/ 導(dǎo)讀 /

首先，介紹傳感器布置策略在高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)中的重要性，提出高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)傳感器種類，包含前視智能攝像頭、前向和側(cè)向毫米波雷達(dá)(77 GHz/22 GHz)、超聲波雷達(dá)以及環(huán)視攝像頭，簡(jiǎn)要闡述各傳感器性能特點(diǎn)。然后，以目前某量產(chǎn)供應(yīng)商方案為例，詳細(xì)介紹不同傳感器性能參數(shù)，包括探測(cè)距離、探測(cè)范圍和對(duì)外部布置環(huán)境的要求。介紹不同傳感器獨(dú)自搭載車輛上可實(shí)現(xiàn)的功能和對(duì)不同駕駛輔助級(jí)別、不同功能組合下的不同傳感器的融合策略。最后，介紹如何將不同傳感器合理安裝到車輛上，根據(jù)需要達(dá)到的性能要求和探測(cè)范圍冗余性，提出具體實(shí)施方案，并對(duì)其布置要求進(jìn)行細(xì)化解析說明。

縮略語(yǔ)

1.引言

隨著科技的進(jìn)步、自動(dòng)駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，目前越來(lái)越多汽車配備了高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)或輔助駕駛系統(tǒng)，自動(dòng)駕駛汽車在SAE J3016TM自動(dòng)駕駛等級(jí)中被歸類為五級(jí)自動(dòng)駕駛。自動(dòng)駕駛運(yùn)用了多種傳感器(超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、智能攝像頭、高清/標(biāo)清攝像頭、激光雷達(dá)等)，王田等對(duì)自動(dòng)駕駛感知系統(tǒng)中的攝像頭、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等主要傳感器進(jìn)行了功能介紹。袁秀珍圍繞自動(dòng)駕駛汽車傳感器技術(shù)產(chǎn)業(yè)開展分析，闡述了重要組成的硬件應(yīng)用，如激光雷達(dá)、攝像頭、超聲波傳感等。在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的開發(fā)價(jià)值鏈中，傳感器的零件開發(fā)主要集中在國(guó)內(nèi)外汽車零部件供應(yīng)商，而整車功能集成則在由主機(jī)廠完成。張燕詠等提出一種基于多模態(tài)融合的自動(dòng)駕駛感知融合算法，很多工程師往往將開發(fā)精力集中在算法開發(fā)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但是經(jīng)常出現(xiàn)的情況是，成功運(yùn)用的傳感器硬件和軟件策略，在部分主機(jī)廠車型上效果很好，但是在另外部分主機(jī)廠的運(yùn)用上效果一般，甚至達(dá)到反面效果。這是因?yàn)樵谧詣?dòng)駕駛研發(fā)中，每一個(gè)環(huán)節(jié)的考慮必不可少。作為閉環(huán)開發(fā)，好的算法是基于傳感器前端感知的精準(zhǔn)探測(cè)，各類不同的硬件傳感器，對(duì)于傳感器探測(cè)性能提出了不同程度的要求，而對(duì)于探測(cè)性能影響尤為重要的一點(diǎn)就是傳感器的布置位置和布置方式。本文依據(jù)自動(dòng)駕駛中運(yùn)用較多的傳感器的探測(cè)性能特點(diǎn)，對(duì)布置方式做一個(gè)簡(jiǎn)單介紹。

2.高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)傳感器介紹

高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(Advanced Driving Assistance System,ADAS)是利用傳感器，在汽車行駛過程中實(shí)時(shí)感應(yīng)周圍的環(huán)境，收集數(shù)據(jù)，感知融合并對(duì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行決策分析，最后對(duì)車輛進(jìn)行控制和對(duì)駕駛員進(jìn)行預(yù)警。

攝像頭能獲取包括物體顏色、外形、材質(zhì)等豐富的環(huán)境信息，并且2D計(jì)算機(jī)視覺已取得很多進(jìn)展,該領(lǐng)域有許多先進(jìn)的算法用于信號(hào)燈檢測(cè)、物體分類等。毫米波雷達(dá)能夠獲取精準(zhǔn)的距離信息,穿透能力強(qiáng),能夠抵抗天氣和環(huán)境變化的影響,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離感知探測(cè)。

目前量產(chǎn)的自動(dòng)駕駛汽車上的傳感器種類有4種，數(shù)量為22個(gè)(表1)。

前視智能攝像頭：常用有單、雙和三目，主要應(yīng)用于中遠(yuǎn)距離場(chǎng)景，能識(shí)別清晰的車道線、交通標(biāo)識(shí)、障礙物和行人，但對(duì)光照、天氣等條件很敏感，而且需要復(fù)雜的算法支持，對(duì)處理器的要求也比較高。

表1 高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)傳感器分類

毫米波雷達(dá)：主要有用于中短測(cè)距的24 GHz雷達(dá)和長(zhǎng)測(cè)距的77 GHz雷達(dá)2種。毫米波雷達(dá)可有效提取景深及速度信息，識(shí)別障礙物，有一定的穿透霧、煙和灰塵的能力，但在環(huán)境障礙物復(fù)雜的情況下，由于毫米波依靠聲波定位，聲波出現(xiàn)漫反射，導(dǎo)致漏檢率和誤差率比較高。

超聲波雷達(dá)：主要應(yīng)用于短距離場(chǎng)景下，發(fā)送超聲波與接收反射超聲波信號(hào)，并把探測(cè)結(jié)果發(fā)送給控制器。超聲波的能量消耗較緩慢，穿透性強(qiáng)，測(cè)距的方法簡(jiǎn)單，成本低。但是它在速度很高情況下測(cè)量距離有一定的局限性，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。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)比較的弱，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)。

環(huán)視攝像頭：主要應(yīng)用于短距離場(chǎng)景，可識(shí)別障礙物，但對(duì)光照、天氣等外在條件很敏感，技術(shù)成熟，價(jià)格低廉。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，攝像頭的像素也在逐步提升，從最開始的30萬(wàn)像素，提升到目前的100萬(wàn)像素，未來(lái)3年內(nèi)200萬(wàn)像素的攝像頭將會(huì)普及。

3.傳感器實(shí)現(xiàn)功能配置組合

高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)的不同傳感器之間的組合，可以實(shí)現(xiàn)不同的功能，上述介紹的22個(gè)傳感器全部搭載到整車，可實(shí)現(xiàn)ADASL1/L2/L3，下面介紹詳細(xì)的子功能。

3.1 前向智能攝像頭和前向毫米波雷達(dá)

前向智能攝像頭實(shí)現(xiàn)AEB-C(自動(dòng)緊急制動(dòng)-車)、LDW(車道偏離預(yù)警)、LKA(車道保持輔助)、TSR(交通標(biāo)志識(shí)別)，實(shí)現(xiàn)L1級(jí)駕駛輔助。道路實(shí)際情況探測(cè)精準(zhǔn)(如車道線、隧道、匝道、限速等)，但是距離探測(cè)不精準(zhǔn)。其代表性能參數(shù)見表2。

表2 Mobileye EYEQ3部分性能參數(shù)

前向毫米波雷達(dá)(77 GHz)實(shí)現(xiàn)ACC(自適應(yīng)巡航)、AEB-C(自動(dòng)緊急制動(dòng)-車)、FCW(前向碰撞預(yù)警)，實(shí)現(xiàn)L1級(jí)駕駛輔助。距離探測(cè)精準(zhǔn)，但是無(wú)法預(yù)測(cè)實(shí)際情況(如車道線、隧道、匝道、限速等)。其代表性能參數(shù)見表3。

表3 AC1000部分性能參數(shù)

前向智能攝像頭和前向毫米波雷達(dá)融合，實(shí)現(xiàn)ACC、AEB-C/P自動(dòng)緊急制動(dòng)-車/人)、LDW、LKA、TSR、TJA(交通擁堵輔助)、ICA(智能巡航輔助)，能實(shí)現(xiàn)L2級(jí)駕駛輔助(圖1)。距離和道路信息均是融合后的數(shù)據(jù)，探測(cè)精準(zhǔn)。單雷達(dá)、單攝像頭以及融合方案的對(duì)比見表4。

表4 單雷達(dá)、單攝像頭以及融合方案的對(duì)比

圖1 前向智能攝像頭和前向毫米波雷達(dá)融合

3.2 側(cè)向毫米波雷達(dá)(角雷達(dá))

側(cè)向毫米波雷達(dá)(24 GHz)實(shí)現(xiàn)盲區(qū)監(jiān)測(cè)功能，有2種實(shí)現(xiàn)方式。后側(cè)方面2個(gè)毫米波雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)BSD(盲區(qū)監(jiān)測(cè))、LCW(變道碰撞預(yù)警)、RCTA(后方交通穿行預(yù)警)和DOW(開門預(yù)警)功能;后側(cè)2個(gè)毫米波雷達(dá)+前側(cè)2個(gè)毫米波雷達(dá)，除了實(shí)現(xiàn)以上功能外，還能實(shí)現(xiàn)FCTA(前方交叉路口預(yù)警)，支持L2級(jí)以上的高級(jí)駕駛輔助功能。隨著科技進(jìn)步，側(cè)向毫米波雷達(dá)性能也在逐步提升，見表5。

表5 側(cè)向毫米波雷達(dá)部分參數(shù)和發(fā)展

側(cè)向毫米波雷達(dá)(4個(gè))、前向毫米波雷達(dá)(1個(gè))、前向智能攝像頭(1個(gè))組合使用，可實(shí)現(xiàn)L2+(或L3-)級(jí)自動(dòng)駕駛。在L2級(jí)自動(dòng)駕駛上，增加TJA/HWAML(高速公路駕駛輔助—多車道)、ALC(主動(dòng)變道輔助)、TLC(觸發(fā)式變道輔助)、ELK(緊急車道保持)、ESA(緊急轉(zhuǎn)向輔助)、JA(十字路口輔助)、全方位預(yù)警(含BSD/DOW/RCTA/FCTA/LCW)(圖2)。可高速公路工況下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛功能。

圖2 前向攝像頭、前向毫米波雷達(dá)、角雷達(dá)融合

3.3 超聲波雷達(dá)

根據(jù)超聲波雷達(dá)短距離探測(cè)目標(biāo)物的特點(diǎn)(表6)，超聲波雷達(dá)根據(jù)不同數(shù)量組合，可實(shí)現(xiàn)PDC(倒車?yán)走_(dá))、APA(自動(dòng)泊車輔助)和BSD(盲區(qū)監(jiān)測(cè))功能。后保險(xiǎn)杠上安裝4個(gè)超聲波雷達(dá)，可實(shí)現(xiàn)PDC功能，有些車輛在前保險(xiǎn)杠上同時(shí)安裝4個(gè)超聲波雷達(dá)(前后共8個(gè)超聲波雷達(dá))，倒車時(shí)探測(cè)前方障礙物。在前后保險(xiǎn)杠側(cè)面安裝4個(gè)超聲波雷達(dá)，可實(shí)現(xiàn)近距離盲區(qū)監(jiān)測(cè)功能，同時(shí)結(jié)合前后8個(gè)超聲波雷達(dá)，共12個(gè)超聲波雷達(dá)，能實(shí)現(xiàn)APA功能。如果車輛側(cè)面安裝有毫米波角雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)BSD功能，則側(cè)面的超聲波雷達(dá)就不用安裝。BSD安裝超聲波雷達(dá)的主要要因是其成本優(yōu)勢(shì)。超聲波雷達(dá)不同組合及功能見圖3。

表6 超聲波雷達(dá)部分參數(shù)及特點(diǎn)

圖3 超聲波雷達(dá)方案布局

3.4 環(huán)視攝像頭

AVM(全景式監(jiān)控影像系統(tǒng))通過前后左右4個(gè)圖像傳感器(環(huán)視攝像頭)采集車輛周邊環(huán)境數(shù)據(jù)，將影像通過CVBS(標(biāo)清)/LVDS(高清)傳遞給全景影像控制器。如果僅在后方裝1個(gè)攝像頭，可實(shí)現(xiàn)倒車影像功能。如果同時(shí)在前后左右安裝4個(gè)攝像頭，通過對(duì)4個(gè)攝像頭輸入圖像進(jìn)行畸變校正及裁剪，實(shí)現(xiàn)4個(gè)視圖及2D俯視圖效果集成，3D旋轉(zhuǎn)效果(高清方案)集成，最終通過MP5進(jìn)行顯示。環(huán)視攝像頭部分重要參數(shù)見表7，其布置在整車示意見圖4。

4.傳感器整車布置融合

高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)的不同傳感器之間的組合布置，需要考慮到覆蓋范圍和冗余性。不同傳感器的感知范圍均有各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性，現(xiàn)在發(fā)展的趨勢(shì)是通過傳感器信息融合技術(shù)，彌補(bǔ)單個(gè)傳感器的缺陷，提高整個(gè)智能駕駛系統(tǒng)的安全性和可靠性。覆蓋范圍：車體360°均需覆蓋，根據(jù)重要性，前方的探測(cè)距離要長(zhǎng)(120 m)，后方的探測(cè)距離稍短(80 m)，左右側(cè)的探測(cè)距離最短(20 m)。為了保證安全性，每塊區(qū)域需要2個(gè)或2個(gè)以上的傳感器覆蓋，以便相互校驗(yàn)，如圖5所示為布置方案。

表7 環(huán)視攝像頭部分參數(shù)

圖4 環(huán)視攝像頭方案布局

圖5 傳感器布置融合示意

4.1 前向智能攝像頭和前向毫米波雷達(dá)布置融合

前雷達(dá)安裝位置根據(jù)雷達(dá)性能參數(shù)要求、車身造型，設(shè)定合理的布置位置。雷達(dá)離地高度(雷達(dá)天線軸到地面的距離)推薦50 cm，30 cm到120 cm之間都可接受。離地高度接近30 cm可能會(huì)有過多的地面反射信號(hào)干擾直接信號(hào)接收和降低探測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)。雷達(dá)與保護(hù)蓋之間的距離大于15 mm(2倍波長(zhǎng)，可以避免復(fù)雜近場(chǎng)對(duì)雷達(dá)波束的影響)，小于40 mm(以避免過大的雷達(dá)波相交面)。雷達(dá)橫向位置坐標(biāo)在-30 cm到30 cm之間。雷達(dá)如果安裝前蓋板，對(duì)蓋板也有特殊要求，比如曲率半徑>600 mm、波束與蓋板相交部分厚度均一、型面需要經(jīng)過仿真測(cè)試、材質(zhì)需要進(jìn)行材料電性能測(cè)試、非噴涂件等。毫米波雷達(dá)波束與周邊結(jié)構(gòu)間距>5 mm，與車輛角度-俯仰角、偏航角、側(cè)傾角為0°，雷達(dá)FOV與牌照框距離15 mm以上，避免安裝牌照后影響雷達(dá)探測(cè)等等要求。如圖6所示。

圖6 前向毫米波雷達(dá)布置示意

前攝像頭最好的垂直安裝位置是在擋風(fēng)玻璃的中心，高度在1 200 mm以上為佳，可以允許偏移擋風(fēng)玻璃中心線在10 cm以內(nèi)。偏航角、側(cè)傾角、俯仰角最好為0°附近(±3°)。支架應(yīng)該安裝在干凈的玻璃區(qū)域，視角區(qū)域不能被絹印或者印刷遮擋。攝像頭視窗與雨刮軌跡線間距大于30 mm，鏡頭模塊與擋風(fēng)玻璃的之間間隙應(yīng)該保證最小1 mm。開口應(yīng)該由投影在擋風(fēng)玻璃各層的視角決定，攝像頭支架和罩蓋上應(yīng)設(shè)計(jì)通風(fēng)孔(開孔面積大于120 mm2)，保證空氣流通。支架安裝在擋風(fēng)玻璃的位置公差通常是±1 mm(定位)和±2.5°(旋轉(zhuǎn))(圖7)。

4.2 側(cè)向毫米波雷達(dá)(角雷達(dá))布置融合

角雷達(dá)根據(jù)其性能參數(shù)要求、車身造型，設(shè)定合理的布置位置，車身要預(yù)留布置空間。角雷達(dá)布置高度要求：過低泥水污物影響雷達(dá)，太高離車輛近處的盲區(qū)會(huì)變大(可能會(huì)導(dǎo)致±20°以外無(wú)視野)，推薦高度在400 mm到1 000 mm之間。要達(dá)到盲區(qū)最小化，雷達(dá)與車輛縱軸線的夾角要在30°到45°之間為宜，雷達(dá)與車輛水平面夾角最好控制在90°。雷達(dá)FOV視野內(nèi)無(wú)金屬，棱線，多層結(jié)構(gòu)或材質(zhì)，F(xiàn)OV與覆蓋件的最大角度為70°，覆蓋件要求平整，曲率要求大于350 mm。

圖7 前攝像頭布置示意

4.3 超聲波雷達(dá)布置融合

為了實(shí)現(xiàn)APA功能，整車上要布置12個(gè)超聲波雷達(dá)，布置數(shù)量較多。超聲波雷達(dá)傳感器安裝支架上，通過與保險(xiǎn)杠蒙皮的粘接固定上。為了最大限度滿足探測(cè)要求，超聲波雷達(dá)布置位置提供了具體要求，見圖8。布置具體要求有：避免將雷達(dá)布置在凹陷于汽車保保杠的表面、避免拍照干涉雷達(dá)探測(cè)區(qū)域、遠(yuǎn)離熱源排氣管、大功率燈具等等。

圖8 超聲波雷達(dá)布置位置要求

4.4 環(huán)視攝像頭

AVM環(huán)視系統(tǒng)，共需在車身前后左右布置4個(gè)攝像頭。前方攝像頭安裝在前格柵附近區(qū)域。后方攝像頭安裝在后背門牌照燈或附近區(qū)域。左右側(cè)攝像頭需要安裝在后視鏡殼底部，需要在左右后視鏡中預(yù)留一個(gè)攝像頭的孔位，以便于左右攝像頭的安裝。攝像頭布置時(shí)應(yīng)進(jìn)行光學(xué)校核，保證相鄰攝像頭影像有足夠的重合，并且在攝像頭1°的組裝誤差范圍內(nèi)應(yīng)能保證圖像拼接無(wú)黑邊，盲區(qū)不能超過企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所要求。為防止拍攝影像的改變，而導(dǎo)致全景影像無(wú)法拼接，攝像頭應(yīng)具有防旋轉(zhuǎn)的定位結(jié)構(gòu)。前后攝像頭布置要求：車輛滿載時(shí)，離地高度≥600 mm;偏離中心平面距離≤50 mm，建議置于中心平面;視軸與車輛XZ平面平行;視軸與車輛Z軸夾角建議45°到75°，光軸與地面線交點(diǎn)距車身最外側(cè)1 000～2 000 mm;盲區(qū)視野≤200 mm;攝像頭垂直視野在3 000 mm處可完整看到直立于地面3 000 mm高的物體。如圖9為環(huán)視攝像頭(前)布置要求。

圖9 環(huán)視攝像頭(前)布置要求

左右攝像頭(后視鏡上)布置要求：攝像頭前視圖，視角與垂直線之間夾角建議20～25°;視角與垂直線之間夾角建議1.5～5°;安裝高度大于900 mm;車身突出距離大于100 mm;視野需覆蓋車輛前后各10 m位置，且10 m的視野線與后視鏡殼體下邊緣距離大于1 mm，前后5 m的視野線與光軸面夾角均小于85°，且5 m的視野線與后視鏡殼體下邊緣最小距離大于1.2 mm;攝像頭外突小于5 mm(可調(diào)節(jié))。

結(jié)語(yǔ)

高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)的傳感器除了要保證探測(cè)范圍的覆蓋冗余度，在實(shí)際安裝中，還要符合每個(gè)傳感器和車輛的安裝條件。本文介紹的傳感器布置參數(shù)是基于某款車型、特定供應(yīng)商傳感器產(chǎn)品進(jìn)行的總結(jié)融合。不同傳感器供應(yīng)商，對(duì)布置要求會(huì)有細(xì)微差異，在實(shí)際車型布置過程中，要結(jié)合供應(yīng)商提供的布置要求，以及整車布置、造型，進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。

審核編輯：湯梓紅