1.3 環(huán)境感知的傳感器

1．環(huán)境感知傳感器的類型

智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知傳感器的類型主要有視覺傳感器和雷達(dá)傳感器。其中，雷達(dá)傳感器又包括超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)。毫米波雷達(dá)分為遠(yuǎn)程毫米波雷達(dá)、中程毫米波雷達(dá)和短程毫米波雷達(dá)，它們安裝在汽車的不同位置，能夠?qū)囕v周圍360°全覆蓋檢測(cè)。環(huán)境感知傳感器的覆蓋范圍如圖1-7所示。

視覺傳感器一般進(jìn)行短程目標(biāo)探測(cè)，多用于特征感知和交通檢測(cè)；超聲波雷達(dá)主要對(duì)近距離目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，適用于泊車；遠(yuǎn)程毫米波雷達(dá)的信號(hào)能夠透過雨、霧、灰塵等視線障礙物對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，適用于前向避險(xiǎn)；中程毫米波雷達(dá)和短程毫米波雷達(dá)主要對(duì)中、短程目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，適用于側(cè)向和后向避險(xiǎn)；激光雷達(dá)多用于三維環(huán)境建立和目標(biāo)檢測(cè)。

2．環(huán)境感知傳感器的特點(diǎn)

環(huán)境感知傳感器分為無源傳感器和有源傳感器。其中，視覺傳感器屬于無源傳感器，雷達(dá)屬于有源傳感器。

無源傳感器能夠探測(cè)環(huán)境中物體反射的現(xiàn)有能量，如光、輻射等。但在弱光環(huán)境下，由于沒有自己的傳播源，因此無源傳感器的性能將有所下降。在產(chǎn)生的數(shù)據(jù)方面，對(duì)比有源傳感器，無源傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量更多。

視覺傳感器具有以下主要特點(diǎn)。

（1）涵蓋整個(gè)視野寬度的高分辨率的像素和顏色。

（2）在視野中保持恒定的幀頻。

（3）兩個(gè)攝像頭可以生成一個(gè)3D立體視圖。

（4）沒有發(fā)射源，減少了來自其他車輛的干擾的可能性。

（5）技術(shù)成熟，成本低。

（6）系統(tǒng)生成的圖像便于用戶理解和交互。

如果在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上使用無源攝像頭傳感器套件，需要覆蓋汽車周邊的各個(gè)環(huán)境，可以通過使用在特定時(shí)間間隔拍攝圖像的旋轉(zhuǎn)攝像頭來實(shí)現(xiàn)，或者通過軟件將4～6個(gè)攝像頭的圖像拼接在一起。此外，這些傳感器需要一個(gè)超過100 d B的高動(dòng)態(tài)范圍（場(chǎng)景中高光和陰影的成像能力），使它們能夠在各種光照條件下工作，并區(qū)分不同的對(duì)象。

有源傳感器具有信號(hào)傳輸源，依靠飛行時(shí)間原理感知環(huán)境，飛行時(shí)間能夠通過等待信號(hào)的反射返回來，測(cè)量信號(hào)從傳輸源到目標(biāo)的傳播時(shí)間，信號(hào)的頻率決定了系統(tǒng)所使用的能量及其準(zhǔn)確性。因此，確定正確的波長(zhǎng)在選擇系統(tǒng)時(shí)起著關(guān)鍵的作用。

有源傳感器的類型主要有超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)。

超聲波雷達(dá)也稱超聲波傳感器，利用聲音導(dǎo)航測(cè)距。在有源傳感器中，聲波的頻率最低（波長(zhǎng)最長(zhǎng)），因此聲波更容易被干擾，這也意味著超聲波雷達(dá)很容易受到不利環(huán)境條件的影響，如下雨和灰塵。另外，其他聲波產(chǎn)生的干擾也會(huì)影響傳感器的性能，需要通過使用多個(gè)傳感器和依賴額外的傳感器類型來緩解干擾。

毫米波雷達(dá)主要通過無線電波進(jìn)行測(cè)距。無線電波以光速傳播，在電磁波譜中頻率最低，波長(zhǎng)最長(zhǎng)，基于無線電波的反射特性，毫米波雷達(dá)可以探測(cè)到前方物體之外的東西。不過，毫米波雷達(dá)信號(hào)容易被具有相當(dāng)導(dǎo)電性的材料（如金屬物體）反射，并且其他無線電波的干擾也會(huì)影響毫米波雷達(dá)的性能，造成毫米波雷達(dá)無法對(duì)物體進(jìn)行探測(cè)。在確定被探測(cè)目標(biāo)的形狀方面，毫米波雷達(dá)的能力不如激光雷達(dá)。

激光雷達(dá)以脈沖激光的形式使用光。激光雷達(dá)能夠以每秒50 000～200 000個(gè)脈沖的速度覆蓋一個(gè)區(qū)域，并將返回的信號(hào)編譯成一個(gè)3D點(diǎn)云，通過比較連續(xù)感知的點(diǎn)云、物體的差異檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)，由此創(chuàng)建一定范圍內(nèi)的3D地圖。

3．環(huán)境感知傳感器的要求

智能網(wǎng)聯(lián)汽車需要從技術(shù)上對(duì)環(huán)境感知傳感器進(jìn)行判斷和選擇，篩選主要有以下條件。

（1）掃描范圍，決定了傳感器對(duì)被感知的目標(biāo)做出反應(yīng)的時(shí)間。

（2）分辨率，傳感器可以為智能網(wǎng)聯(lián)汽車提供的環(huán)境細(xì)節(jié)。

（3）視場(chǎng)角分辨率，決定智能網(wǎng)聯(lián)汽車需要多少傳感器來覆蓋感知的區(qū)域。

（4）感知目標(biāo)數(shù)量，能夠區(qū)分3D環(huán)境中的靜態(tài)目標(biāo)和動(dòng)態(tài)目標(biāo)的數(shù)量，并且確定需要跟蹤的目標(biāo)數(shù)量。

（5）刷新率，決定傳感器信息更新的頻率。

（6）可靠性和準(zhǔn)確性，傳感器在不同環(huán)境條件下的總體可靠性和準(zhǔn)確性。

（7）成本、尺寸和軟件兼容性，這是環(huán)境感知傳感器量產(chǎn)的技術(shù)條件之一。

（8）生成的數(shù)據(jù)量，它決定了車載計(jì)算單元的計(jì)算量，現(xiàn)在傳感器偏向智能傳感器，不僅是感知，還會(huì)分辨信息，把對(duì)車輛行駛影像最重要的數(shù)據(jù)傳輸給車載計(jì)算單元，從而減少其計(jì)算負(fù)荷。