一文詳解無人駕駛中的各種感知傳感器

駕駛哥

2021年9月14日 09:22

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來源 | CV研習(xí)社

導(dǎo)讀：本文介紹無人駕駛中幾種主流的環(huán)境感知傳感器，包括視覺攝像機、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)。通過分析對比每種傳感器的原理和優(yōu)缺點，進(jìn)一步理解不同場景下如何構(gòu)建感知方案。

1、感知傳感器

在無人駕駛中，傳感器負(fù)責(zé)感知車輛行駛過程中周圍的環(huán)境信息，包括周圍的車輛、行人、交通信號燈、交通標(biāo)志物、所處的場景等。為無人駕駛汽車的安全行駛提供及時、可靠的決策依據(jù)。目前常用的車載傳感器包括相機、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)等。根據(jù)各個傳感器的特性，在實際應(yīng)用中往往采用多種傳感器功能互補的方式進(jìn)行環(huán)境感知。

2、視覺攝像機

傳感器原理

攝像頭屬于被動觸發(fā)式傳感器，被攝物體反射光線，傳播到鏡頭，經(jīng)鏡頭聚焦到CCD/CMOS芯片上，CCD/CMOS根據(jù)光的強弱積聚相應(yīng)的電荷，經(jīng)周期性放電，產(chǎn)生表示一幅幅畫面的電信號，經(jīng)過預(yù)中放電路放大、AGC自動增益控制，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換由圖像處理芯片處理成數(shù)字信號。

其中感光元器件一般分為CCD和CMOS兩種：CCD的靈敏度高，噪聲低，成像質(zhì)量好，具有低功耗的特點，但是制作工藝復(fù)雜，成本高，應(yīng)用在工業(yè)相機中居多；CMOS價格便宜，性價比很高，應(yīng)用在消費電子中居多。為了滿足不同功能的視覺需求，有很多不同種類的攝像機。

傳感器分類

組合相機：這里指無人駕駛前視環(huán)境感知中常出現(xiàn)的單目/雙目/三目，由不同焦距組成光學(xué)陣列，用于探測不同范圍內(nèi)的目標(biāo)。

傳統(tǒng)的單目做前視感知一般FOV較小，景深會更遠(yuǎn)，能夠探測遠(yuǎn)距離障礙物，比如mobileye早期產(chǎn)品采用52°的鏡頭，當(dāng)然現(xiàn)在主推的是100°攝像頭能夠感知更廣的范圍。

雙目相機利用視差原理計算深度，通過兩幅圖像因為相機視角不同帶來的圖片差異構(gòu)成視差。雙目立體視覺在測距精度上要比單目做深度估計準(zhǔn)確很多。

三目相機采用三個不同焦距單目攝像機的組合，彌補了視野范圍和景深不可兼得的問題，由寬視野的攝像頭感知近距離范圍，中視野的攝像頭感知中距離范圍，窄視野的攝像頭感知遠(yuǎn)處目標(biāo)。在AutoPilot 2.0的方案中三個攝像頭分別為前視窄視野攝像頭（最遠(yuǎn)感知250米）、前視主視野攝像頭（最遠(yuǎn)感知150米）及前視寬視野攝像頭（最遠(yuǎn)感知60米）。

魚眼相機： 由十幾個不同的透鏡組合而成，在成像的過程中，入射光線經(jīng)過不同程度的折射，投影到尺寸有限的成像平面上，使得魚眼鏡頭擁有更大的視野范圍。魚眼相機的視場角一般能達(dá)到190°，廣闊的視野范圍也帶來嚴(yán)重的圖像畸變。通常應(yīng)用在自動駕駛泊車功能中，安裝在車輛前后保險杠處各一顆，左右后視鏡下方各一顆，四顆魚眼相機拼接成全景圖覆蓋車身周圍5米左右范圍做車位線檢測。

紅外相機： 利用普通CCD攝像機可以感受紅外光的光譜特性，配合紅外燈作為照明源達(dá)到夜視成像的效果，通常在芯片表面加濾光涂層或在鏡頭中加濾光片濾掉人眼不可見的光以恢復(fù)原來色彩，具有夜視效果。近紅外線的繞射能力雖然可以穿透煙霧、墨漬、滌綸絲綢之類的材料，但是并不能穿透所有絲織物，所以紅外相機是做不到對人體的透視功能的~~~。

除了上述幾種攝像機，其實還有事件攝像機，結(jié)構(gòu)光攝像機，全景攝像機等，在無人駕駛的感知中目前涉及較少。

傳感器特性

視覺攝像機能夠得到豐富的紋理，特征信息，相比毫米波、激光雷達(dá)，采用圖像數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)車道線檢測，交通標(biāo)識符檢測，freespace等功能。但是也有其不足之處，比如：

相機容易受到光照的影響：
在強光直射或者陰影背光的情況下成像質(zhì)量較差；
物體高速運動時容易產(chǎn)生運動模糊；

3、毫米波雷達(dá)

傳感器原理

毫米波雷達(dá)通過發(fā)射無線電波，然后接收反射回來的信號，通過電磁波返回的飛行時間計算目標(biāo)的相對距離；根據(jù)多普勒原理，當(dāng)發(fā)射的無線電波和被探測目標(biāo)有相對移動、回波的頻率會和發(fā)射波的頻率不同，通過檢測頻率差計算目標(biāo)的相對速度。

根據(jù)測距原理可以將毫米波雷達(dá)分成脈沖測距雷達(dá)和連續(xù)波測距雷達(dá)，由于調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)成本低廉、技術(shù)成熟并且信號處理復(fù)雜度低，所以FWCW調(diào)制方式的毫米波雷達(dá)成為主流。內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括收發(fā)天線、射頻前端、調(diào)制信號、信號處理模塊等。

傳感器分類

常用的車載毫米波雷達(dá)按照頻率分為24GHz、77GHz和79GHz，也有少數(shù)地區(qū)研究其他頻率的毫米波雷達(dá)，比如日本主要采用60GHz。頻率越低，繞射能力越強，所以信號損失越小。通常24GHz毫米波雷達(dá)用于近距離探測，77GHz的毫米波雷達(dá)用于遠(yuǎn)距離探測，79GHz的毫米波從帶寬、分辨率等方面均優(yōu)于前者，將成為未來的發(fā)展方向。

近距離雷達(dá)（SRR）： 如上圖所示，車輛四周的角雷達(dá)和安裝于車輛后方的雷達(dá)，常用24GHz的毫米波探測40米以內(nèi)的目標(biāo)。

遠(yuǎn)距離雷達(dá)（LRR）： 安裝于車輛前保險桿上的前雷達(dá)常用77GHz的毫米波探測200米以內(nèi)的目標(biāo)并和攝像頭的目標(biāo)輸出做后融合。

79GHz的毫米波雷達(dá)頻率更高，波長更短，分辨率更高，所以在遠(yuǎn)距離測距，測速上性能優(yōu)于77GHz，并且由于體積較小，是將來發(fā)展趨勢。

傳感器特性

毫米波雷達(dá)測量距離遠(yuǎn)，通常能達(dá)到200多米，并且受天氣影響較小，電磁波在雨雪、大霧、粉塵中具有良好的穿透性。但是也有其不足之處，比如：

對某些材質(zhì)回波弱比如行人、錐桶或塑料制品等識別率較差；
對金屬材質(zhì)特別敏感，導(dǎo)致虛警率很高；
采樣稀疏導(dǎo)致原始數(shù)據(jù)噪聲大，目標(biāo)抖動；
徑向目標(biāo)探測較準(zhǔn)，但是切向目標(biāo)敏感度差；
原始數(shù)據(jù)只有距離和角度信息，缺乏目標(biāo)高度信息；

4、超聲波雷達(dá)

傳感器原理

超聲波雷達(dá)通過聲音在空氣中傳輸?shù)臅r間來判斷障礙物的距離，在5米以內(nèi)的精度能達(dá)到厘米級范圍。其原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算其到障礙物的距離。主流的工作頻率有40KHz、48KHz、58KHz三種。

傳感器分類

針對泊車場景一般在車輛周圍安裝12顆超聲波雷達(dá)，車輛前后各安裝4顆短距離超聲波雷達(dá)，左右各安裝2顆長距離超聲波雷達(dá)。

短距離超聲波（UPA）測量范圍一般在3米以內(nèi)，如上圖所示，安裝在車輛的前后保險杠處用于倒車時探測近處障礙物，常用于倒車報警功能。

遠(yuǎn)距離超聲波（APA）測量范圍一般在5米以內(nèi)，安裝在車輛左右各兩顆，用于探測近處障礙物并判斷空車位，常用于泊車輔助功能。

傳感器特性

超聲波雷達(dá)受到雨水、粉塵、泥沙的干擾較小，在空氣中穿透性強、衰減小，短距離探測中精度較高，常用于泊車場景。但是也有其不足之處，比如：

聲波的傳輸容易受到天氣溫度的影響，高低溫情況下測距誤差較大；
聲速相比光速較慢，車速較快時超聲波測距無法跟上汽車車距的實時變化，誤差較大；
超聲波雷達(dá)的輸出是在視野范圍內(nèi)的距離值，但是無法準(zhǔn)確的給出目標(biāo)位置；

5、激光雷達(dá)

傳感器原理

激光雷達(dá)是主動測量傳感器，通過對外發(fā)射激光脈沖來進(jìn)行物體檢測和測距。根據(jù)測距方法的不同可以分為三角法測距、TOF法測距、相干法測距。市面上用的比較多的還是TOF測距的激光雷達(dá)。

基于TOF測距的激光雷達(dá)通過激光器以不同的角度發(fā)送多束激光，遇到障礙物后反射回來由接收器接收，最后激光雷達(dá)通過計算激光發(fā)射和接收的時間差，計算障礙物的相對距離，并根據(jù)接收到的強度信息分析障礙物的材質(zhì)。

傳感器分類

激光雷達(dá)從工作方式上可以分為

機械式激光雷達(dá)
混合固態(tài)激光雷達(dá)
固態(tài)激光雷達(dá)

機械式激光雷達(dá)通過底部旋轉(zhuǎn)馬達(dá)帶動激光束進(jìn)行360°掃描，每掃描一圈得到一幀激光點云數(shù)據(jù)，掃描一圈的時間稱為一個掃描周期。通過測量激光信號的時間差和相位差來確定距離，并根據(jù)每條掃描線的角度和掃描旋轉(zhuǎn)角度構(gòu)建極坐標(biāo)關(guān)系。

混合固態(tài)激光雷達(dá)將機械式的外部旋轉(zhuǎn)元器件做到了設(shè)備內(nèi)部，比如MEMS技術(shù)直接在硅基芯片上集成體積十分精巧的微型掃描鏡，并通過 MEMS 掃描鏡來反射激光器的光線，從而實現(xiàn)微米級的運動掃描。

固態(tài)激光雷達(dá)比如相陣控技術(shù)通過調(diào)節(jié)相位偏移來改變激光束的發(fā)射方向，從而實現(xiàn)整個平面的掃描。其原理是相控陣發(fā)射器由若干發(fā)射接收單元組成一個矩形陣列，通過改變陣列中不同單元發(fā)射光線的相位差，可以達(dá)到調(diào)節(jié)射出波角度和方向的目的。

性能指標(biāo)

波長： 大多數(shù)激光雷達(dá)采用905nm波長的光源，也有部分遠(yuǎn)距離探測雷達(dá)使用1550nm的波長。波長越長功率越大，通俗點說就是通過大力出奇跡的方式堆功率來探測的更遠(yuǎn)。針對多個激光雷達(dá)相同波段干擾問題，可以采用連續(xù)波調(diào)頻技術(shù)解決。

線數(shù)： 激光雷達(dá)可以分為單線、16線、32線、64線、128線等，線數(shù)越多單位時間內(nèi)采樣的點數(shù)就越多，分辨率越高。單線激光雷達(dá)常出現(xiàn)在機器人領(lǐng)域用于掃地機避障等功能；16線激光雷達(dá)在園區(qū)小車上曝光率較多，用于slam或者近距離障礙物檢測；32線和64線激光雷達(dá)由于點云更加稠密，采用深度學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)識別具有很好的周圍環(huán)境感知能力。

分辨率： 包括水平角分辨率和垂直角分辨率，機械式激光雷達(dá)水平角分辨率一般在0.08°，垂直角分辨率根據(jù)線數(shù)的不同有較大的變化，16線激光雷達(dá)的垂直角分辨率為2°，呈現(xiàn)出的一幀點云較為稀疏。

視場角： 包括水平視場角和垂直視場角，機械式激光雷達(dá)的水平視場角為360°，垂直視場角一般在20°~50°之間。固態(tài)激光雷達(dá)達(dá)不到全視野范圍，水平視場角通常小于100°，垂直視場角通常在20°~70°之間。

掃描頻率： 采樣頻率在5~20Hz之間，一般默認(rèn)10Hz，線數(shù)越多，每一幀的點數(shù)越多。比如16線激光雷達(dá)，按照10Hz采樣，每幀大約30000多個點。

傳感器特性

激光雷達(dá)對光照變化不敏感，不受夜晚場景的影響，可以全天候工作；測距精度相比其他傳感器都要高，具有一定的抗干擾能力；感知周圍信息量較為豐富；但是也有其不足之處，比如：

受雨雪、霧天、粉塵等氣候影響性能下降；
對某些低反射特性的材料測距精度不佳；
硬件價格昂貴

6、各傳感器對比

從探測距離角度，毫米波雷達(dá)（長距）和激光雷達(dá)（遠(yuǎn)距離）均能探測到200左右的物體；攝像機雖然能看到更遠(yuǎn)的物體，但是遠(yuǎn)距離測量精度不準(zhǔn)，單目估計在20米以外精度就開始下降，立體相機測量80米以外的物體精度也明顯下降；超聲波雷達(dá)用于近距離探測，探測距離通常在3米以內(nèi)。

從測速功能角度，只有毫米波雷達(dá)能夠通過多普勒頻移直接獲得物體速度；激光雷達(dá)，攝像機，超聲波三種傳感器均不能直接獲得物體速度。

從抗干擾角度，攝像機作為被動傳感器，依賴外部環(huán)境光，在夜間的探測能力較大；而毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)均是有源傳感器，不受白天/黑夜的影響，具有較好的魯棒性。在雨雪、大霧、粉塵等天氣狀況下，毫米波雷達(dá)具有良好的穿透性，所以性能不受顯著影響；而攝像機、激光雷達(dá)在探測性能上有不同程度的衰減。

一文詳解無人駕駛中的各種感知傳感器的圖9