(lài)進(jìn)口，這就要求內相關(guān)企業(yè)加速產(chǎn)品、技術(shù)研發(fā)，提升自身產(chǎn)品競爭力的同時(shí)，還可以推動(dòng)內自動(dòng)駕駛汽車(chē)技術(shù)的快速發(fā)展。