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自動(dòng)駕駛集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、運(yùn)動(dòng)控制、多級(jí)輔助駕駛等功能于一體，運(yùn)用現(xiàn)代傳感器技術(shù)，集中使用視覺(jué)計(jì)算、通用計(jì)算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算于一體進(jìn)行信息融合、同時(shí)輔以V2X通訊、人工智能來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵技術(shù)依次可以分為環(huán)境感知、行為決策、路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制四大部分。
環(huán)境感知是通過(guò)傳感器對(duì)周圍環(huán)境基本信息進(jìn)行采集，也是自動(dòng)駕駛的基礎(chǔ)。根據(jù)自動(dòng)駕駛路線的不同，實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)駕駛等級(jí)不同，部署的傳感器種類也會(huì)有差異。下面來(lái)梳理一下各傳感器的原理以及優(yōu)缺點(diǎn)。
攝像頭一般由鏡頭(Lens)，圖像傳感器(ImageSensor)，圖像信號(hào)處理器(ImageSignal Processor, ISP)，串行器發(fā)送(Serializer)組成。一般步驟是，鏡頭采集到物體的基本信息然后由Image Sensor進(jìn)行一定處理后再交于ISP處理之后串行化傳輸。傳輸方式同樣可分為在同軸電纜或雙絞線上基于LVDS傳輸或者直接通過(guò)以太網(wǎng)傳輸。
對(duì)于布置來(lái)說(shuō)，主要是視角對(duì)感知范圍的影響。在攝像頭感光元件大小確定的情況下，焦距越長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的視角越窄。但對(duì)應(yīng)的分辨率也能大大提高——即看的清，但看的東西少。
因此在實(shí)際使用時(shí)利用不同焦距的攝像頭，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同特定的功能，通常在L2級(jí)別以上基本會(huì)配置中程及長(zhǎng)程攝像頭。高檔車輛會(huì)采用3前視攝像頭的配置。來(lái)做到全視野的信息采集。
攝像頭在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的主要作用包括如下集中：
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障礙物探測(cè) ：測(cè)速和測(cè)距（車輛使用需雙目以上）；
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道路信息讀取：交通信號(hào)燈識(shí)別，交通標(biāo)志識(shí)別；
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其他交通參與者探測(cè)與識(shí)別 - 車輛探測(cè)、行人探測(cè)、動(dòng)物探測(cè)。
雷達(dá)本質(zhì)是電磁波，信號(hào)被其發(fā)射路徑上的物體阻擋繼而會(huì)發(fā)生反射。通過(guò)捕捉反射的信號(hào)，可以確定物體的距離、速度和角度。毫米波雷達(dá)可發(fā)射波長(zhǎng)為 1-10mm，頻率 30-300GHZ 的電磁波信號(hào)。波長(zhǎng)越短，發(fā)生衍射的尺寸也越低，意味著可檢測(cè)的物體尺寸越精細(xì)，具有高解析度。工作頻率為76–81GHz（對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)約為 4mm）的毫米波系統(tǒng)將能夠檢測(cè)小至零點(diǎn)幾毫米的移動(dòng)。
但是雷達(dá)頻段屬于政府嚴(yán)格管控資源，各國(guó)對(duì)車載毫米波雷達(dá)的應(yīng)用頻段主要集中在24G，60G，77G和79GHz。
在結(jié)構(gòu)方面，車載雷達(dá)一般采取FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）的工作方式。FMCW雷達(dá)收發(fā)同時(shí)，理論上不存在脈沖雷達(dá)所存在的測(cè)距盲區(qū)，且可直接測(cè)量多普勒頻移和靜態(tài)目標(biāo)概率。
FMCW雷達(dá)工作原理：FMCW雷達(dá)的發(fā)射頻率隨時(shí)間變化呈線性變化，這樣在發(fā)射信號(hào)里面可攜帶時(shí)間信息。高頻信號(hào)由壓控振蕩器產(chǎn)生，通過(guò)功率分配器將一部分經(jīng)過(guò)額外放大后饋送至發(fā)射天線，另一部分耦合至混頻器，與接收的回波混頻后低通濾波，得到基帶差頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送至信號(hào)處理器處理。這樣得到的信號(hào)既能得到時(shí)間信息，也可以得到多普勒效應(yīng)特征點(diǎn)。因此可同時(shí)測(cè)量速度和距離信息。
毫米波雷達(dá)的技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)如下：
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毫米波雷達(dá)無(wú)法提供高度信息，能感知物體的方位，但是不知道是否懸空的；
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雷達(dá)原理決定主要依靠多普勒效應(yīng)來(lái)檢測(cè)移動(dòng)目標(biāo)，靜止物體極易與地面回波等信息摻雜在一起導(dǎo)致誤判；
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雷達(dá)的空間分辨精度一般，數(shù)據(jù)較難用于物體類型識(shí)別
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人如果在橫向從道路旁邊穿過(guò)馬路，雷達(dá)無(wú)法分辨是人還是路邊矮灌木，且由于橫向速度感知能力弱，此時(shí)無(wú)法依靠前向雷達(dá)做側(cè)邊環(huán)境感知。
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雷達(dá)極易受金屬反射干擾，因此對(duì)路面上易拉罐等物體容易發(fā)生誤判；
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雷達(dá)容易受道路坡道反射的影響，給出錯(cuò)誤的障礙物數(shù)據(jù)。
超聲波雷達(dá)由超聲發(fā)射器/接收器，控制電路，電源等組成。超聲發(fā)射器一般是壓電轉(zhuǎn)換器件組成。如40kHz的超聲波雷達(dá)，需要在壓電陶瓷片上施加40kHz變化的電壓信號(hào)，陶瓷片會(huì)就根據(jù)所加高頻電壓極性伸長(zhǎng)與縮短，發(fā)送40kHz頻率的超聲波。接收器的原理與發(fā)射器一致。利用壓電陶瓷片的可逆特性將超聲回波轉(zhuǎn)換為同頻的電壓信號(hào)。因該高頻電壓幅值較小，需要對(duì)應(yīng)的放大電路進(jìn)行處理。
超聲波雷達(dá)的工作原理是通過(guò)超聲波發(fā)射裝置向外發(fā)出超聲波，到通過(guò)接收器接收到發(fā)送過(guò)來(lái)超聲波時(shí)的時(shí)間差來(lái)測(cè)算距離。常用探頭的工作頻率40kHz, 48kHz 和58kHz 三種。一般來(lái)說(shuō)，頻率越高，靈敏度越高，但水平與垂直方向的探測(cè)角度就越小，故在倒車?yán)走_(dá)上多采用40kHz 的探頭。超聲波雷達(dá)對(duì)少量的泥沙遮擋的影響較小。探測(cè)范圍在0.1-3 米之間，而且精度較高。
1)安裝在前后保險(xiǎn)杠上的UPA：探測(cè)距離15-250cm，主要用于測(cè)量汽車前后方的障礙物。
2)安裝在側(cè)邊的APA：探測(cè)距離30-500cm。探測(cè)距離比UPA遠(yuǎn)，需求發(fā)射功率更高，價(jià)格更貴。主要用于自動(dòng)泊車。
超聲波雷達(dá)的優(yōu)缺點(diǎn)如下：
優(yōu)點(diǎn)：
超聲波的能量消耗較緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離比較遠(yuǎn)，穿透性強(qiáng)，測(cè)距的方法簡(jiǎn)單，成本低。
劣點(diǎn)：
超聲波雷達(dá)在速度很高情況下測(cè)量距離有一定的局限性，這是因?yàn)槌暡ǖ膫鬏斔俣群苋菀资芴鞖馇闆r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，當(dāng)汽車高速行駛時(shí)，使用超聲波測(cè)距無(wú)法跟上汽車的車距實(shí)時(shí)變化，誤差較大。另一方面，超聲波散射角大，方向性較差，在測(cè)量較遠(yuǎn)距離的目標(biāo)時(shí)，其回波信號(hào)會(huì)比較弱，影響測(cè)量精度。但是，在短距離測(cè)量中，超聲波測(cè)距傳感器具有非常大的優(yōu)勢(shì)。
LiDAR關(guān)鍵部件按照信號(hào)處理的信號(hào)鏈包括控制硬件DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）、激光驅(qū)動(dòng)、激光發(fā)射發(fā)光二極管、發(fā)射光學(xué)鏡頭、接收光學(xué)鏡頭、APD（雪崩光學(xué)二極管）、TIA（可變跨導(dǎo)放大器）和探測(cè)器。其中除了發(fā)射和接收光學(xué)鏡頭外，都是電子部件。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速演進(jìn)，性能逐步提升的同時(shí)成本迅速降低。但是光學(xué)組件和旋轉(zhuǎn)機(jī)械則占據(jù)了激光雷達(dá)的大部分成本。
按驅(qū)動(dòng)形式分，可分為機(jī)械式，MEMS，相控陣，泛光面陣式（FLASH）。
激光通過(guò)測(cè)定傳感器發(fā)射器與目標(biāo)物體之間的傳播距離（Timeof Flight TOF），分析目標(biāo)物體表面的反射能量大小、反射波譜的幅度、頻率和相位等信息，從而呈現(xiàn)出目標(biāo)物精確的三維結(jié)構(gòu)信息。TOF激光雷達(dá)也類似有毫米波雷達(dá)的工作方式，分dTOF和iTOF。一般使用直接脈沖的方式進(jìn)行dTOF測(cè)量。目前主要使用波長(zhǎng)為905nm和1550nm的激光發(fā)射器，波長(zhǎng)為1550nm的光線不容易在人眼液體中傳輸。故1550nm可在保證安全的前提下大大提高發(fā)射功率。大功率能得到更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，長(zhǎng)波長(zhǎng)也能提高抗干擾能力。
激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)分為機(jī)械式、MEMES、相控陣OPA。其中機(jī)械式以Velodyne在2007年推出的64線雷達(dá)為例。它把64個(gè)激光器垂直堆疊在一起，以20rpm速度旋轉(zhuǎn)。簡(jiǎn)單理解就是通過(guò)旋轉(zhuǎn)將激光點(diǎn)變成線，通過(guò)64線堆疊將線轉(zhuǎn)化為面，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取3D環(huán)境信息。
機(jī)械式結(jié)構(gòu)需要復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，同時(shí)點(diǎn)云的測(cè)量又需要對(duì)安裝進(jìn)行精確定位。考慮環(huán)境和老化的影響，平均的失效時(shí)間僅1000-3000小時(shí)，難以達(dá)到車廠最低13000小時(shí)的要求。且由于LiDAR安裝在車頂，民用領(lǐng)域需考慮外界養(yǎng)護(hù)的問(wèn)題，如洗車的影響。因此機(jī)械式結(jié)構(gòu)極大的限制了成本和應(yīng)用推廣。
MEMS式利用微電子機(jī)械系統(tǒng)的技術(shù)驅(qū)動(dòng)旋鏡，反射激光束指向不同方向。固態(tài)激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)包括了：數(shù)據(jù)采集速度快，分辨率高，對(duì)于溫度和振動(dòng)的適應(yīng)性強(qiáng)；通過(guò)波束控制，探測(cè)點(diǎn)（點(diǎn)云）可以任意分布，例如在高速公路主要掃描前方遠(yuǎn)處，對(duì)于側(cè)面稀疏掃描但并不完全忽略，在十字路口加強(qiáng)側(cè)面掃描。而只能勻速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械式激光雷達(dá)是無(wú)法執(zhí)行這種精細(xì)操作的。
典型應(yīng)用有法雷奧SCALA激光雷達(dá)。目前應(yīng)用在奧迪A8(第一款L3級(jí)的自動(dòng)駕駛車輛)。安裝在前保險(xiǎn)杠位置，使用MEMS技術(shù)得到145°的掃描角度，80m的探測(cè)距離。
光相控陣技術(shù)的激光雷達(dá)的原理采用光可控相位技術(shù)使出射光線發(fā)射角發(fā)射變化。主要利用光的干涉原理。可以通過(guò)改變不同縫中入射光線的相位差即可改變光柵衍射后中央明紋（主瓣）的位置。其主要的優(yōu)缺點(diǎn)如下：
①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小：由于不需要旋轉(zhuǎn)部件，可以大大壓縮雷達(dá)的結(jié)構(gòu)和尺寸，提高使用壽命，并降低成本。
②標(biāo)定簡(jiǎn)單：機(jī)械式激光雷達(dá)由于光學(xué)結(jié)構(gòu)固定，適配不同車輛往往需要精密調(diào)節(jié)其位置和角度，固態(tài)激光雷達(dá)可以通過(guò)軟件進(jìn)行調(diào)節(jié)，大大降低了標(biāo)定的難度。
③掃描速度快：不用受制于機(jī)械旋轉(zhuǎn)的速度和精度，光學(xué)相控陣的掃描速度取決于所用材料的電子學(xué)特性，一般都可以達(dá)到MHz量級(jí)。
④掃描精度高：光學(xué)相控陣的掃描精度取決于控制電信號(hào)的精度，可以達(dá)到千分之一度量級(jí)以上。
⑤可控性好：光學(xué)相控陣的光束指向完全由電信號(hào)控制，在允許的角度范圍內(nèi)可以做到任意指向，可以在重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行高密度的掃描。
⑥多目標(biāo)監(jiān)控：一個(gè)相控陣面可以分割為多個(gè)小模塊，每個(gè)模塊分開(kāi)控制即可同時(shí)鎖定監(jiān)控多個(gè)目標(biāo)。
①掃描角度有限：調(diào)節(jié)相位最多只能讓中央明紋改變約±60°，實(shí)際做到360°采集的話一般需要6個(gè)。
②旁瓣問(wèn)題：光柵衍射除了中央明紋外還會(huì)形成其他明紋，這一問(wèn)題會(huì)讓激光在最大功率方向以外形成旁瓣，分散激光的能量。
③加工難度高：光學(xué)相控陣要求陣列單元尺寸必須不大于半個(gè)波長(zhǎng)，一般目前激光雷達(dá)的工作波長(zhǎng)均在1微米左右，故陣列單元的尺寸必須不大于500nm。而且陣列密度越高，能量也越集中，這都提高了對(duì)加工精度的要求，需要一定的技術(shù)突破。
④接收面大、信噪比差：傳統(tǒng)機(jī)械雷達(dá)只需要很小的接收窗口，但固態(tài)激光雷達(dá)卻需要一整個(gè)接收面，因此會(huì)引入較多的環(huán)境光噪聲，增加了掃描解析的難度。
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