智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)技術(shù) 課件 人大 項(xiàng)目3、4 傳感器在智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)中的應(yīng)用、高精定位與導(dǎo)航系統(tǒng)

智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)技術(shù)21世紀(jì)技能創(chuàng)新型人才培養(yǎng)系列教材·汽車(chē)系列主編王皓張春蓉項(xiàng)目三視覺(jué)傳感器在智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)中的應(yīng)用任務(wù)一視覺(jué)傳感器的組成和種類任務(wù)二視覺(jué)傳感器的功能和工作原理任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)技術(shù)王皓任務(wù)一視覺(jué)傳感器的組成和種類視覺(jué)傳感器又叫攝像頭，主要由光源、鏡頭、圖像傳感器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像處理器、圖像存儲(chǔ)器等組成，如圖3-1所示，其主要功能是獲取足夠的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)要處理的原始圖像。光、攝像機(jī)、圖像處理器、標(biāo)準(zhǔn)的控制與通信接口等集成一體的視覺(jué)傳感器稱為一個(gè)智能圖像采集與處理單元視覺(jué)傳感器將計(jì)算機(jī)的靈活性、PLC的可靠性以及分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合在一起，構(gòu)成機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)。任務(wù)一視覺(jué)傳感器的組成和種類圖3-1視覺(jué)傳感器的組成任務(wù)一視覺(jué)傳感器的組成和種類一、視覺(jué)傳感器的組成與結(jié)構(gòu)1.光源光源是一個(gè)物理學(xué)名詞，世間萬(wàn)物有的發(fā)光，有的不發(fā)光。我們把能夠自行發(fā)光且正在發(fā)光的物體叫作光源，如太陽(yáng)、打開(kāi)的電燈、燃燒的蠟燭等。2.鏡頭鏡頭是視覺(jué)傳感器的關(guān)鍵部件，它的質(zhì)量直接影響攝像頭的各項(xiàng)指標(biāo)。鏡頭相當(dāng)于人眼的晶狀體，如果沒(méi)有晶狀體，眼睛是看不到任何物體的；同理，如果沒(méi)有鏡頭，攝像頭輸出的圖像就是白茫茫一片。任務(wù)一視覺(jué)傳感器的組成和種類3.圖像傳感器圖像傳感器通常使用電荷耦合裝置（CCD）或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)將光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。圖像傳感器的根本任務(wù)就是采集光源并將其轉(zhuǎn)換為平衡噪聲、靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)字圖像。圖像是像素的集合，暗光產(chǎn)生較暗的像素，亮光產(chǎn)生較亮的像素。圖像傳感器能夠確保攝像頭具有正確的分辨率，分辨率越高，圖像細(xì)節(jié)越清晰，測(cè)量準(zhǔn)確度越高。4.模/數(shù)轉(zhuǎn)換器模/數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)的電子元件。例如，能夠把輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字信號(hào)。5.圖像處理器圖像處理器是能夠?qū)D像進(jìn)行分類、合成等操作的軟件，經(jīng)過(guò)取樣和量化環(huán)節(jié)將圖像變換為適合計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字信息，再通過(guò)直方圖、灰度圖等顯示。6.圖像存儲(chǔ)器圖像存儲(chǔ)是指在存儲(chǔ)器中保存圖形和影像的數(shù)字信息。數(shù)字圖像文件可存儲(chǔ)為映射圖像、光柵圖像或矢量圖像等。任務(wù)一視覺(jué)傳感器的組成和種類二、視覺(jué)傳感器的特點(diǎn)（1）視覺(jué)圖像的信息量極為豐富，尤其是彩色圖像，不僅包含視野內(nèi)物體的距離信息，還包含物體的顏色、紋理、深度和形狀等信息，視覺(jué)傳感器均能獲取。（2）視覺(jué)傳感器可在視野范圍內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)道路檢測(cè)、車(chē)輛檢測(cè)、行人檢測(cè)、交通標(biāo)志檢測(cè)、交通信號(hào)燈檢測(cè)，信息獲取面積大，多輛智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)同時(shí)工作時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)相互干擾的現(xiàn)象。（3）視覺(jué)傳感器獲取的是實(shí)時(shí)的場(chǎng)景圖像，該信息不依賴于先驗(yàn)知識(shí)，有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。（4）視覺(jué)傳感器應(yīng)用廣泛，在智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)中可以實(shí)現(xiàn)前視、后視、側(cè)視、內(nèi)視、環(huán)視等。以前視為例，夜視、車(chē)道偏離預(yù)警、碰撞預(yù)警、交通標(biāo)志識(shí)別等功能均要求視覺(jué)系統(tǒng)能夠在各種天氣、路況條件下清晰識(shí)別車(chē)道線、車(chē)輛、障礙物、交通標(biāo)志等。三、視覺(jué)傳感器的類型車(chē)載視覺(jué)傳感器常用的分類方式有按照芯片類型分類和按照鏡頭數(shù)目分類。1.按照芯片類型分類（1）電荷耦合器件（CCD）。CCD是一種用電荷量表示信號(hào)、用耦合方式傳輸信號(hào)的探測(cè)元件，如圖3-3所示。它是一種特殊的半導(dǎo)體器件，上面有很多一樣的感光元件，每個(gè)感光元件叫作一個(gè)像素。CCD的作用是將光線轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，是極其重要的部件，其性能直接影響攝像機(jī)的成像質(zhì)量。CCD廣泛應(yīng)用于數(shù)碼攝影、天文學(xué)等領(lǐng)域。任務(wù)一視覺(jué)傳感器的組成和種類（2）互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）?；パa(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）是一種大規(guī)模用于集成電路芯片制造的原料，其成品如圖3-4所示。CCD和CMOS傳感器是目前普遍采用的圖像傳感器，兩者都利用光電二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，通過(guò)芯片上的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸方式不同。在CCD傳感器中，每一行的每一個(gè)像素的電荷數(shù)據(jù)都會(huì)依次傳送到下一個(gè)像素中，再經(jīng)過(guò)傳感器邊緣的放大器放大輸出。而在CMOS傳感器中，當(dāng)數(shù)據(jù)的傳送距離較長(zhǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，因此要先放大信號(hào)，再整合各個(gè)像素的數(shù)據(jù)。在每個(gè)像素旁都接一個(gè)放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)類似內(nèi)存電路的方式輸出數(shù)據(jù)。任務(wù)一視覺(jué)傳感器的組成和種類2.按照鏡頭數(shù)目分類（1）單目攝像頭。單目攝像頭的優(yōu)點(diǎn)是成本低廉；能夠識(shí)別具體障礙物的種類，且識(shí)別準(zhǔn)確。單目攝像頭的缺點(diǎn)是其識(shí)別原理導(dǎo)致無(wú)法識(shí)別沒(méi)有明顯輪廓的障礙物；工作準(zhǔn)確率與外部光線條件有關(guān)，并且受限于數(shù)據(jù)庫(kù)；沒(méi)有自主學(xué)習(xí)功能。任務(wù)一視覺(jué)傳感器的組成和種類（2）雙目攝像頭。雙目攝像頭如圖3-6所示。該類攝像頭通過(guò)對(duì)兩幅圖像視差的計(jì)算，直接對(duì)前方景物（圖像所拍攝到的范圍）進(jìn)行距離測(cè)量，而無(wú)須判斷前方出現(xiàn)的是什么類型的障礙物。其原理是依靠?jī)蓚€(gè)平行布置的攝像頭產(chǎn)生的視差，找到同一個(gè)物體所有的點(diǎn)，然后通過(guò)三角測(cè)距方式計(jì)算出攝像頭與前方障礙物的距離，實(shí)現(xiàn)更高的識(shí)別精度和更遠(yuǎn)的探測(cè)范圍。任務(wù)一視覺(jué)傳感器的組成和種類（3）三目攝像頭。三目攝像頭如圖3-7所示。該類攝像頭除了具有單目攝像頭功能，其配備的長(zhǎng)焦距攝像頭可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)和魚(yú)眼功能，增強(qiáng)了近距離范圍的探測(cè)能力，視野更為廣闊。特斯拉電動(dòng)汽車(chē)采用的就是三目攝像頭，包含一個(gè)120°的廣角攝像頭，可以監(jiān)測(cè)車(chē)輛周?chē)沫h(huán)境，探測(cè)距離60m左右；一個(gè)50°的中距攝像頭，探測(cè)距離150m左右；一個(gè)35°的遠(yuǎn)距離攝像頭，探測(cè)距離250m左右。任務(wù)一視覺(jué)傳感器的組成和種類（4）環(huán)視攝像頭。如圖3-8所示，環(huán)視攝像頭至少包括4個(gè)攝像頭，以實(shí)現(xiàn)360°環(huán)境感知。任務(wù)一視覺(jué)傳感器的組成和種類3.按照攝像頭的使用時(shí)間分類（1）普通攝像頭。普通攝像頭用于探測(cè)可見(jiàn)光，其工作依賴于外界光源，因此普通攝像頭只適合在白天工作，不適合在黑夜工作。（2）紅外攝像頭。紅外攝像頭如圖3-9所示。該類攝像頭可以感知紅外線，對(duì)外界的光照要求不高，可在夜晚光照不充分時(shí)利用紅外線感知物體。因此，紅外攝像頭既適合在白天工作，也適合在夜間工作。目前車(chē)輛上使用的主要是紅外攝像頭。任務(wù)二視覺(jué)傳感器的功能和工作原理一、視覺(jué)傳感器的功能1.車(chē)道線識(shí)別車(chē)道線是視覺(jué)傳感器能夠感知的最基本信息，擁有車(chē)道線識(shí)別功能即可實(shí)現(xiàn)高速公路車(chē)道保持。車(chē)道線識(shí)別功能既可以確保車(chē)輛在車(chē)道內(nèi)行駛，也可以實(shí)現(xiàn)變換車(chē)道行駛，如圖3-10所示。任務(wù)二視覺(jué)傳感器的功能和工作原理2.障礙物檢測(cè)障礙物會(huì)對(duì)行車(chē)安全構(gòu)成威脅。障礙物的種類有很多，如汽車(chē)、行人、自行車(chē)、動(dòng)物、建筑物等，如圖3-11所示。實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的檢測(cè)是確保車(chē)輛能夠在車(chē)道內(nèi)正常行駛并保持合適的跟車(chē)距離的基本要求。任務(wù)二視覺(jué)傳感器的功能和工作原理3.交通標(biāo)志和地面標(biāo)志識(shí)別如圖3-12所示，交通標(biāo)志和地面標(biāo)志可用于道路特征與高精度地圖匹配后的輔助定位，系統(tǒng)也可以基于這些感知結(jié)果進(jìn)行地圖的更新。任務(wù)二視覺(jué)傳感器的功能和工作原理4.交通信號(hào)燈識(shí)別如圖3-13所示，對(duì)交通信號(hào)燈狀態(tài)的感知能力是主要在城區(qū)行駛的無(wú)人駕駛汽車(chē)實(shí)現(xiàn)安全行駛的重要前提。任務(wù)二視覺(jué)傳感器的功能和工作原理5.可通行空間檢測(cè)如圖3-14所示，可通行空間標(biāo)示無(wú)人駕駛汽車(chē)可以正常行駛的區(qū)域。任務(wù)二視覺(jué)傳感器的功能和工作原理二、視覺(jué)傳感器的工作原理1.視覺(jué)人類視覺(jué)系統(tǒng)（HumanVisualSystem）擁有視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞。視錐細(xì)胞在中央凹處分布密集，而在視網(wǎng)膜周邊區(qū)域相對(duì)較少。視桿細(xì)胞在中央凹處沒(méi)有分布，其主要分布在視網(wǎng)膜的周邊區(qū)域。兩種細(xì)胞都能接受光刺激并將光能轉(zhuǎn)化為神經(jīng)沖動(dòng)，因此稱為光感受器。視桿細(xì)胞所含的感光物質(zhì)為視紫紅質(zhì)，對(duì)光線的強(qiáng)弱反應(yīng)非常敏感，對(duì)不同顏色的光波反應(yīng)不敏感，它是一種感受弱光刺激的細(xì)胞，分辨能力差。貓頭鷹的視網(wǎng)膜中的視桿細(xì)胞較多，故夜間視覺(jué)靈敏。視錐細(xì)胞的空間分辨率高，對(duì)強(qiáng)光和顏色具有高度的分辨能力。人類肉眼有三種視錐細(xì)胞，因此可以看到繽紛的世界。鳥(niǎo)類擁有四種視錐細(xì)胞，能辨別出更多的色彩，看見(jiàn)的世界也更加絢麗多彩。任務(wù)二視覺(jué)傳感器的功能和工作原理2.車(chē)載視覺(jué)技術(shù)車(chē)載視覺(jué)技術(shù)是通過(guò)模擬人類視覺(jué)技術(shù)發(fā)展而來(lái)的一種應(yīng)用技術(shù)。它基于車(chē)載機(jī)器（視覺(jué)傳感器）識(shí)別道路環(huán)境參數(shù)并判斷行車(chē)的安全性，包括物體的識(shí)別、形狀與方位的確認(rèn)、運(yùn)動(dòng)軌跡的判斷等，通過(guò)圖像分析識(shí)別技術(shù)對(duì)行駛環(huán)境進(jìn)行感知，在即時(shí)定位和導(dǎo)航等方面發(fā)揮了車(chē)輛的“眼睛”的作用。車(chē)載視覺(jué)技術(shù)的環(huán)境感知流程如圖3-15所示，通常包括圖像采集、圖像預(yù)處理、圖像特征提取、圖像模式識(shí)別、結(jié)果傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)。具體識(shí)別對(duì)象和采用的識(shí)別方法不同，環(huán)境感知的流程也會(huì)有所不同。任務(wù)二視覺(jué)傳感器的功能和工作原理（1）圖像采集。圖像采集主要是通過(guò)攝像頭采集圖像，如果是模擬信號(hào)，要把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并把數(shù)字圖像以一定的格式表現(xiàn)出來(lái)。（2）圖像預(yù)處理。圖像預(yù)處理包含的內(nèi)容較多，有圖像壓縮、圖像增強(qiáng)與復(fù)原、圖像分割等，要根據(jù)具體況進(jìn)行選擇。（3）圖像特征提取。為了完成對(duì)圖像中的目標(biāo)的識(shí)別，要在圖像分割的基礎(chǔ)上提取需要的特征，并對(duì)這些特征進(jìn)行計(jì)算、測(cè)量、分類，以便計(jì)算機(jī)根據(jù)特征值進(jìn)行圖像分類和識(shí)別。任務(wù)二視覺(jué)傳感器的功能和工作原理（4）圖像模式識(shí)別。圖像模式識(shí)別的方法有很多，從圖像模式識(shí)別提取的特征對(duì)象這一角度，識(shí)別方法可分為基于特征的識(shí)別技術(shù)、基于色彩特征的識(shí)別技術(shù)以及基于紋理特征的識(shí)別技術(shù)等。（5）結(jié)果傳輸。通過(guò)環(huán)境感知系統(tǒng)識(shí)別的信息，可傳輸?shù)杰?chē)輛其他控制系統(tǒng)或者傳輸?shù)街車(chē)?chē)輛，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。任務(wù)二視覺(jué)傳感器的功能和工作原理3.CCD技術(shù)CCD技術(shù)是一種用電荷量表示信號(hào)大小，用耦合方式傳輸信號(hào)的探測(cè)技術(shù)。CCD技術(shù)是1969年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的博伊爾和史密斯發(fā)明的。當(dāng)時(shí)貝爾實(shí)驗(yàn)室正在研制影像電話和半導(dǎo)體氣泡式內(nèi)存，將這兩種新技術(shù)結(jié)合起來(lái)后，博伊爾和史密斯得出一種名為“電荷氣泡元件”的裝置，它能沿著一片半導(dǎo)體的表面?zhèn)鬟f電荷，于是便嘗試將其用作記憶裝置。起初只能從暫存器通過(guò)“注入”電荷的方式輸入記憶，但隨即他們發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)能使此種元件表面產(chǎn)生電荷而組成數(shù)位影像，這就是最早的CCD技術(shù)。任務(wù)二視覺(jué)傳感器的功能和工作原理CCD技術(shù)具有自掃描、感受波譜范圍寬、畸變小、體積小、重量輕、系統(tǒng)噪聲低、功耗小、壽命長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，并可做成集成度非常高的組合件。CCD靶面由多個(gè)陣列式光電耦合元件構(gòu)成，能根據(jù)光照強(qiáng)弱產(chǎn)生不同強(qiáng)度的電流，然后將電流轉(zhuǎn)換為當(dāng)量電壓。CCD及光敏元件的結(jié)構(gòu)如圖3-16所示。任務(wù)二視覺(jué)傳感器的功能和工作原理CCD技術(shù)可直接將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。其特點(diǎn)是：體積小，重量輕，功耗小，工作電壓低；抗沖擊與振動(dòng)，性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，靈敏度高，噪聲低，動(dòng)態(tài)范圍大，響應(yīng)速度快；具有自掃描功能，圖像畸變小，無(wú)殘像；應(yīng)用超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)生產(chǎn)，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產(chǎn)成本低。CCD的結(jié)構(gòu)分為三層，如圖3-17所示，分別為微型鏡頭、分色濾色片、感光元件。光敏元被制作在感光元件層的半導(dǎo)體硅片上，一個(gè)光敏元為一個(gè)像素，成千上萬(wàn)的光敏元在半導(dǎo)體硅片上按照線陣或面陣有規(guī)則地排列著。任務(wù)二視覺(jué)傳感器的功能和工作原理CCD的基本單元是MOS電容器，用于存儲(chǔ)電荷。如圖3-18所示，每個(gè)MOS電容器內(nèi)的工作分為四步：第一步是信號(hào)電荷的產(chǎn)生（光電轉(zhuǎn)換）；第二步是信號(hào)電荷的存儲(chǔ)；第三步是信號(hào)電荷的傳輸；第四步是信號(hào)電荷的檢測(cè)。任務(wù)二視覺(jué)傳感器的功能和工作原理任務(wù)二視覺(jué)傳感器的功能和工作原理4.CMOS技術(shù)CMOS（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體）圖像傳感器的工作原理是制成半導(dǎo)體的元素主要為硅和鍺，它們使CMOS上共存著帶N（-）和P（+）極的半導(dǎo)體，這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流可被芯片記錄并解讀為影像。精加工后的CMOS可以作為數(shù)碼相機(jī)的圖像傳感器。常用的CMOS傳感器有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。任務(wù)二視覺(jué)傳感器的功能和工作原理CMOS技術(shù)的特點(diǎn)是靈敏度較高、曝光時(shí)間較短、像素尺寸小、自適應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍大、功耗低。CMOS根據(jù)光敏元結(jié)構(gòu)的不同，可分為光柵型和光電二極管型，如圖3-20所示。而根據(jù)敏感單元內(nèi)是否具有放大功能，又可分為無(wú)源像素圖像傳感器（PPS）和有源像素圖像傳感器（APS）。任務(wù)二視覺(jué)傳感器的功能和工作原理CMOS的主要組成部分包括像敏單元陣列和輸出及信號(hào)處理電路，這兩部分集成在同一個(gè)硅片上。像敏單元陣列由光電二極管陣列構(gòu)成，按X和Y方向排列成方陣，每個(gè)像敏單元都有X和Y方向上的地址，如圖3-21所示。通過(guò)控制X和Y方向上的地址譯碼器，將每個(gè)像敏單元的狀態(tài)輸送到放大器，即可實(shí)現(xiàn)逐行掃描或隔行掃描的輸出方式，也可只輸出某一行或某一列的信號(hào)。任務(wù)二視覺(jué)傳感器的功能和工作原理CMOS技術(shù)的主要參數(shù)如下：（1）感光度。感光度又稱為ISO值，用于衡量底片對(duì)于光的靈敏程度。（2）分辨率。分辨率又稱為解析度、解像度。通常，圖像的分辨率越高，所包含的像素就越多，圖像就越清晰，印刷質(zhì)量也就越好，但會(huì)增加文件占用的存儲(chǔ)空間。（3）暗電流。在沒(méi)有光照射的狀態(tài)下，在太陽(yáng)電池、光電二極管、光導(dǎo)電元件、光電管等受光元件中流動(dòng)的電流叫作暗電流。暗電流的大小與溫度的關(guān)系極為密切。（4）動(dòng)態(tài)范圍。動(dòng)態(tài)范圍用于描述畫(huà)面中從最暗的陰影部分到最亮的高光部分的光亮強(qiáng)度分布范圍，可以用曝光數(shù)值（縮寫(xiě)為EV）或者“擋”來(lái)進(jìn)行計(jì)量。如果說(shuō)某個(gè)場(chǎng)景范圍很廣，則表示這個(gè)場(chǎng)景中從陰影部分到高光部分之間的曝光數(shù)值相差很大，畫(huà)面的對(duì)比度高，層次豐富。任務(wù)二視覺(jué)傳感器的功能和工作原理CMOS技術(shù)主要應(yīng)用在以下領(lǐng)域：（1）車(chē)載領(lǐng)域。后視攝像頭、全方位視圖系統(tǒng)、攝像機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等。（2）手機(jī)領(lǐng)域。智能手機(jī)的主攝像頭和前置攝像頭。（3）安防領(lǐng)域。閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)。（4）醫(yī)療影像。X-ray、內(nèi)窺鏡、分子成像、光學(xué)相干斷層掃描以及超聲波成像。任務(wù)二視覺(jué)傳感器的功能和工作原理5.紅外感光技術(shù)紅外線是一種人的肉眼看不見(jiàn)的光，是波長(zhǎng)在微波與可見(jiàn)光之間的電磁波，其最顯著的特性是具有熱效應(yīng)，也就是說(shuō)所有高于絕對(duì)零度的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線。紅外線感光技術(shù)就是檢測(cè)物體熱輻射的紅外線的特定波段信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成可供人類視覺(jué)分辨的圖像和圖形。某些情況下還可以進(jìn)一步計(jì)算出目標(biāo)物的溫度值。任務(wù)二視覺(jué)傳感器的功能和工作原理紅外感光技術(shù)主要分為兩種：一種是主動(dòng)式紅外感光技術(shù)，成像系統(tǒng)自身帶有紅外光源，根據(jù)被成像物體對(duì)紅外光源的不同反射率，以紅外變像管作為光電成像器件來(lái)成像，紅外夜視儀采用的就是這種技術(shù)；另一種是被動(dòng)式紅外感光技術(shù)，成像系統(tǒng)自身不帶有紅外光源，自然界中溫度高于絕對(duì)零度的一切物體總是在不斷地產(chǎn)生紅外熱輻射。探測(cè)器收集輻射能，就可以形成與景物溫度分布相對(duì)應(yīng)的熱圖像，紅外熱像儀采用的就是該技術(shù)。任務(wù)二視覺(jué)傳感器的功能和工作原理（1）主動(dòng)式紅外成像系統(tǒng)。主動(dòng)式紅外成像系統(tǒng)主要由紅外探照燈、光學(xué)系統(tǒng)（物鏡）、紅外變像管、高壓電源、成像器件等組成。紅外變像管可以將紅外輻射圖像轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光圖像。其原理如圖3-24所示，通過(guò)物鏡將光線聚焦在影像增強(qiáng)器上以便采集和增強(qiáng)現(xiàn)有光線，增強(qiáng)器內(nèi)部的光電陰極被光“激活”，并將光子能量轉(zhuǎn)變成電子，電子被加速后撞擊在磷表面即可形成人眼可見(jiàn)的圖像。任務(wù)二視覺(jué)傳感器的功能和工作原理主動(dòng)式紅外感光技術(shù)具有技術(shù)成熟、造價(jià)低廉、觀測(cè)效果比較好的特點(diǎn)；根據(jù)環(huán)境照明條件的變化可以獲得較大的反差，易于區(qū)別目標(biāo)和背景。其作用距離與紅外線發(fā)射功率有關(guān)，通常，30W紅外探照燈的偵察距離為200～300m。任務(wù)二視覺(jué)傳感器的功能和工作原理（2）被動(dòng)式紅外成像系統(tǒng)。被動(dòng)式紅外成像系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)、光掃描機(jī)構(gòu)、紅外探測(cè)器、前置放大群電路等組成，如圖3-25所示。光掃描機(jī)構(gòu)通過(guò)光機(jī)掃描來(lái)覆蓋總視場(chǎng)；紅外探測(cè)器將不可見(jiàn)光的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的信號(hào)；光學(xué)系統(tǒng)接收被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射，經(jīng)光譜濾波將紅外輻射能量分布圖形反映到焦平面上的紅外探測(cè)器陣列的各光敏元上，探測(cè)器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，探測(cè)器偏置與前置放大的輸入電路負(fù)責(zé)輸出放大信號(hào)，并流入讀出電路，以便進(jìn)行多路傳輸。任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用一、車(chē)載單目視覺(jué)傳感器1.車(chē)載單目視覺(jué)傳感器的組成車(chē)載單目視覺(jué)傳感器主要由鏡頭、相機(jī)、視頻采集卡、計(jì)算機(jī)四部分組成。（1）鏡頭。鏡頭是指用于聚集光線以使感光元件獲得清晰圖像的由透鏡組成的光學(xué)裝置。鏡頭按焦距大小可分為標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、廣角鏡頭、長(zhǎng)焦距鏡頭；按變焦方式可分為固定焦距鏡頭、手動(dòng)變焦距鏡頭、電動(dòng)變焦距鏡頭；按光圈方式可分為固定光圈鏡頭、手動(dòng)變光圈鏡頭、自動(dòng)變光圈鏡頭。（2）相機(jī)。相機(jī)是一種利用電子傳感器把光學(xué)影像轉(zhuǎn)換成電子數(shù)據(jù)的設(shè)備，主要包括單反相機(jī)、大/全幅相機(jī)、雙反相機(jī)、微單相機(jī)、卡門(mén)相機(jī)、無(wú)反相機(jī)等。任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用（3）視頻采集卡。視頻采集卡也稱為視頻卡，用于將視頻或音視頻混合信息轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，最終形成可編輯處理的視頻數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)或記憶卡中。視頻采集卡按用途可分為廣播級(jí)視頻采集卡、專業(yè)級(jí)視頻采集卡、民用級(jí)視頻采集卡。（4）計(jì)算機(jī)。車(chē)載單目傳感器中的計(jì)算機(jī)即控制模塊，主要用來(lái)接收視頻采集卡的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，然后利用簡(jiǎn)單的邏輯門(mén)與積體電路原理進(jìn)行處理，以識(shí)別車(chē)輛周?chē)臓顩r，并決定采取什么樣的動(dòng)作，讓車(chē)輛按照合理的路線行駛。任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用2.車(chē)載單目視覺(jué)傳感器的性能參數(shù)車(chē)載單目視覺(jué)傳感器的性能參數(shù)主要有視場(chǎng)角、焦距和俯仰角等。（1）視場(chǎng)角：在光學(xué)儀器中，以光學(xué)儀器的鏡頭為頂點(diǎn)，以被測(cè)目標(biāo)的物像可通過(guò)鏡頭的最大范圍的兩條邊緣構(gòu)成的夾角稱為視場(chǎng)角。（2）焦距：平行光入射時(shí)從透鏡光心到光聚集焦點(diǎn)的距離，用于衡量光的聚集或發(fā)散的程度，（3）俯仰角：機(jī)體坐標(biāo)系的X軸與水平面的夾角。任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用3.車(chē)載單目視覺(jué)傳感器的成像原理相機(jī)的鏡頭相當(dāng)于一個(gè)凸透鏡，來(lái)自物體的光經(jīng)過(guò)相機(jī)的鏡頭后會(huì)聚集在感光元件上，成倒立、縮小的實(shí)像，如圖3-26所示。傳統(tǒng)相機(jī)將膠卷作為記錄信息的載體，而數(shù)碼相機(jī)的膠卷就是其成像感光元件，該元件與相機(jī)是一體的，是數(shù)碼相機(jī)的心臟。數(shù)碼相機(jī)通過(guò)感光元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后記錄在存儲(chǔ)卡上。任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用4.車(chē)載單目視覺(jué)傳感器的工作過(guò)程車(chē)載單目視覺(jué)傳感器的工作過(guò)程主要分為圖像獲取、圖像預(yù)處理、特征提取、目標(biāo)識(shí)別4個(gè)步驟。（1）圖像獲取。圖像獲取指的是物體成像的過(guò)程，是將模擬圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像。一般應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)共性原則：1）所獲取圖像中的被辨識(shí)目標(biāo)應(yīng)盡可能清晰、直觀。2）盡可能提高被辨識(shí)目標(biāo)與整幅圖像像素點(diǎn)的比例。3）盡可能增強(qiáng)被辨識(shí)目標(biāo)與背景的灰度反差。4）圖像獲取速度應(yīng)能滿足車(chē)輛控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)需求。任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用（2）圖像預(yù)處理。圖像預(yù)處理是將每個(gè)文字圖像分檢出來(lái)交給識(shí)別模塊識(shí)別。圖像預(yù)處理的主要目的是消除圖像中無(wú)關(guān)的信息，恢復(fù)有用的真實(shí)信息，增強(qiáng)有關(guān)信息的可檢測(cè)性和最大限度地簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)，從而改進(jìn)特征抽取、圖像分割、匹配和識(shí)別的可靠性。圖像預(yù)處理包括圖像去噪、邊緣增強(qiáng)、灰度拉伸、圖像分割、形態(tài)學(xué)處理等。預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用水平會(huì)在很大程度上影響圖像識(shí)別效果。任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用1）圖像去噪。數(shù)字圖像在數(shù)字化和傳輸過(guò)程中常受到成像設(shè)備與外部環(huán)境噪聲的干擾，這種圖像稱為含噪圖像或噪聲圖像。圖像去噪是指減少數(shù)字圖像中的噪聲，可在空間域?qū)D像像素灰度值進(jìn)行平滑運(yùn)算處理，如圖3-27所示，常用的方法有圖像平均法、鄰域平均法、自適應(yīng)平滑濾波、高斯濾波和中值濾波等。任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用2）邊緣增強(qiáng)。由于許多景物具有明顯的邊緣特征，所以人們?cè)谔幚碓擃悎D像時(shí)，希望能突出其邊緣信息，于是研發(fā)了各種邊緣增強(qiáng)圖像預(yù)處理算法。邊緣增強(qiáng)是指將圖像相鄰像元（或區(qū)域）的亮度值（或色調(diào)）相差較大的邊緣（即影像色調(diào)突變處或地物類型的邊界線）加以突出強(qiáng)調(diào)。經(jīng)邊緣增強(qiáng)后的圖像能更清晰地顯示不同物體類型、現(xiàn)象的邊界或線形影像的行跡，以便于對(duì)不同的物體類型進(jìn)行識(shí)別并圈定其分布范圍。3）灰度拉伸?；叶壤煊址Q為反差增強(qiáng)或?qū)Ρ榷仍鰪?qiáng)，是一種點(diǎn)處理方法，通過(guò)對(duì)像元亮度值（又稱為灰度級(jí)或灰度值）的變換來(lái)實(shí)現(xiàn)。在一些數(shù)字圖像中，目標(biāo)的灰度特征值變化很小，難以將其與背景灰度值區(qū)分開(kāi)；而通過(guò)擴(kuò)展目標(biāo)灰度特征的對(duì)比度，便可提高目標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)確性。對(duì)比度增強(qiáng)常采用直方圖錐形拉伸算法。任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用4）圖像分割。圖像分割就是把圖像分成若干個(gè)特定的、具有獨(dú)特性質(zhì)的區(qū)域，以便將目標(biāo)與背景有效分割，提出目標(biāo)并加以識(shí)別。5）形態(tài)學(xué)處理。形態(tài)學(xué)處理就是改變物體的形狀，比如腐蝕就是“變細(xì)”，膨脹就是“變粗”。這樣做的好處包括：消除噪聲；分割出獨(dú)立的圖像元素，在圖像中連接相鄰的元素；尋找圖像中明顯的極大值區(qū)域或極小值區(qū)域；求出圖像的梯度。任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用（3）特征提取。特征提取指的是使用計(jì)算機(jī)提取圖像信息，確定每個(gè)圖像的點(diǎn)是否屬于一個(gè)圖像特征。特征提取的結(jié)構(gòu)是把圖像上的點(diǎn)分為不同的子集，這些子集屬于孤立的點(diǎn)、連續(xù)的曲線或者連續(xù)的區(qū)域。特征的好壞對(duì)泛化性能有至關(guān)重要的影響。對(duì)于智能車(chē)輛進(jìn)行環(huán)境感知時(shí)需要識(shí)別的物體，形狀、面積、體積、顏色、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、對(duì)稱性、表面粗糙度、聲光反射性、穿透性等常是需要被提取的典型特征。任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用（4）目標(biāo)識(shí)別。目標(biāo)識(shí)別是指將一個(gè)特殊目標(biāo)（或一種類型的目標(biāo)）從其他目標(biāo)（或其他類型的目標(biāo)）中被區(qū)分出來(lái)的過(guò)程。車(chē)載單目視覺(jué)傳感器常用的目標(biāo)識(shí)別方法有特征匹配法、模型匹配法、學(xué)習(xí)識(shí)別法（機(jī)器學(xué)習(xí)）。任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用1）特征匹配法。特征匹配（FBM）是指將從影像中提取的特征作為共軛實(shí)體，將特征屬性或描述參數(shù)（實(shí)際上是特征的特征，也可以認(rèn)為是影像的特征）作為匹配實(shí)體，通過(guò)計(jì)算匹配實(shí)體之間的相似性測(cè)度實(shí)現(xiàn)共軛實(shí)體配準(zhǔn)的影像匹配方法。特征匹配的過(guò)程如圖3-28所示。任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用2）模型匹配法。提取訓(xùn)練樣本的特征作為識(shí)別特征；對(duì)訓(xùn)練樣本的識(shí)別特征用狀態(tài)空間模型建模；用期望最大化方法估計(jì)訓(xùn)練樣本狀態(tài)空間模型的所有參數(shù)，并將所有參數(shù)存入識(shí)別系統(tǒng)模板庫(kù)；提前測(cè)試樣本的識(shí)別特征，并對(duì)測(cè)試樣本的識(shí)別特征進(jìn)行識(shí)別。物體的結(jié)構(gòu)和形狀可以通過(guò)恰當(dāng)?shù)膸缀文Ｐ蛠?lái)表示，可預(yù)先基于特定信息制作相應(yīng)的模板，對(duì)獲取的圖像與模板進(jìn)行匹配尋找，將相關(guān)性最大的區(qū)域作為目標(biāo)存在區(qū)域。模型匹配的過(guò)程如圖3-29所示。任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用3）學(xué)習(xí)識(shí)別法（機(jī)器學(xué)習(xí)）。機(jī)器學(xué)習(xí)是指用某些算法指導(dǎo)計(jì)算機(jī)利用已知數(shù)據(jù)得出適當(dāng)?shù)哪Ｐ?，并利用此模型?duì)新的情境做出判斷的過(guò)程，是對(duì)人類學(xué)習(xí)過(guò)程的模擬。整個(gè)過(guò)程中最關(guān)鍵的是數(shù)據(jù)。機(jī)器學(xué)習(xí)主要研究的是如何通過(guò)經(jīng)驗(yàn)自動(dòng)改進(jìn)計(jì)算機(jī)算法、優(yōu)化計(jì)算機(jī)程序。機(jī)器學(xué)習(xí)算法分為3種：監(jiān)督學(xué)習(xí)、半監(jiān)督學(xué)習(xí)和無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)。任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用5.車(chē)載單目視覺(jué)傳感器的基本測(cè)距原理車(chē)載單目視覺(jué)傳感器的基本測(cè)距原理是先通過(guò)圖像匹配進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別（各種車(chē)型、行人、物體等），再通過(guò)圖像中目標(biāo)的大小估算目標(biāo)距離，如圖3-30所示。完成估算需要三大前提：龐大的樣本特征庫(kù)、準(zhǔn)確的相機(jī)標(biāo)定、強(qiáng)大的圖像識(shí)別算法。任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用二、車(chē)載雙目視覺(jué)傳感器1.車(chē)載雙目視覺(jué)傳感器概述雙目視覺(jué)傳感器是基于視差原理并利用成像設(shè)備從不同的位置獲取被測(cè)目標(biāo)的兩幅圖像，通過(guò)計(jì)算圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)間的位置偏差來(lái)獲取目標(biāo)的立體幾何信息。雙目視覺(jué)傳感器測(cè)量方法具有效率高、精度合適、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。如圖3-31所示為常用的車(chē)載雙目視覺(jué)傳感器。任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用2.車(chē)載雙目視覺(jué)傳感器的組成與應(yīng)用目前，車(chē)載雙目視覺(jué)傳感器主要應(yīng)用于機(jī)器人導(dǎo)航、微操作系統(tǒng)的參數(shù)檢測(cè)、三維測(cè)量、虛擬現(xiàn)實(shí)四大領(lǐng)域。如圖3-32所示為車(chē)載雙目視覺(jué)傳感器的成像過(guò)程，包括以下幾個(gè)方面：（1）圖像采集。要求相機(jī)絕對(duì)同步，圖像畫(huà)質(zhì)清晰，對(duì)比度高。（2）圖像校正。依據(jù)相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)對(duì)畸變圖像進(jìn)行平行等位校正，獲得無(wú)畸變且平行等位的左右圖像。任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用（3）雙目匹配。對(duì)校正后的圖像進(jìn)行匹配，獲得視差圖像，供后續(xù)算法使用。（4）ADAS功能。根據(jù)視差圖像進(jìn)行障礙物檢測(cè)預(yù)警和車(chē)道線檢測(cè)。任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用3.車(chē)載雙目視覺(jué)傳感器的工作原理如圖3-33所示，車(chē)載雙目視覺(jué)傳感器的攝像頭的工作原理與人眼相似，人眼能夠感知物體的遠(yuǎn)近，是由于兩只眼睛觀察同一個(gè)物體呈現(xiàn)的圖像時(shí)存在差異，稱為視差。視差的大小對(duì)應(yīng)著物體與眼睛之間距離的遠(yuǎn)近，物體距離越遠(yuǎn)，視差越??；反之，視差越大。車(chē)載雙目視覺(jué)傳感器通過(guò)對(duì)兩幅圖像視差的計(jì)算，得出前方障礙物與自身的距離，同時(shí)判斷出障礙物的類型，進(jìn)行必要的預(yù)警或制動(dòng)。任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用4.車(chē)載雙目視覺(jué)傳感器的工作過(guò)程車(chē)載雙目視覺(jué)傳感器的工作過(guò)程包括圖像獲取、相機(jī)標(biāo)定、圖像預(yù)處理、特征提取、立體匹配、立體還原、視頻分析。（1）相機(jī)標(biāo)定。在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中，為確定空間物體表面某點(diǎn)的三維幾何位置與其在圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的相互關(guān)系，必須建立相機(jī)成像的幾何模型，這些幾何模型參數(shù)就是相機(jī)參數(shù)，求解幾何模型參數(shù)的過(guò)程稱為相機(jī)標(biāo)定，如圖3-34所示。大多數(shù)條件下，這些參數(shù)必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)與計(jì)算才能獲得，其標(biāo)定結(jié)果的精度及算法的穩(wěn)定性直接影響相機(jī)的準(zhǔn)確性。任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用（2）立體匹配。立體匹配是指將三維空間中的一點(diǎn)A（x，y，z）在左、右攝像頭的成像平面Ci和Cr上的像點(diǎn)ai（ui，vi）和ar（ur，vr）對(duì)應(yīng)起來(lái)，ai和ar稱為對(duì)應(yīng)點(diǎn)，求取左、右成像平面之間對(duì)應(yīng)點(diǎn)的過(guò)程就是立體匹配。求取的方法是定義Ci和Cr的矢量為視差矢量d（dx，dy），其水平分量為dx=ui-ur，垂直分量為dy=vi-vr。視差矢量描述了左、右成像平面中對(duì)應(yīng)匹配點(diǎn)的相對(duì)位移，通過(guò)視差矢量即可從立體圖像對(duì)中的一幅圖像預(yù)測(cè)另一幅圖像，如圖3-35所示。任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用（3）立體還原。在傳統(tǒng)光學(xué)時(shí)代，景深是每個(gè)光學(xué)成像系統(tǒng)都存在的基本問(wèn)題，焦距、相對(duì)孔徑、倍率等性能參數(shù)都會(huì)影響景深。特別是在高倍放大的顯微成像領(lǐng)域，景深隨倍率增大而迅速變小，直至無(wú)法成像，因此只能分層看到物體，無(wú)法看到近與遠(yuǎn)的“縱深”影像。完成雙目視覺(jué)傳感器的相機(jī)標(biāo)定和立體匹配工作后，就可以利用多層掃描聚焦圖像合成技術(shù)對(duì)物體進(jìn)行立體還原。任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用（4）視頻分析。視頻分析是指利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)從圖像中監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)物體并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析、跟蹤或識(shí)別的技術(shù)。視頻分析技術(shù)能夠在圖像及圖像描述之間建立映射關(guān)系，從而使計(jì)算機(jī)能夠通過(guò)圖像處理和分析來(lái)理解畫(huà)面中的內(nèi)容，其實(shí)質(zhì)是“自動(dòng)分析和抽取視頻源中的關(guān)鍵信息”。常用的方法有背景刪除法和時(shí)間差分法。1）背景刪除法。背景刪除法是指對(duì)當(dāng)前圖像和背景圖像進(jìn)行差分處理，進(jìn)而檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)區(qū)域，該方法可以提供比較完整的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)特征數(shù)據(jù)，精確度和靈敏度比較高，具有良好的性能表現(xiàn)。任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用2）時(shí)間差分法。時(shí)間差分法是指利用視頻圖像特征，從連續(xù)得到的視頻流中提取所需的動(dòng)態(tài)目標(biāo)信息。時(shí)間差分法的實(shí)質(zhì)是通過(guò)對(duì)相鄰幀圖像相減來(lái)提取前景目標(biāo)移動(dòng)的信息，該方法不能完全提取所有相關(guān)特征像素的像素點(diǎn)，在運(yùn)動(dòng)實(shí)體內(nèi)部可能產(chǎn)生空洞。3）分析過(guò)程。系統(tǒng)首先進(jìn)行背景學(xué)習(xí)，之后進(jìn)入分析狀態(tài)，如圖3-36所示，如果前景出現(xiàn)移動(dòng)物體并在設(shè)置的區(qū)域內(nèi)，且目標(biāo)物體的大小滿足設(shè)置要求，系統(tǒng)會(huì)對(duì)該目標(biāo)進(jìn)行提取并跟蹤，然后根據(jù)預(yù)置的算法（入侵、遺留、盜竊等）觸發(fā)報(bào)警；其間，如果背景出現(xiàn)隨機(jī)景物，系統(tǒng)將啟動(dòng)預(yù)處理功能來(lái)過(guò)濾。在觸發(fā)報(bào)警之前，系統(tǒng)具有目標(biāo)識(shí)別功能，即將提取的目標(biāo)與已經(jīng)建立的模型進(jìn)行比對(duì)，并選擇最佳的匹配任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用3.車(chē)載雙目視覺(jué)傳感器的應(yīng)用車(chē)載雙目視覺(jué)傳感器主要應(yīng)用有目標(biāo)檢測(cè)、分類及測(cè)距，多目標(biāo)追蹤，通行空間及場(chǎng)景理解。（1）目標(biāo)檢測(cè)、分類及測(cè)距。目標(biāo)檢測(cè)，也叫目標(biāo)提取，可輸出被檢物的類別以及距離信息，包括車(chē)輛的3D信息和速度信息。目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)是一種基于目標(biāo)幾何和統(tǒng)計(jì)特征的圖像分割，將目標(biāo)的分割和識(shí)別合二為一，準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性較強(qiáng)。尤其是在復(fù)雜的場(chǎng)景中，需要對(duì)多目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理時(shí)，自動(dòng)提取和識(shí)別技術(shù)就顯得特別重要。任務(wù)三視覺(jué)傳感器的應(yīng)用（2）多目標(biāo)追蹤。多目標(biāo)跟蹤的主要任務(wù)是根據(jù)給定的圖像序列，找到序列中運(yùn)動(dòng)的物體，對(duì)不同幀的運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行識(shí)別，即給定一個(gè)準(zhǔn)確的ID，這些物體是任意的，如行人、車(chē)輛、動(dòng)物等。（3）場(chǎng)景理解及通行空間。場(chǎng)景理解是指以圖形及視頻為研究對(duì)象，分析場(chǎng)景和目標(biāo)之間的相互關(guān)系以及表達(dá)場(chǎng)景的方法和技術(shù)；通行空間是指系統(tǒng)輸出的車(chē)輛可以通行的安全區(qū)域，是對(duì)紅綠燈和交通標(biāo)志等場(chǎng)景的理解。智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)技術(shù)21世紀(jì)技能創(chuàng)新型人才培養(yǎng)系列教材·汽車(chē)系列主編王皓張春蓉項(xiàng)目四高精度定位與導(dǎo)航系統(tǒng)任務(wù)一高精地圖任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)任務(wù)三智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的導(dǎo)航系統(tǒng)及其檢修任務(wù)一高精度地圖一、基本概念高精度地圖在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的應(yīng)用，除了包括導(dǎo)航、路徑規(guī)劃外，還包括為環(huán)境感知系統(tǒng)提供先驗(yàn)知識(shí)，輔助車(chē)載傳感器達(dá)到高精度定位的標(biāo)準(zhǔn)。因此，高精度地圖已被認(rèn)為是L3級(jí)及以上自動(dòng)駕駛必備的關(guān)鍵技術(shù)。任務(wù)一高精度地圖與傳統(tǒng)地圖相比，高精度地圖的信息更加豐富，準(zhǔn)確性有了較大提升。高精度地圖包含以下信息：（1）道路參考線。為了實(shí)現(xiàn)車(chē)道級(jí)導(dǎo)航和路徑規(guī)劃功能，需要在原始地圖數(shù)據(jù)中抽象出道路結(jié)構(gòu)，形成由頂點(diǎn)組成的拓?fù)鋱D形結(jié)構(gòu)，同時(shí)為了優(yōu)化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，需要將道路以連續(xù)的曲線段表示。（2）道路連通性。除道路參考線外，高精度地圖還應(yīng)描述道路的連通性。例如路口沒(méi)有車(chē)道線的部分，需要將所有可能的行駛路徑抽象成道路參考線，在高精度地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中體現(xiàn)。任務(wù)一高精度地圖（3）車(chē)道模型。除了記錄道路參考線、車(chē)道邊緣（標(biāo)線）和停車(chē)線外，高精度地圖數(shù)據(jù)庫(kù)還需要記錄無(wú)車(chē)道道路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、車(chē)道數(shù)、道路坡度、功能屬性等。（4）對(duì)象模型。對(duì)象模型可記錄道路和車(chē)道行駛空間范圍邊界區(qū)域的元素，包括對(duì)象的位置、形狀和屬性值，任務(wù)一高精度地圖高精度地圖在智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的應(yīng)用領(lǐng)域，如路徑規(guī)劃與決策、高精度定位輔助、環(huán)境感知輔助等環(huán)節(jié)均發(fā)揮了重要作用。（1）路徑規(guī)劃與決策。高精度地圖可看作超視距傳感器，能夠識(shí)別極遠(yuǎn)距離的道路交通信息，可用于智能駕駛系統(tǒng)的全局路徑規(guī)劃，還可以對(duì)局部路徑的規(guī)劃和優(yōu)化提供輔助。（2）高精度定位輔助。高精度地圖能識(shí)別并提供道路中的特征物（如標(biāo)識(shí)牌、龍門(mén)架等）的尺寸、形狀、高精度位置等語(yǔ)義信息，車(chē)載傳感器檢測(cè)到特征物時(shí)，就可以根據(jù)特征物信息去比對(duì)匹配內(nèi)存的語(yǔ)義信息，通過(guò)車(chē)輛和特征物之間的相對(duì)位置推測(cè)當(dāng)前車(chē)輛的高精度位置信息，如圖4-3所示。任務(wù)一高精度地圖（3）環(huán)境感知輔助。高精度地圖可以提高自動(dòng)駕駛汽車(chē)的數(shù)據(jù)處理速率，車(chē)輛在感知重構(gòu)周?chē)娜S環(huán)境時(shí)，將高精度地圖作為內(nèi)存知識(shí)庫(kù)，縮小數(shù)據(jù)處理時(shí)的搜索空間。詳細(xì)標(biāo)記高精度三維地圖上的道路信息，可以為自動(dòng)駕駛汽車(chē)的感知系統(tǒng)提供信息感知識(shí)別輔助，優(yōu)化感知系統(tǒng)的計(jì)算效率，提高識(shí)別精度，減少錯(cuò)誤識(shí)別的發(fā)生概率。任務(wù)一高精度地圖高精度三維地圖是在高精度地圖的靜態(tài)地圖信息的基礎(chǔ)上主動(dòng)添加動(dòng)態(tài)交通信息的地圖，如圖4-4所示。這些動(dòng)態(tài)的交通信息包含交通擁堵情況、道路施工、事故、交通管制以及天氣等。不同于如道路翻修、交通標(biāo)志磨損、車(chē)道線重新刷涂、交通標(biāo)志的改變等準(zhǔn)靜態(tài)交通信息，動(dòng)態(tài)交通信息可以通過(guò)定期對(duì)高精度地圖進(jìn)行更新來(lái)完成。任務(wù)一高精度地圖任務(wù)一高精度地圖二、高精度地圖的生產(chǎn)與采集生產(chǎn)高精度地圖，需要提高數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)效率和機(jī)器可讀性，地圖的存儲(chǔ)分為矢量層和對(duì)象層。在生產(chǎn)高精度地圖的過(guò)程中，通過(guò)提取車(chē)輛傳感器的數(shù)據(jù)采集單元可得到高精度地圖的信息特征值，生成特征地圖；進(jìn)一步提取、處理和矢量標(biāo)注，可得到道路網(wǎng)絡(luò)信息、道路屬性、幾何信息以及道路主要標(biāo)志的抽象信息。高精度地圖的生產(chǎn)過(guò)程如圖4-5所示。任務(wù)一高精度地圖任務(wù)一高精度地圖高精度地圖的數(shù)據(jù)采集方法如下：（1）實(shí)地采集，一般稱為“外業(yè)”。實(shí)地采集作為制作高精度地圖的第一步，主要通過(guò)采集車(chē)的實(shí)地操作完成。核心設(shè)備是激光雷達(dá)、高精度差分-慣導(dǎo)-衛(wèi)星定位系統(tǒng)。激光的反射可以形成點(diǎn)云，從而完成對(duì)環(huán)境中各種物體的采集，再通過(guò)高精度定位系統(tǒng)把行駛軌跡和環(huán)境中各種物體的高精度位置信息記錄下來(lái)。（2）加工，一般稱為“內(nèi)業(yè)”。加工是指對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，對(duì)高精度地圖所需要的信息進(jìn)行提取和表達(dá)，進(jìn)而形成高精度地圖的數(shù)據(jù)庫(kù)。加工方法包括：人工處理、深度的學(xué)習(xí)感知算法等，如圖4-6所示。任務(wù)一高精度地圖任務(wù)一高精度地圖集的數(shù)據(jù)完整性不足，則需要更為復(fù)雜的算法來(lái)補(bǔ)充數(shù)據(jù)的缺陷，反而容易產(chǎn)生更大的誤差。所以，在實(shí)地采集中，通常選擇較好的采集設(shè)備，其主要目的就是確保采集的數(shù)據(jù)的精確性，提高數(shù)據(jù)利用率。如圖4-7所示為高級(jí)地圖采集設(shè)備，包括衛(wèi)星定位系統(tǒng)、激光雷達(dá)、慣性導(dǎo)航與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等。任務(wù)一高精度地圖（3）實(shí)時(shí)更新。隨著時(shí)間的推移，道路會(huì)因?yàn)槠茡p、翻修、路線規(guī)劃等原因發(fā)生變化。為了確保高精度地圖可靠、有效，需要及時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行更新，這也是高精度地圖的重要維護(hù)工作，更新模式包括眾包和與交管部門(mén)合作等。如圖4-8所示為基于智能網(wǎng)聯(lián)交通系統(tǒng)的高精度地圖更新模式。任務(wù)一高精度地圖任務(wù)一高精度地圖三、高精度地圖的其他形式1.眾包數(shù)據(jù)形式的高精度地圖對(duì)于需求急迫、前景廣闊的高精度地圖市場(chǎng)，傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)采集模式存在更新周期長(zhǎng)、生產(chǎn)及維護(hù)困難的問(wèn)題，而且實(shí)際應(yīng)用中也受到各類政策及法規(guī)的限制。隨著技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了一種通過(guò)眾包數(shù)據(jù)構(gòu)建高精度地圖的模式，該模式除了能夠降低成本外，還能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)更新，有著很大的優(yōu)勢(shì)。任務(wù)一高精度地圖目前，視覺(jué)算法與芯片供應(yīng)商Mobileye、零部件供貨商博世公司分別向市場(chǎng)呈現(xiàn)了其Roadbook和REM的眾包高精度地圖技術(shù)方案，這些方案通過(guò)安裝了車(chē)載傳感器的智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)收集行駛路況和道路環(huán)境特征，進(jìn)行深度學(xué)習(xí)和圖像識(shí)別運(yùn)算，轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，生成高精度地圖的眾包信息單元。數(shù)據(jù)取之于用戶，用之于用戶。該眾包模式不僅可以使得此類車(chē)輛的用戶擁有高精度地圖的使用權(quán)限，還可以享受高精度定位服務(wù)。現(xiàn)在，通用、日產(chǎn)、豐田、上汽等車(chē)輛主機(jī)廠均積極地采用眾包采集方式為各自旗下的汽車(chē)提供相關(guān)的服務(wù)。任務(wù)一高精度地圖2.地圖的構(gòu)建與實(shí)時(shí)定位地圖的構(gòu)建與實(shí)時(shí)定位（SimultaneousLocalizationandMapping，SLAM）是一種在機(jī)器人領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的地圖構(gòu)建與實(shí)時(shí)定位技術(shù)，該技術(shù)使用激光、視覺(jué)、紅外感應(yīng)等傳感技術(shù)，把機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中獲得的檢測(cè)環(huán)境信號(hào)傳回中樞運(yùn)算系統(tǒng)。在智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)領(lǐng)域，該技術(shù)用于識(shí)別行駛過(guò)程中不同時(shí)刻的環(huán)境特征信息，并進(jìn)行拼接，然后對(duì)行駛環(huán)境進(jìn)行基于當(dāng)前傳感器信息的描述。這便是高精度地圖的構(gòu)建過(guò)程。任務(wù)一高精度地圖目前，高精度地圖的商業(yè)化應(yīng)用尚未成熟，大批創(chuàng)新企業(yè)和科研單位正在這個(gè)技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行研究與探索。其中，使用SLAM構(gòu)建的高精度地圖傳感器主要有視覺(jué)傳感器和激光雷達(dá)，這類傳感器有著共同的特征：能夠獲取足夠豐富的環(huán)境信息，特別是行駛環(huán)境中的事物輪廓點(diǎn)云，使在兩個(gè)連續(xù)時(shí)刻采集的環(huán)境信息中有足夠豐富的特征點(diǎn)值用于拼接和匹配。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)一、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)1.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的分類全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）給航海、航空以及人們的日常生活帶來(lái)了巨大的變革。該系統(tǒng)是由多個(gè)可以覆蓋全球的衛(wèi)星所組成的衛(wèi)星系統(tǒng)，能保證地球上的任意一點(diǎn)在任意時(shí)刻都能觀測(cè)到4顆衛(wèi)星，從而獲得觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度及高度，進(jìn)而為用戶提供三維位置和速度等信息，實(shí)現(xiàn)全球?qū)Ш健⒍ㄎ?、定時(shí)等功能。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)目前，全球有三大導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)：美國(guó)的GPS（GlobalPositioningSystem，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）、俄羅斯的GLONASS（GlobalNavigationSatelliteSystem，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）、歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)使用最為廣泛的是美國(guó)的GPS。20世紀(jì)70年代初，美國(guó)國(guó)防部設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了該系統(tǒng)，并在1993年建成投入使用。GPS包含24顆衛(wèi)星，它們均勻地分布在地球的6個(gè)軌道面上，傾角為55°，軌道面間相距60°，也就是說(shuō)軌道的高度是60°。在各軌道面上，衛(wèi)星間的仰角間隔為90°，一個(gè)軌道面上的衛(wèi)星比其相鄰軌道面上相應(yīng)的衛(wèi)星提前30°，如圖4-9所示。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)20世紀(jì)90年代后期，我國(guó)開(kāi)始著手探索適合中國(guó)國(guó)情的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展道路，已經(jīng)逐步形成了我國(guó)導(dǎo)航衛(wèi)星事業(yè)的“三步走”戰(zhàn)略：在2000年底，建成“北斗一號(hào)”系統(tǒng)，向中國(guó)提供服務(wù)；2012年底，建成“北斗二號(hào)”系統(tǒng)，向亞太地區(qū)提供服務(wù)；在2020年前后，建成“北斗導(dǎo)航系統(tǒng)”，向全球提供衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)；預(yù)計(jì)在2035年前建成更加完善、融合、智能的綜合時(shí)空體系。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)2.GPS的構(gòu)成（1）GPS是由地面控制部分、空間部分和終端用戶設(shè)備部分組成的。1）地面控制部分。GPS的地面控制部分包括主控站（負(fù)責(zé)管理、協(xié)調(diào)整個(gè)地面控制系統(tǒng)的工作）、注入站（在主控站的控制下，向衛(wèi)星注入導(dǎo)航信息）、監(jiān)測(cè)站（數(shù)據(jù)自動(dòng)收集中心）和通信輔助系統(tǒng)（數(shù)據(jù)傳輸），如圖4-10所示。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)GPS地面控制部分又稱運(yùn)控系統(tǒng)（OCS），由遍布全世界的地面站組成，包括1個(gè)位于美國(guó)范登堡空軍基地的主控站（MCS），5個(gè)分別位于夏威夷島、范登堡空軍基地、阿森松島、迭戈加西亞島以及夸賈林島的監(jiān)控站，3個(gè)用于給在軌衛(wèi)星上傳信息的大型地面天線站。地面控制部分主要用于收集在軌衛(wèi)星運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算導(dǎo)航信息，診斷系統(tǒng)狀態(tài)，調(diào)度衛(wèi)星。地面控制部分的另一個(gè)重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，即GPS時(shí)，這就需要地面控制部分監(jiān)測(cè)各顆衛(wèi)星的星載原子鐘信息，求出鐘差，然后由注入站發(fā)給衛(wèi)星，衛(wèi)星再通過(guò)導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)①主控站。主控站擁有以大型計(jì)算機(jī)為主體的數(shù)據(jù)收集、計(jì)算、傳輸、診斷等設(shè)備，對(duì)地面控制系統(tǒng)實(shí)行全面控制，主要任務(wù)是收集并處理各監(jiān)測(cè)站對(duì)GPS衛(wèi)星的全部觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括各監(jiān)測(cè)站測(cè)得的距離和距離差、氣象要素、衛(wèi)星時(shí)鐘和工作狀況等，以及監(jiān)測(cè)站自身的狀態(tài)，然后根據(jù)收集的數(shù)據(jù)及時(shí)計(jì)算每顆GPS衛(wèi)星的星歷、時(shí)鐘改正值、狀態(tài)數(shù)據(jù)以及信號(hào)的大氣傳播改正，并按一定格式編制成導(dǎo)航電文，傳送到注入站。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)②監(jiān)控站。監(jiān)控站安裝有高精度原子鐘、高精度GPS用戶接收機(jī)，用于監(jiān)控整個(gè)地面控制系統(tǒng)是否工作正常，檢驗(yàn)注入衛(wèi)星的導(dǎo)航電文是否正確，監(jiān)測(cè)衛(wèi)星是否將導(dǎo)航電文發(fā)出；調(diào)度備用衛(wèi)星替代失效的工作衛(wèi)星，將偏離軌道的衛(wèi)星“拉回”正常軌道；采集氣象要素等數(shù)據(jù)，并將它們發(fā)送給主控站。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)③注入站。范登堡空軍基地監(jiān)控站同時(shí)具有信息上注功能，又稱注入站，它的任務(wù)主要是在每顆衛(wèi)星運(yùn)行至上空時(shí)把導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站的指令注入衛(wèi)星，在每顆GPS衛(wèi)星離開(kāi)注入站作用范圍之前進(jìn)行最后的信息注入。④通信輔助系統(tǒng)。衛(wèi)星通信是指在衛(wèi)星上安裝一個(gè)具有一定功率的轉(zhuǎn)發(fā)器，對(duì)地面的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行恰當(dāng)處理，并傳送到另一地點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)及以上地點(diǎn)之間的通信。汽車(chē)上的導(dǎo)航定位信息通信通常要基于地理信息系統(tǒng)，地理信息系統(tǒng)是較為專業(yè)的空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，該技術(shù)可以用于勘探、測(cè)繪以及路線規(guī)劃等。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)2）空間部分。GPS的空間部分是由24顆衛(wèi)星組成的，位于距地表20200km的上空，運(yùn)行周期為12h。衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道面上，軌道傾角為55°。每個(gè)工作的衛(wèi)星可發(fā)射導(dǎo)航信號(hào)和定位信號(hào)，終端用戶可以利用這些信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航與定位。由于大氣摩擦等問(wèn)題，隨著時(shí)間的推移，GPS的導(dǎo)航精度會(huì)逐漸降低。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)3）終端用戶設(shè)備部分。終端用戶設(shè)備部分即GPS信號(hào)接收機(jī)，其主要功能是捕獲按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行。當(dāng)接收機(jī)捕獲到衛(wèi)星信號(hào)后，就可測(cè)量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)（2）GPS導(dǎo)航和定位過(guò)程中的誤差處理。GPS導(dǎo)航和定位過(guò)程中出現(xiàn)的各種誤差，根據(jù)來(lái)源可分為三類：與衛(wèi)星有關(guān)的誤差；與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差；與接收機(jī)有關(guān)的誤差。這些誤差對(duì)GPS定位的影響各不相同，且誤差的大小還與衛(wèi)星的位置、待定點(diǎn)的位置、接收機(jī)設(shè)備、觀測(cè)時(shí)間、大氣環(huán)境以及地理環(huán)境等因素有關(guān)。具體處理時(shí)，針對(duì)不同的誤差采用不同的方法。此外，由于使用的不是同步衛(wèi)星，因此必須對(duì)衛(wèi)星時(shí)間進(jìn)行修正。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)3.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeidouNavigationSatelliteSystem，BDS）是我國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其標(biāo)識(shí)如圖4-11所示。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，是可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)的國(guó)家重要時(shí)空基礎(chǔ)設(shè)施，并且具備短報(bào)文通信能力。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)（1）空間段。北斗系統(tǒng)空間段由若干地球靜止軌道衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和中圓地球軌道衛(wèi)星等組成。（2）地面段。北斗系統(tǒng)地面段包括主控站、時(shí)間同步/注入站和監(jiān)測(cè)站等若干地面站，以及星間鏈路運(yùn)行管理設(shè)施。（3）用戶段。北斗系統(tǒng)用戶段包括北斗兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線等基礎(chǔ)產(chǎn)品，以及終端產(chǎn)品、應(yīng)用系統(tǒng)與應(yīng)用服務(wù)等。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）北斗系統(tǒng)空間段采用的是3種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，北斗系統(tǒng)的高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力更強(qiáng)，尤其在低緯度地區(qū)性能特點(diǎn)更為明顯。（2）北斗系統(tǒng)提供多個(gè)頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號(hào)，能夠通過(guò)多頻信號(hào)組合等方式提高服務(wù)精度。（3）北斗系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力，具有實(shí)時(shí)導(dǎo)航、快速定位、精確授時(shí)、位置報(bào)告和短報(bào)文通信服務(wù)五大功能。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)4.現(xiàn)階段全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的基本原理現(xiàn)階段全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)主要是利用衛(wèi)星作為參考基點(diǎn)，測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，同時(shí)在地面上進(jìn)行三角交叉測(cè)量，進(jìn)而計(jì)算得出接收機(jī)位置。通過(guò)測(cè)量未知點(diǎn)與已知衛(wèi)星間的瞬時(shí)間距實(shí)現(xiàn)定位，具體測(cè)量方法有虛擬距離觀測(cè)法和載波相位觀測(cè)法。因?yàn)檩d波相位測(cè)量的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于虛擬距離測(cè)量的精度，所以載波相位觀測(cè)法主要用于高精度測(cè)量。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)測(cè)量計(jì)算的基本原理是三球交會(huì)定位原理，如圖4-12所示。衛(wèi)星發(fā)射測(cè)距信號(hào)和導(dǎo)航電文，導(dǎo)航電文中含有衛(wèi)星的位置信息。用戶接收機(jī)在某一時(shí)刻同時(shí)接收3顆以上衛(wèi)星的信號(hào)，進(jìn)而測(cè)量出測(cè)站點(diǎn)（用戶接收機(jī)）至3顆衛(wèi)星的距離，解算出衛(wèi)星的空間坐標(biāo)，再利用距離交會(huì)法（從兩個(gè)已知點(diǎn)測(cè)量至某一待測(cè)點(diǎn)的距離，然后根據(jù)這兩段距離的交點(diǎn)確定該待測(cè)點(diǎn)）解算出測(cè)站點(diǎn)的位置。整個(gè)過(guò)程就是三球交會(huì)定位原理在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域中的體現(xiàn)。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)目前，GPS、GLONASS、伽利略和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位原理是相同的，均采用三球交會(huì)定位基本原理，具體流程如下：（1）用戶測(cè)量出自身到3顆衛(wèi)星的距離。（2）衛(wèi)星的精確位置已知，通過(guò)電文播發(fā)給用戶。（3）以衛(wèi)星為球心、衛(wèi)星至用戶的距離為半徑畫(huà)球面。（4）3個(gè)球面相交得到2個(gè)點(diǎn)，根據(jù)地理常識(shí)排除一個(gè)不合理點(diǎn)，即得用戶位置。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)5.衛(wèi)星導(dǎo)航定位與慣性導(dǎo)航的聯(lián)合全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的定位系統(tǒng)，具有應(yīng)用便捷、成本低等特點(diǎn)，且定位精度較好，可以達(dá)到5m。但是應(yīng)用的普遍性也使該系統(tǒng)易受到干擾，在動(dòng)態(tài)變化的使用場(chǎng)景中可靠性降低、數(shù)據(jù)的傳輸頻率降低，在高層建筑中衛(wèi)星信號(hào)較易受阻。倘若能將衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有機(jī)融合起來(lái)，則兩個(gè)系統(tǒng)可以相互補(bǔ)充、相輔相成，形成高效、可靠、穩(wěn)定的融合系統(tǒng)。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)二、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)1.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理與結(jié)構(gòu)組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（InertialNavigationSystem，INS）也稱作慣性參考系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱慣導(dǎo)系統(tǒng)，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，通過(guò)慣性測(cè)量組件（IMU）測(cè)量載體相對(duì)慣性空間的角速率和加速度信息，利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律自動(dòng)推算載體的瞬時(shí)速度和位置信息。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)包括平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)。平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)是將陀螺儀和加速度計(jì)等慣性元件通過(guò)萬(wàn)向支架角運(yùn)動(dòng)隔離系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)載物固聯(lián)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)是將慣性測(cè)量元件（陀螺儀和加速度計(jì)）直接安裝在諸如需要姿態(tài)、速度、航向等導(dǎo)航信息的主體上，用計(jì)算機(jī)把測(cè)量信號(hào)變換為導(dǎo)航參數(shù)的一種導(dǎo)航技術(shù)。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通常由慣性測(cè)量裝置、計(jì)算機(jī)、控制顯示器等組成。慣性測(cè)量裝置包括陀螺儀和加速度計(jì)，又稱慣性導(dǎo)航組合。3個(gè)自由度陀螺儀用來(lái)測(cè)量飛行器的3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)；3個(gè)加速度計(jì)用來(lái)測(cè)量飛行器的3個(gè)平移運(yùn)動(dòng)的加速度。計(jì)算機(jī)根據(jù)測(cè)得的加速度信息計(jì)算飛行器的速度和位置數(shù)據(jù)?？刂骑@示器顯示各種導(dǎo)航參數(shù)。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)（1）陀螺儀。陀螺儀是慣性系統(tǒng)的主要元件，結(jié)構(gòu)如圖4-13所示。

陀螺儀具有定軸性和進(jìn)動(dòng)性，人們利用這些特性制成了敏感角速度的速率陀螺和敏感角位移的位置陀螺。由于光學(xué)技術(shù)、MEMS技術(shù)等被引入陀螺儀的研制，現(xiàn)在習(xí)慣上把能夠完成陀螺功能的裝置統(tǒng)稱為陀螺儀。陀螺儀種類較多，按陀螺轉(zhuǎn)子主軸所具有的進(jìn)動(dòng)自由度數(shù)目可分為二自由度陀螺儀和單自由度陀螺儀；按支撐系統(tǒng)可分為滾珠軸承支撐陀螺，液浮、氣浮與磁浮陀螺，撓性陀螺（動(dòng)力調(diào)諧式撓性陀螺儀），靜電陀螺；按物理原理分為利用高速旋轉(zhuǎn)體物理特性工作的轉(zhuǎn)子式陀螺，利用其他物理原理工作的半球諧振陀螺、微機(jī)械陀螺、環(huán)形激光陀螺和光纖陀螺等。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)單自由度陀螺儀敏感角速度，二自由度陀螺儀敏感角位移。為了將角速度和角位移轉(zhuǎn)換成慣性系統(tǒng)中可用的信號(hào)，需在陀螺儀上安裝信號(hào)傳感器；為了能控制陀螺儀按一定的規(guī)律進(jìn)動(dòng)，需在陀螺儀上安裝力矩器。（2）加速度計(jì)。加速度計(jì)是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心元件之一，可幫助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)確定載體的位置、速度以及產(chǎn)生跟蹤信號(hào)。載體加速度的測(cè)量必須十分準(zhǔn)確，且要在由陀螺穩(wěn)定的參考坐標(biāo)系中進(jìn)行。在不需要進(jìn)行高度控制的慣導(dǎo)系統(tǒng)中，兩個(gè)加速度計(jì)即可完成以上任務(wù)。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)加速度計(jì)的分類：按輸入與輸出的關(guān)系可分為普通型、積分性和二次積分型；按物理原理可分為擺式和非擺式，擺式加速度計(jì)包括擺式積分加速度計(jì)、液浮擺式加速度計(jì)和撓性擺式加速度計(jì)，非擺式加速度計(jì)包括振梁加速度計(jì)和靜電加速度計(jì)；按測(cè)量的自由度可分為單軸、雙軸、三軸；按測(cè)量精度可分為高精度（優(yōu)于10?4m/s2）、中精度（10-2m/s2～10-3m/s2）和低精度（低于0.1m/s2）。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)在慣性導(dǎo)航的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，該系統(tǒng)既不向載體外部發(fā)送信號(hào)，也不接收外部環(huán)境的信號(hào)，它是一種完全自動(dòng)的導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)還可協(xié)助接收器天線與導(dǎo)航衛(wèi)星定位校準(zhǔn)，進(jìn)而減少干擾對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的影響。針對(duì)導(dǎo)航載波相位測(cè)量，慣性導(dǎo)航能夠很好地解決衛(wèi)星定位時(shí)的周期跳變和信號(hào)缺失后全周模糊度參數(shù)的重新計(jì)算問(wèn)題。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)如下：（1）由于該系統(tǒng)是不依賴任何外部信息、不向外部輻射能量的自主式系統(tǒng)，故隱蔽性好、不受外界電磁干擾的影響。（2）可全天候、全球、全時(shí)間地工作于空中、地球表面乃至水下。（3）能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，產(chǎn)生的導(dǎo)航信息的連續(xù)性好且噪聲低。（4）數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的缺點(diǎn)如下：（1）導(dǎo)航信息需經(jīng)過(guò)積分產(chǎn)生，定位誤差隨時(shí)間增大，長(zhǎng)期精度差。（2）每次使用之前需要較長(zhǎng)的初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間。（3）設(shè)備價(jià)格較昂貴。（4）不能給出時(shí)間信息。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)2.INS和GNSS組合導(dǎo)航技術(shù)的原理與應(yīng)用組合導(dǎo)航技術(shù)是指采用兩種或兩種以上的非相似導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)同一信息進(jìn)行測(cè)量，從測(cè)量數(shù)據(jù)中計(jì)算出各導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差，并進(jìn)行校正的導(dǎo)航技術(shù)。采用組合導(dǎo)航技術(shù)的系統(tǒng)稱為組合導(dǎo)航系統(tǒng)。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)INS是利用安裝在載體上的敏感慣性元件檢測(cè)載體的運(yùn)動(dòng)情況，然后將載體的姿態(tài)和位置信息輸出，具有很強(qiáng)的自主性、保密性和靈活