智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)：第2章 智能網(wǎng)聯(lián)汽車智能傳感器技術(shù)

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頁第2章智能網(wǎng)聯(lián)汽車智能傳感器技術(shù)2.1超聲波雷達2.2毫米波雷達2.3激光雷達2.4視覺傳感器2.5傳感器融合技術(shù)2.6智能傳感器配置實例

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頁2.1超聲波雷達——定義聲波是一種在氣體、液體、固體中傳播的彈性波。分為次聲波（f＜20Hz）、聲波（20Hz≤f≤20kHz）和超聲波（f>20kHz）。聲波是人耳能聽到的聲音；次聲波和超聲波是人耳聽不到的聲音。超聲波雷達也稱超聲波傳感器，它是利用超聲波特性研制而成，是在超聲波頻率范圍內(nèi)將交變的電信號轉(zhuǎn)換成聲信號或?qū)⑼饨缏晥鲋械穆曅盘栟D(zhuǎn)換為電信號的能量轉(zhuǎn)換器件。2.1超聲波雷達——定義2024/9/6超聲波雷達在汽車上經(jīng)常用于倒車，所以也稱倒車雷達2.1超聲波雷達——特點2024/9/6（1）超聲波雷達的頻率都相對固定，例如汽車上用的超聲波雷達，頻率有40kHz、48kHz和58kHz等，頻率不同，探測的范圍也不同。（2）超聲波雷達結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，信息處理簡單可靠，易于小型化與集成化，并且可以進行實時控制。（3）超聲波雷達靈敏度較高。（4）超聲波雷達抗環(huán)境干擾能力強，對天氣變化不敏感。（5）超聲波雷達可在室內(nèi)、黑暗中使用。2.1超聲波雷達——特點2024/9/6（1）探測距離短，一般為3~5m，因此應(yīng)用范圍受到限制。（2）適合于低速，在速度很高的情況下測量距離具有一定的局限性。（3）超聲波有一定的擴散角，只能測量距離，不可以測量方位，所以只能在低速時使用，而且必須在汽車的前、后保險杠不同方位上安裝多個超聲波雷達。（4）對于低矮、圓錐、過細的障礙物或者溝坎，超聲波雷達不容易探測到。（5）超聲波雷達存在盲區(qū)。2.1超聲波雷達——組成2024/9/6超聲波雷達內(nèi)部有一個發(fā)射頭和一個接收頭，安裝在同一面上。在有效的檢測距離內(nèi)，發(fā)射頭發(fā)射特定頻率的超聲波，遇到檢測面反射部分超聲波；接收頭接收返回的超聲波，由芯片記錄聲波的往返時間，并計算出距離值；超聲波雷達可以通過模擬接口和IIC接口兩種方式將數(shù)據(jù)傳輸給控制單元2.1超聲波雷達——原理2024/9/6發(fā)射頭發(fā)出的超聲波脈沖，經(jīng)媒質(zhì)（空氣）傳到障礙物表面，反射后通過媒質(zhì)（空氣）傳到接收頭，測出超聲脈沖從發(fā)射到接收所需的時間，根據(jù)媒質(zhì)中的聲速，求得從探頭到障礙物表面之間的距離。L＝vt/22.1超聲波雷達——技術(shù)參數(shù)2024/9/61．測量距離——取決于其使用的波長和頻率；波長越長，頻率越小，測量距離越大。測量汽車前后障礙物的短距超聲波雷達測量距離一般為0.15~2.50m；安裝在汽車側(cè)面、用于測量側(cè)方障礙物距離的長距超聲波雷達測量距離一般為0.30~5.0m。2．測量精度——傳感器測量值與真實值的偏差。超聲波雷達測量精度主要受被測物體體積、表面形狀、表面材料等影響。測量精度越高，感知信息越可靠。測量精度要求在±10cm以內(nèi)。2.1超聲波雷達——技術(shù)參數(shù)2024/9/63．探測角度——水平視場角和垂直視場角。2.1超聲波雷達——技術(shù)參數(shù)2024/9/64．工作頻率——發(fā)射頻率要求是40±2kHz，這樣傳感器方向性尖銳，且避開了噪聲，提高了信噪比。5.工作溫度——由于超聲波雷達應(yīng)用廣泛，有的應(yīng)用場景要求溫度很高，有的應(yīng)用場景要求溫度很低，因此，超聲波雷達必須滿足工作溫度的要求。工作溫度一般要求-30℃~+80℃。2.1超聲波雷達——產(chǎn)品2024/9/6駐車輔助傳感器（UPA）0.15~2.5m泊車輔助傳感器（APA）0.3~5m2.1超聲波雷達——應(yīng)用2024/9/6自動泊車輔助系統(tǒng)——SAEL2級2.2毫米波雷達——定義毫米波是指波長為1~10mm的電磁波，對應(yīng)的頻率范圍為30~300GHz。毫米波雷達是工作在毫米波頻段的雷達，它通過發(fā)射與接收高頻電磁波來探測目標，后端信號處理模塊利用回波信號計算出目標的距離、速度和角度等信息2024/9/62.2毫米波雷達——特點（1）探測距離遠，可達200m以上。（2）探測性能好，金屬電磁反射強，其探測不受顏色與溫度的影響。（3）響應(yīng)速度快，傳播速度與光速一樣，可以快速地測量出目標的距離、速度和角度等信息。（4）適應(yīng)能力強。毫米波具有很強的穿透能力，在雨、雪、大霧等惡劣天氣依然可以正常工作。（5）抗干擾能力強，一般工作在高頻段，而周圍噪聲和干擾處于中低頻區(qū)，基本上不會影響毫米波雷達的正常運行2024/9/62.2毫米波雷達——特點（1）毫米波雷達是利用目標對電磁波的反射來發(fā)現(xiàn)并測定目標位置，而充滿雜波的外部環(huán)境給毫米波雷達感知帶來經(jīng)常帶來虛警問題。（2）覆蓋區(qū)域呈扇形，有盲點區(qū)域。（3）無法識別交通標志和交通信號燈。（4）無法識別道路標線。2024/9/62.2毫米波雷達——組成在工作狀態(tài)時，發(fā)射模塊通過天線將電信號（電能）轉(zhuǎn)化為電磁波發(fā)出；接收模塊接收到射頻信號后，將射頻電信號轉(zhuǎn)換為低頻信號；再由信號處理模塊從信號中獲取距離、速度和角度等信息。必要條件還在于軟件算法的實現(xiàn)。2024/9/62.2

毫米波雷達——工作過程2024/9/62.2

毫米波雷達——測量原理多普勒效應(yīng)是當目標相對于輻射源發(fā)生運動時，目標對回波信號產(chǎn)生調(diào)制作用從而使回波信號中心頻率發(fā)生偏移的現(xiàn)象2024/9/62.2

毫米波雷達——測量原理2024/9/62.2

毫米波雷達——測量原理2024/9/62.2毫米波雷達——技術(shù)參數(shù)（1）最大探測距離——所能檢測目標的最大距離。（2）距離分辨率——在規(guī)定條件下，能區(qū)分前后臨近兩個目標的最小距離間隔。（3）距離靈敏度——單目標的距離變化時，可探測的最小絕對變化距離值。（4）距離測量精度——測量單目標時，目標距離的測量值與其真值之差。（5）最大探測速度——能夠探測目標的最大速度。2024/9/62.2毫米波雷達——技術(shù)參數(shù)（6）速度分辨率——區(qū)分兩個同一位置的目標速度的能力（7）速度靈敏度——單目標的速度變化時，可探測的最小絕對變化速度值。（8）速度測量精度——測量單目標時，目標速度的測量值與其真值之差。（9）視場角——有效識別目標的探測范圍，分為水平視場角和垂直視場角。（10）角度分辨率——在規(guī)定條件下，能區(qū)分左右臨近兩個目標的最小角度間隔。2024/9/62.2毫米波雷達——技術(shù)參數(shù)（11）角度靈敏度——單目標的角度變化時，可探測的最小絕對變化角度值。（12）角度測量精度——測量單目標時，目標角度的測量值與其真值之差。（13）識別率——正確識別目標信息的程度。（14）誤檢率——將目標識別為一個錯誤目標的比例。（15）漏檢率——未能識別目標報文的比例。2024/9/62.2毫米波雷達——類型近距離（SRR）毫米波雷達一般探測距離小于60m中距離（MRR）毫米波雷達一般探測距離為100m左右；遠距離（LRR）毫米波雷達探測距離一般大于200m。有的企業(yè)只分為近距離雷達和遠距離雷達，具體探測距離以產(chǎn)品說明書為準。2024/9/62.2毫米波雷達——類型劃分有24GHz、60GHz、77GHz和79GHz毫米波雷達，主流可用頻段為24GHz和77GHz；距離分辨率和精度將會提高約20倍。例如，24GHz毫米波雷達的距離分辨率為75cm，而77GHz毫米波雷達則提高到4cm，可以更好地探測多個彼此靠近的目標。2024/9/62.2

毫米波雷達——產(chǎn)品2024/9/62.2

毫米波雷達——產(chǎn)品2024/9/62.2

毫米波雷達——產(chǎn)品2024/9/62.2

毫米波雷達——產(chǎn)品2024/9/62.2

毫米波雷達——產(chǎn)品2024/9/62.2

毫米波雷達——應(yīng)用自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)2024/9/62.2

毫米波雷達——應(yīng)用前向碰撞預警系統(tǒng)2024/9/62.2

毫米波雷達——應(yīng)用自動緊急制動系統(tǒng)2024/9/62.2

毫米波雷達——應(yīng)用盲區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)2024/9/62.2

毫米波雷達——應(yīng)用變道輔助系統(tǒng)：盲區(qū)監(jiān)測、變道預警、后向碰撞預警2024/9/62.2

毫米波雷達——應(yīng)用后向碰撞預警系統(tǒng)2024/9/62.2

毫米波雷達2024/9/62.3

激光雷達——定義激光雷達是工作在光波頻段的雷達，它利用光波頻段的電磁波先向目標發(fā)射探測信號，然后將其接收到的同波信號與發(fā)射信號相比較，從而獲得目標的位置（距離、方位和高度）、運動狀態(tài)（速度、姿態(tài)）等信息，實現(xiàn)對目標的探測、跟蹤和識別。2024/9/62.3

激光雷達——定義2024/9/62.3

激光雷達——特點探測范圍廣：可達300m以上。分辨率高：距離分辨率可達0.1m；速度分辨率能達到10m/s以內(nèi)；角度分辨率不低于0.1mard信息量豐富：探測目標的距離、角度、反射強度、速度等信息，生成目標多維度圖像可全天候工作：不依賴于外界條件或目標本身的輻射特性與毫米波雷達相比，產(chǎn)品體積大，成本高。不能識別交通標志和交通信號燈2024/9/62.3

激光雷達——組成發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信號處理與控制系統(tǒng)組成2024/9/62.3

激光雷達——組成2024/9/62.3

激光雷達——測距原理2024/9/62.3

激光雷達——主要指標（1）最大探測距離：通常需要標注基于某一個反射率下的測得值，例如白色反射體大概70%反射率，黑色物體7%～20%反射率（2）距離分辨率：是指兩個目標物體可區(qū)分的最小距離（3）測距精度：是指對同一目標進行重復測量得到的距離值之間的誤差范圍（4）測量幀頻：測量幀頻與攝像頭的幀頻概念相同，刷新率越高，響應(yīng)速度越快2024/9/62.3

激光雷達——主要指標（5）數(shù)據(jù)采樣率：是指每秒輸出的數(shù)據(jù)點數(shù)，等于幀率乘以單幅圖像的點云數(shù)目（6）角度分辨率：是指掃描的角度分辨率，等于視場角除以該方向所采集的點云數(shù)目（7）視場角：又分為垂直視場角和水平視場角，是激光雷達的成像范圍（8）波長：波長會影響雷達的環(huán)境適應(yīng)性和對人眼的安全性2024/9/62.3

激光雷達——類型機械激光雷達：帶有控制激光發(fā)射角度的旋轉(zhuǎn)部件探測距離為0.3~200m，水平視場角為360°，垂直視場角為-16°~7°，線束1~6相鄰兩條線之間的垂直角分辨率為1°，線束6~30相鄰兩條線之間的垂直角分辨率為0.33°，線束30~40相鄰兩條線之間的垂直角分辨率為1°2024/9/62.3

激光雷達——類型固態(tài)激光雷達：依靠電子部件來控制激光發(fā)射角度，無須機械旋轉(zhuǎn)部件，故尺寸較小，可安裝于車體內(nèi)激光雷達公司Quanergy在2016年發(fā)布的號稱全球首款的固態(tài)激光雷達S3，可以達到厘米級精度，30Hz掃描頻率，0.1°的角分辨率2024/9/62.3

激光雷達——類型混合固態(tài)激光雷達：沒有大體積旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，采用固定激光光源，通過內(nèi)部玻璃片旋轉(zhuǎn)的方式改變激光光束方向，實現(xiàn)多角度檢測的需要，并且采用嵌入式安裝32線混合固態(tài)UltraPuckAuto；16線機械式VLP-162024/9/62.3

激光雷達——類型單線束激光雷達2D數(shù)據(jù)只能測量距離2024/9/62.3

激光雷達——類型單線束激光雷達，2D數(shù)據(jù)，只能測量距離多線束激光雷達：4線束、8線束、16線束、32線束、64線束、128等，其細分可分為2.5D激光雷達及3D激光雷達2.5D：垂直視野范圍一般不超過10°3D：可達到30°甚至40°以上2024/9/62.3

激光雷達——產(chǎn)品美國威力登（Velodyne）公司開發(fā)的128線束激光雷達的探測距離約是HDL-64E的3倍，達到300m，分辨率則是10倍，尺寸縮小了70%。該產(chǎn)品是為L5級別自動駕駛而開發(fā)的2024/9/62.3

激光雷達——產(chǎn)品6.激光雷達的主要指標2024/9/62.3

激光雷達——產(chǎn)品2024/9/62.3

激光雷達——應(yīng)用2024/9/62.3

激光雷達——應(yīng)用多線束激光雷達具有高精度電子地圖和定位、障礙物識別、可通行空間檢測、障礙物軌跡預測等功能。L4級和L5級使用多線束激光雷達，360°發(fā)射激光，從而達到360°掃描，獲取車輛周圍行駛區(qū)域的三維點云，通過比較連續(xù)感知的點云、物體的差異檢測其運動，由此創(chuàng)建一定范圍內(nèi)的3D地圖2024/9/62.3

激光雷達——應(yīng)用高精度電子地圖2024/9/62.2.4

激光雷達——應(yīng)用障礙物檢測與識別2024/9/62.2.4

激光雷達——應(yīng)用可行空間檢測2024/9/62.3

激光雷達——應(yīng)用精準定位和路徑跟蹤必須依靠激光雷達和高精度地圖等2024/9/62.4

視覺傳感器——定義視覺傳感器是指通過對攝像頭拍攝到的圖像進行圖像處理，對目標進行檢測，并輸出數(shù)據(jù)和判斷結(jié)果的傳感器。視覺傳感器在智能網(wǎng)聯(lián)汽車或無人駕駛汽車上的應(yīng)用是以攝像頭（機）出現(xiàn)，并搭載先進的人工智能算法，便于目標檢測和圖像處理。2024/9/62.4

視覺傳感器——特點（1）信息量極為豐富：不僅包含有視野內(nèi)物體的距離信息，而且還有該物體的顏色、紋理、深度和形狀等信息（2）多任務(wù)檢測：在視野范圍內(nèi)可同時實現(xiàn)道路檢測、車輛檢測、行人檢測、交通標志檢測、交通信號燈檢測等（3）視覺SLAM，通過攝像頭可以實現(xiàn)同時定位和建圖（4）實時獲取場景信息：提供的信息不依賴于先驗知識，比如GPS導航依賴地圖信息，有較強的適應(yīng)環(huán)境的能力（5）與機器學習、深度學習等人工智能加快融合2024/9/62.4

視覺傳感器——組成視覺傳感器主要由光源、鏡頭、圖像傳感器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像處理器、圖像存儲器等組成，其主要功能是獲取足夠的機器視覺系統(tǒng)要處理的原始圖像2024/9/62.4

視覺傳感器——成像原理2024/9/62.4

視覺傳感器——成像原理2024/9/62.5

視覺傳感器——圖像傳感器技術(shù)參數(shù)（1）像素：像素是圖像傳感器的感光最小單位，即構(gòu)成影像的最小單位。像素的多少是由CCD/CMOS上的光敏元件數(shù)目所決定的，一個光敏元件就對應(yīng)一個像素。因此像素越大，意味著光敏元件越多，相應(yīng)的成本就越大。像素用兩個數(shù)字來表示，如720×480，720表示在圖像長度方向上所含的像素點數(shù)，480表示在圖像寬度方向上所含的像素點數(shù)，二者的乘積就是該相機的像素數(shù)（2）幀率：幀率代表單位時間所記錄或播放的圖片的數(shù)量；高的幀率可以得到更流暢、更逼真的視覺體驗。2024/9/62.5

視覺傳感器——圖像傳感器技術(shù)參數(shù)

（3）靶面尺寸：就是圖像傳感器感光部分的大小。一般用英寸來表示，通常這個數(shù)據(jù)指的是這個圖像傳感器的對角線長度，如常見的有1/3英寸，靶面越大，意味著通光量越好，而靶面越小則比較容易獲得更大的景深（4）感光度：代表入射光線的強弱。感光度越高，感光面對光的敏感度就越強，快門速度就越高（5）信噪比：是信號電壓對于噪聲電壓的比值，典型值為45～55dB，信噪比越大說明對噪聲的控制越好2024/9/62.4

視覺傳感器——相機內(nèi)部參數(shù)主要有焦距、光學中心、圖像尺寸和畸變系數(shù)等焦距有可變焦距和不可變焦距，一般用mm表示。2024/9/62.4

視覺傳感器——相機內(nèi)部參數(shù)相機的鏡頭是由多個鏡片構(gòu)成的復雜光學系統(tǒng)，光學系統(tǒng)的功能等價于一個薄透鏡，實際上薄透鏡是不存在的。光學中心是這一等價透鏡的中心。不同結(jié)構(gòu)的鏡頭其光學中心位置也不一樣，大部分在鏡頭內(nèi)的某一位置，但也有在鏡頭前方或鏡頭后方的。圖像尺寸是指構(gòu)成圖像的長度和寬度，可以用像素為單位，也可以用cm為單位。2024/9/62.4

視覺傳感器——相機內(nèi)部參數(shù)畸變系數(shù)分為徑向畸變系數(shù)和切向畸變系數(shù)。徑向畸變發(fā)生在相機坐標系轉(zhuǎn)像物理坐標系的過程中；徑向畸變主要包括枕形畸變和桶形畸變兩種，2024/9/62.4

視覺傳感器——相機內(nèi)部參數(shù)切向畸變產(chǎn)生的原因是透鏡不完全平行于圖像2024/9/62.4

視覺傳感器——相機外部參數(shù)相機的外部參數(shù)是指相機的安裝位置，即相機離地高度以及相機相對于車輛坐標系的旋轉(zhuǎn)角度。離地高度是指從地面到相機焦點的垂直高度；相機相對于車輛坐標系的旋轉(zhuǎn)角度有俯仰角、偏航角和橫滾角。外部參數(shù)可以通過棋盤格標定獲得。2024/9/62.4

視覺傳感器——類型單目雙目三目環(huán)視2024/9/62.4

視覺傳感器——產(chǎn)品2024/9/62.4

視覺傳感器——應(yīng)用視覺傳感器主要應(yīng)用于車道偏離預警、車道保持輔助、前向碰撞預警、行人碰撞預警、交通標志識別、盲區(qū)監(jiān)測、夜視輔助、自動泊車輔助、全景泊車、駕駛員疲勞預警等2024/9/62.5

視覺傳感器——應(yīng)用車道偏離預警系統(tǒng)2024/9/62.5

視覺傳感器——應(yīng)用車道保持輔助系統(tǒng)2024/9/62.5

視覺傳感器——應(yīng)用前向碰撞預警系統(tǒng)2024/9/62.5

視覺傳感器——應(yīng)用行人碰撞預警系統(tǒng)2024/9/62.5

視覺傳感器——應(yīng)用交通標志識別系統(tǒng)2024/9/62.2.5

視覺傳感器2024/9/6智能傳感器比較2024/9/6智能傳感器比較2024/9/62.5傳感器融合技術(shù)——融合原理傳感器的融合就是將多個傳感器獲取的數(shù)據(jù)、信息集中在一起綜合分析，以便更加準確、可靠地描述外界環(huán)境，從而提高系統(tǒng)決策的正確性。多傳感器信息融合的優(yōu)勢在于，能夠綜合利用多種信息源的不同特點，多方位獲得相關(guān)信息，從而提高整個系統(tǒng)的可靠性和精準度。未來傳感器融合技術(shù)將顯得更加重要，并且會成為一種趨勢。多傳感器信息的融合是無人駕駛安全出行的前提。2024/9/62.5傳感器融合技術(shù)——融合原理（1）分布式。先對各個獨立傳感器所獲得的原始數(shù)據(jù)進行局部處理，然后再將結(jié)果送入信息融合中心進行智能優(yōu)化組合來獲得最終的結(jié)果。分布式對通信帶寬的需求低，計算速度快，可靠性和延續(xù)性好，但跟蹤的精度卻遠沒有集中式高2024/9/62.5傳感器融合技術(shù)——融合原理（2）集中式。集中式將