ADAS系統的結構分析車聯網的特點與實現

一、ADAS簡介

ADAS（Advanced Driver Assistance Systems）是高級輔助駕駛系統的縮寫，有文獻認為是智能汽車的縮寫。所謂高級輔助駕駛系統，就是幫助人們更好地操控車輛的輔助裝置，一般提供更安全的駕駛條件或更舒適的用戶體驗。利用安裝于車上各式各樣的傳感器及攝像頭，在第一時間收集車內外的環境數據，進行靜、動態物體的辨識、偵測與追蹤等技術上的處理，從而能夠讓駕駛者在最快的時間察覺可能發生的危險。

01 ? ? ADAS功能類別

目前，ADAS涉及到12門技術，主要基于三種傳感器一一攝像頭、雷達、激光雷達。在這12門技術中，組合出了感知、控制、決策這自動駕駛三大模塊。目前較為常用的ADAS可以按照功能類，如圖1所示。

02 ? ? 汽車不同的自動化階段

ADAS的功能還遠不止表1所示這些，還有許多功能在開發中。比如法雷奧公司目前正在研發的AP&C（Automated Parking＆Charging）等。目前的ADAS不等于自動駕駛。ADAS僅僅是輔助駕駛，還需要人進行主導；而自動駕駛是人工智能主導，駕乘人員稍微關注甚至完全不用關注路況。如圖1所示為根據SAE劃分的汽車自動化階段圖。

03 ? ? 智能汽車和車聯網的關系

隨著汽車智能化、電子化的推進，無人駕駛已經是未來汽車發展的必然趨勢，智能汽車（ADAS）和車聯網（Vehicle-to-everything、V2X）分別實現無人駕駛的內部和外部要求，而5G技術即成為車聯網V2X中的關鍵制衡。

汽車智能化的終極目標是無人駕駛，而實現無人駕駛是一個漸進式的發展過程，在這個過程中，車內硬件智能（ADAS）和車際互聯通信（V2X）兩條腿走路，比較而言，ADAS技術只需要在車體本身做傳感器加裝和算法改進，相較于具備強外部性的V2X技術更易推進，是智能汽車的早期技術，目前國內國外在跑的中高端車型上基本加裝了部分ADAS功能，幾乎能協助車輛達成L3級別以下的自動駕駛。要實現更高級別的自動駕駛乃至無人駕駛，其制衡點更多在于車際互聯（V2X）技術，這項技術簡單化理解就是以聯網通信的模式強化感知，相當在車輛上加裝了更為靈敏的“眼睛”，實現真正的車路協同。但是V2X技術具備強外部性，要求對整體道路基建做整改，對通信協議做規范，同時對高速移動通信的質量提出更高的要求，V2X這項技術在國內極高概率是以智能互聯示范區的模式推進。

要充分發揮V2X下車路協同的優勢，傳輸信息和信號，需要非常大的流量和帶寬以及很短的延時，差之毫厘失之千里，5G技術即成為車聯網V2X中的關鍵制衡。隨著5G通信技術的發展以及我國在全球通信產業的地位提升，未來汽車智能駕駛不僅限于硬件端（ADAS），還將向通信端發力，這期間搭建通訊收發設備，覆蓋5G應用網絡的智能互聯示范區將獲得迅速發展。

智能駕駛的最終目標就是無人駕駛，而智能汽車（ADAS）和車聯網（V2X）分別是實現無人駕駛的內部和外部要求。5G商用是車際網發展的重要催化劑。

二、車聯網

01 ? ? 車聯網的分類

車聯網（V2X）是通向無人駕駛高級階段的核心技術。廣義車聯網包含車內、車際和車云網。

車聯網有廣義和狹義之分，狹義車聯網單指“Telematics”（車載移動互聯網，又稱車云網）。這里定義車聯網為廣義車聯網，即車內、車際、車云三網融合。廣義的車聯網是最終實現無人駕駛的重要一環，一方面，車際網聯合產業鏈前端的ADAS實現車路協同；另一方面，車云網將數據上傳至云平臺進行清晰分析，開辟產業鏈后端廣闊的汽車后服務市場。

（1）車內網：是指通過應用CAN 總線技術建立一個標準化的整車網絡。

（2）車際網（V2X）：是指基于DSRC技術和IFEE 802.11系列無線局域網協議的動態網絡。這是促進車際互聯的最核心技術。

（3）車云網（Telematics）：又稱車載移動互聯網，是指車載終端通過3G/4G/5G等通信技術與互聯網進行無線連接。

02 ? ? 車聯網的應用

車內網與車云網產業化應用成熟，車際網尚處培育階段。車內網和車云網分別對應的CAN總線與OBD盒子等產品在國內均有較為成熟的應用和市場規模。而以V2X芯片為核心產品的車際網，是推動車路協同，促進車際互聯的關鍵，由于其技術壁壘最高，發展步伐最為緩慢。世界范圍內的V2X產品均處開發階段，未形成大規模生產，批量生產后可配套裝載于智能汽車和道路信號燈、加油站等基礎設施，市場前景廣闊。

如圖2所示，車際網是車聯網之魂，其核心在于V2X技術。V2X技術是通向無人駕駛高級階段的核心技術。無人駕駛依照“ADAS裝配實現車內智能→LTE-V/DSRC技術實現車際互聯→車際互聯的發展進一步推動車內智能設備的研發→車內智能對車際互聯要求的上升”的發展路徑，呈現螺旋上升趨勢。

目前我國智能駕駛發展還是以車內智能為主，車際互聯發展較為緩慢，但隨著V2X技術的完善，車路協同檢測日漸成熟，車際互聯在未來幾年將出現較快增長。

如圖3所示，V2X技術是車內智能和車際互聯的轉換器，是智能互聯示范區最核心技術所在。V2X受益于智能互聯示范區內基礎設施建設和車內芯片裝配，產業鏈地位將大幅提升。

03 ? ? 車聯網的特點與實現

（1）車聯網的實現方式

V2X實現的兩種方式：V2X的實現主要有DSRC和LTE-V兩種方式。其中DSRC是美國的V2V通信標準，中國目前主導的通信技術是LTE-V。

（2）V2x技術的主要特點

V2X技術的主要特點是：①網絡拓撲不穩定；②外部環境干擾嚴重；③行車軌跡可預測；④以小數據包為主。

由此發展出了兩種研究方向，即專用短程通訊（DSRC）技術和基于蜂窩移網的（LTE-V2X）技術。0DSRC：目前廣泛應用的電子停車收費系統ETC就是基于DSRC實現的。DSRC在2014年2月被美國交通部確認為V2V標準；②）LTE-V是基于LTE（4G）無線傳輸技術的車聯網專用通信網。

（3）車聯網市場空間

車聯網發展可以分為三大階段，當前正處于第二階段—智能網聯汽車階段。車聯網的發展從最早期的車載信息開始，車輛具備基本的聯網能力；在當前的智能網聯階段，通過V2X技術，車路開始協同；到了未來的智慧出行階段，車路協同在智能交通和高級自動駕駛中廣泛應用，不可或缺。

三、ADAS系統的結構

如圖4所示，ADAS系統由三個部分構成，分別是感知層、認知與判斷層、執行層。感知層硬件包括雷達、攝像頭等傳感器，用于探測汽車周圍的環境信息，為其他兩個功能模塊提供信息支持。認知與判斷層涉及算法、應用軟件與芯片。攝像頭、雷達等ADAS傳感器測量到的數據，還要與發動機、底盤、車身上的其他各類傳感器測量到的數據配合。不同處理器處理的信息通過總線通信，最后給執行層發出指令。執行層則對應電子剎車、電子助力轉向、電子車身穩定系統等。

如圖5所示，ADAS的傳感器主要有超聲波雷達、毫米波雷達、激光雷達、攝像頭4類。不同傳感器的原理和功能各不相同，能在不同的場景中發揮各自的優勢，因此目前難以相互替代。

01 ? ? 超聲波雷達

超聲波雷達（圖6）是泊車系統中最常用的傳感器。超聲波雷達是通過超聲波發射裝置向外發出超聲波，到通過接收器接收到發送過來超聲波時的時間差來測算距離。目前，常用探頭的工作頻率有40kHz、48kHz和58kHz三種。一般來說，頻率越高，靈敏度越高，但水平與垂直方向的探測角度就越小，故一般采用40kHz的探頭。超聲波雷達防水、防塵，即使有少量的泥沙遮擋也不影響。圖7、圖8所示為倒車雷達原理及工作示意圖，其探測范圍在0.1-3米之間，而且精度較高，因此非常適合應用于泊車。

如圖9所示，通常一套汽車倒車雷達需要安裝4個超聲波傳感器，而自動泊車系統是在倒車雷達系統的基礎上再增加4個超聲波駐車輔助（Ultrasonic Parking Assistant）超聲波傳感器和4個自動泊車輔助（Automatic Parking Assistant）超聲波傳感器。

02 ? ? 毫米波雷達

如圖10所示，毫米波雷達發射毫米波段的電磁波，利用障礙物反射波的時間差確定障礙物距離，利用反射波的頻率偏移確定相對速度。毫米波雷達穿透霧、煙、灰塵的能力強，具有全天候（大雨天除外）全天時的優點。其缺點是無法識別物體顏色；視場角較小，需要多個雷達組合使用；行人的反射波較弱，難以識別。目前市場上主流的車載毫米波雷達頻段為24GHz（用于短中距離雷達，15-30m）和77GHz（用于長距離雷達，100-200m）。但是77GHz在性能和體積上都更具優勢，77GHz的距離分辨率更高，體積比24GHz產品小了三分之一。

毫米波雷達主要由天線、射頻MMIC、基帶信號處理三部分組成。現在的毫米波雷達（圖11、圖12）采用“微帶貼片天線”使得天線體積更小、重量更輕。雷達射頻前端單片微波集成電路（MMIC）用于產生和接收射頻信號。數字處理包括陣列天線的波束形成算法、信號檢測、測量算法、分類和跟蹤算法等。

03 ? ? 激光雷達

如圖13所示，車載激光雷達又稱車載三維激光掃描儀，通過發射和接受返回的激光束，分析激光遇到目標后的折返時間，計算出目標與車的距離（圖14）。通過這種方法，搜集目標表面大量的密集點的三維坐標、反射率等信息，能快速復建出目標的三維模型（圖15）及各種圖件數據，建立三維點云圖，繪制出環境地圖，以達到環境感知的目的。目前市場上比較常見的有8線、16線和32線激光雷達，還有少量64線產品。激光雷達線束越多，測量精度越高，安全性也越高，但是成本也越高。

和超聲波雷達和毫米波雷達相比，激光雷達具有極高的距離分辨率、角分辨率和速度分辨率，且探測精度高、探測范圍廣；抗干擾能力強；能實時獲取的信息量比較豐富，可直接獲取目標的距離、角度、反射強度、速度等信息，從而生成目標多維度圖像。但是激光雷達卻很容易受天氣的影響，比如在雨雪、大霧等天氣條件下，其探測性能就會變的較差。

04 ? ? 攝像頭

攝像頭是實現眾多預警、識別類ADAS功能的基礎。像自動緊急剎車（AEB）、車道偏離預警（LDW）、車道保持（LKA）、行人警示（PCW）、自動泊車（AP）、疲勞駕駛預警（DFM）、交通標志識別（TSR）、交通信號燈識別（TLR）等都需要建立在圖像識別的基礎上，進而實現車道線障礙物以及行人檢測。

目前前視攝像頭ADAS系統有單目和雙目兩種方案，兩者的共同點都是通過攝像頭采集圖像數據，然后從圖像數據上得到距離信息。因為前視攝像頭最重要的一個作用就是碰撞預警，而碰撞預警需要測量距離的變化。

單目視覺的測距原理是先通過圖像匹配進行目標識別，識別行人、物體、車型等。再通過目標在圖像中的大小去估算目標距離。這種方法是建立在精準識別基礎上的，所以首先需要建立并不斷維護一個龐大的樣本特征數據庫，保證這個數據庫包含待識別目標的全部特征數據。比如在一些特殊地區，為了專門檢測大型動物，必須先行建立大型動物的數據庫；而對于另外某些區域存在一些非常規車型，也要先將這些車型的特征數據加入到數據庫中。如果缺乏識別目標的特征，就會導致系統無法對車型、物體、障礙物進行識別，從而也就無法準確估算這些目標的距離。導致ADAS系統的漏報。

如圖16所示，雙目視覺是通過對兩幅圖像視差的計算，直接對前方景物（圖像所拍攝到的范圍）進行距離測量，而無需判斷前方出現的是什么類型的障礙物。所以對于任何類型的障礙物，都能根據距離信息的變化，進行必要的預警或制動。雙目視覺的原理與人眼類似，利用雙目三角測距的原理，能非常精準的測量物體的距離。

如圖17、18所示，雙目方案也同時兼具單目方案的功能，可以采用其中一路來進行圖像識別，從而判斷交通標示和障礙物類型。雙目攝像頭方案的優越性使得雙目逐漸成為中高端車型的標配，如奔馳2016款全系（S系、E系、C系）、寶馬2016款全系（7系、5系、3系）標配雙目攝像頭。

此外汽車上還可以配備更多攝像頭來實現更多功能。如圖19所示，如同時配備廣角相機和中長焦相機，可以識別不同距離，不同視角范圍內的障礙物；同時配備可見光相機和遠紅外相機，可以實現夜間使用的；在車的前、后、左、右安裝四個廣角攝像頭，經過攝像頭參數校正、鏡頭扭曲校正、鳥瞰視角轉換、白平衡匹配和圖像縫合處理，可以在車內顯示器上顯示一個可直觀監視車輛周圍環境的全景鳥瞰畫面，能有效減少盲區，提高安全性。