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），各類(lèi)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。

01

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(chē)行駛過(guò)程中實(shí)時(shí)感應(yīng)周?chē)沫h(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(chē)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(jué)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(lèi)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(chē)上的傳感器種類(lèi)有4種，數(shù)量為22個(gè)（表1）。

表1 高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)傳感器分類(lèi)

1.1  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(chē)道線(xiàn)、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。

1.2  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。

1.3  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(chē)高速行駛時(shí)，使用超聲波測(cè)距無(wú)法跟上汽車(chē)的車(chē)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)。

1.4  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(kāi)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。

02

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(chē)，可實(shí)現(xiàn)ADASL1/L2/L3，下面介紹詳細(xì)的子功能。

2.1  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(chē)）、LDW（車(chē)道偏離預(yù)警）、LKA（車(chē)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(chē)道線(xiàn)、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(jiàn)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(chē)）、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(chē)道線(xiàn)、隧道、匝道、限速等）。其代表性能參數(shù)見(jiàn)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(chē)/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(jiàn)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

2.2  側(cè)向毫米波雷達(dá)（角雷達(dá)）

側(cè)向毫米波雷達(dá)（24GHz）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(kāi)門(mén)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(jiàn)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(chē)道）、ALC（主動(dòng)變道輔助）、TLC（觸發(fā)式變道輔助）、ELK（緊急車(chē)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

2.3  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(chē)?yán)走_(dá)）、APA（自動(dòng)泊車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(jiàn)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

2.4  環(huán)視攝像頭

AVM（全景式監(jiān)控影像系統(tǒng)）通過(guò)前后左右4個(gè)圖像傳感器（環(huán)視攝像頭）采集車(chē)輛周邊環(huán)境數(shù)據(jù)，將影像通過(guò)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(chē)影像功能。如果同時(shí)在前后左右安裝4個(gè)攝像頭，通過(guò)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(guò)MP5進(jìn)行顯示。環(huán)視攝像頭部分重要參數(shù)見(jiàn)表7，其布置在整車(chē)示意見(jiàn)圖4。

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

03

傳感器整車(chē)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(guò)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(chē)體360°均需覆蓋，根據(jù)重要性，前方的探測(cè)距離要長(zhǎng)（120m），后方的探測(cè)距離稍短（80m），左右側(cè)的探測(cè)距離最短（20m）。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。

圖5 傳感器布置融合示意

3.1  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(chē)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(xiàn)軸到地面的距離）推薦50cm，30cm到120cm之間都可接受。離地高度接近30cm可能會(huì)有過(guò)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15mm（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40mm（以避免過(guò)大的雷達(dá)波相交面）。雷達(dá)橫向位置坐標(biāo)在-30cm到30cm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＞600mm、波束與蓋板相交部分厚度均一、型面需要經(jīng)過(guò)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＞5mm，與車(chē)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15mm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1200mm以上為佳，可以允許偏移擋風(fēng)玻璃中心線(xiàn)在10cm以?xún)?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(xiàn)間距大于30mm，鏡頭模塊與擋風(fēng)玻璃的之間間隙應(yīng)該保證最小1mm。開(kāi)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(kāi)孔面積大于120mm2），保證空氣流通。支架安裝在擋風(fēng)玻璃的位置公差通常是±1mm（定位）和±2.5°（旋轉(zhuǎn)）(圖7)。

圖7 前攝像頭布置示意

3.2  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(chē)身造型，設(shè)定合理的布置位置，車(chē)身要預(yù)留布置空間。角雷達(dá)布置高度要求：過(guò)低泥水污物影響雷達(dá)，太高離車(chē)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400mm到1000mm之間。要達(dá)到盲區(qū)最小化，雷達(dá)與車(chē)輛縱軸線(xiàn)的夾角要在30°到45°之間為宜，雷達(dá)與車(chē)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(xiàn)，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350mm。

3.3  超聲波雷達(dá)布置融合

為了實(shí)現(xiàn)APA功能，整車(chē)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(guò)與保險(xiǎn)杠蒙皮的粘接固定上。為了最大限度滿(mǎn)足探測(cè)要求，超聲波雷達(dá)布置位置提供了具體要求，見(jiàn)圖8。布置具體要求有：避免將雷達(dá)布置在凹陷于汽車(chē)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

3.4  環(huán)視攝像頭

AVM環(huán)視系統(tǒng)，共需在車(chē)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(mén)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(guò)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(chē)輛滿(mǎn)載時(shí)，離地高度≥600mm；偏離中心平面距離≤50mm，建議置于中心平面；視軸與車(chē)輛XZ平面平行；視軸與車(chē)輛Z軸夾角建議45°到75°，光軸與地面線(xiàn)交點(diǎn)距車(chē)身最外側(cè)1000～2000mm；盲區(qū)視野≤200mm；攝像頭垂直視野在3000mm處可完整看到直立于地面3000mm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(xiàn)之間夾角建議20～25°；視角與垂直線(xiàn)之間夾角建議1.5～5°；安裝高度大于900mm；車(chē)身突出距離大于100mm；視野需覆蓋車(chē)輛前后各10m位置，且10m的視野線(xiàn)與后視鏡殼體下邊緣距離大于1mm，前后5m的視野線(xiàn)與光軸面夾角均小于85°，且5m的視野線(xiàn)與后視鏡殼體下邊緣最小距離大于1.2mm；攝像頭外突小于5mm（可調(diào)節(jié)）。

04 

總  結(jié)

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(chē)輛的安裝條件。