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超聲波、激光、毫米波:聊聊自動(dòng)駕駛中的雷達(dá)“三劍客”

發(fā)布時(shí)間:2021-10-13 來(lái)源:M博士 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】目前,應(yīng)用于汽車(chē)無(wú)人駕駛的雷達(dá)主要有三種:超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)。后兩種雷達(dá)技術(shù)雖然屬于后起之秀,但在最近幾年,它們?cè)谧詣?dòng)駕駛中發(fā)揮的作用日益凸顯。

 

每年有125萬(wàn)人死于車(chē)禍,其中94%以上的致命事故是人為失誤(酒后駕車(chē)、超速行駛、無(wú)視交通信號(hào)燈、邊開(kāi)車(chē)邊發(fā)短信)造成的。為了盡可能地將汽車(chē)事故減少到接近零的水平,汽車(chē)制造商、汽車(chē)供應(yīng)商、政府、學(xué)術(shù)界,甚至非汽車(chē)技術(shù)提供商都在聯(lián)合開(kāi)發(fā)先進(jìn)的駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS),并最終開(kāi)發(fā)出自動(dòng)駕駛汽車(chē)。而自動(dòng)駕駛汽車(chē)這種新的汽車(chē)生態(tài)系統(tǒng)的建立需要傳感器融合、全新的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等多種先進(jìn)技術(shù)的支撐。


目前,應(yīng)用于汽車(chē)無(wú)人駕駛的雷達(dá)主要有三種:超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)。后兩種雷達(dá)技術(shù)雖然屬于后起之秀,但在最近幾年,它們?cè)谧詣?dòng)駕駛中發(fā)揮的作用日益凸顯。


超聲波、激光、毫米波:聊聊自動(dòng)駕駛中的雷達(dá)“三劍客”

圖1:自動(dòng)駕駛汽車(chē)中的傳感器融合方案(圖源:網(wǎng)絡(luò))


01 超聲波雷達(dá):技術(shù)成熟,成本之選


超聲波雷達(dá)在汽車(chē)中的應(yīng)用已經(jīng)有很多年了,在許多車(chē)輛的前后兩側(cè)都能發(fā)現(xiàn)它們的身影。按工作頻率劃分,超聲波雷達(dá)有40kHz、48kHz和58kHz三種,頻率越高,靈敏度越高,探測(cè)角度越小。在工作狀態(tài),通過(guò)收發(fā)超聲波,超聲波雷達(dá)能以1-3cm精度測(cè)算0.2-5m范圍內(nèi)的障礙物。


然而,由于工作頻率屬于聲波范圍,超聲波雷達(dá)的不足也是顯而易見(jiàn)的。尤其是汽車(chē)在高速行駛過(guò)程中,由于超聲波信號(hào)的傳播延遲,接收到的信息會(huì)出現(xiàn)一定的延遲。另外,超聲波設(shè)備也存在方向性差的問(wèn)題,需要更多的設(shè)備來(lái)覆蓋同一個(gè)區(qū)域,而且天氣條件也會(huì)極大地影響它們的探測(cè)效果。


不過(guò),這并沒(méi)有影響超聲波雷達(dá)在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用,非常關(guān)鍵的一點(diǎn)就是它的超高性?xún)r(jià)比。市場(chǎng)上單個(gè)超聲波雷達(dá)的售價(jià)僅為數(shù)十元人民幣,按照一套倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)安裝4個(gè)超聲波雷達(dá)計(jì)算,硬件成本還不足二百元。自動(dòng)泊車(chē)系統(tǒng)雖然需要的超聲波雷達(dá)數(shù)量多一些,但硬件總成本也能控制在五百元左右。與動(dòng)不動(dòng)就要數(shù)萬(wàn)元甚至數(shù)十萬(wàn)元的激光雷達(dá)相比,超聲波雷達(dá)在成本方面的優(yōu)勢(shì)實(shí)在太突出了。據(jù)稱(chēng),特斯拉對(duì)超聲波雷達(dá)就格外偏愛(ài),在泊車(chē)輔助中就使用了8顆,在輔助駕駛中使用12顆。


02 激光雷達(dá):自動(dòng)駕駛不可或缺


激光雷達(dá)(light detection and ranging,LiDAR),意為激光探測(cè)和測(cè)距,它是在雷達(dá)和聲納之后出現(xiàn)的一項(xiàng)傳感技術(shù),使用激光脈沖掃描環(huán)境,而不是無(wú)線(xiàn)電波或聲波,波長(zhǎng)為納米級(jí)。在汽車(chē)采用的所有傳感技術(shù)中,激光雷達(dá)屬于新鮮事物,對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車(chē)而言具有舉足輕重的地位。


激光雷達(dá)可以提供最精確的三維地圖,并能掃描自動(dòng)駕駛汽車(chē)周?chē)?60度空間,范圍可達(dá)100米左右。有些激光雷達(dá)系統(tǒng)甚至提供多達(dá)64個(gè)通道,每秒掃描超過(guò)100萬(wàn)個(gè)點(diǎn)。這些信息量可提供2厘米的高精度,以應(yīng)對(duì)不斷變化的環(huán)境。除了獲得位置信息,激光信號(hào)的反射率還可以區(qū)分目標(biāo)物質(zhì)的材質(zhì)。


按照功能劃分,激光雷達(dá)系統(tǒng)可分為機(jī)載激光雷達(dá)(Airborne LiDAR)和陸地激光雷達(dá)(Terrestrial LiDAR)兩大類(lèi)。機(jī)載激光雷達(dá)主要安裝在直升機(jī)或無(wú)人機(jī)上用于收集數(shù)據(jù)。地面激光雷達(dá)系統(tǒng)通常安裝在移動(dòng)的車(chē)輛或地面的三腳架上,用于收集準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)點(diǎn)。自動(dòng)駕駛汽車(chē)采用的是移動(dòng)地面激光雷達(dá)系統(tǒng),僅僅使用一個(gè)激光雷達(dá),即可在同一時(shí)間以光速掃描多個(gè)角度,從而創(chuàng)建一個(gè)詳細(xì)的周邊三維圖像或地圖。


由于激光雷達(dá)使用激光和反射鏡進(jìn)行回波成像,并實(shí)時(shí)繪制周?chē)h(huán)境的地圖,因此其測(cè)量精度明顯高于超聲波雷達(dá)。如今,激光雷達(dá)已被應(yīng)用于許多關(guān)鍵的汽車(chē)和移動(dòng)應(yīng)用,包括先進(jìn)駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中。在實(shí)際應(yīng)用中,該技術(shù)可與其他感官數(shù)據(jù)相結(jié)合,為車(chē)輛環(huán)境中的靜態(tài)和移動(dòng)物體提供更可靠的表征。


總體來(lái)看,極高的分辨率和精確度、快速而直觀的測(cè)試結(jié)果,是激光雷達(dá)能夠用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)的優(yōu)勢(shì)所在。要說(shuō)缺點(diǎn),目前激光雷達(dá)的體積依然較大,且價(jià)格不菲,這也是激光雷達(dá)技術(shù)很難在汽車(chē)行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用的重要原因。


03 毫米波雷達(dá):向77-79GHz邁進(jìn)


相比激光雷達(dá)的復(fù)雜反射鏡和激光器,毫米波雷達(dá)的裝置要簡(jiǎn)單多了,但它的信號(hào)傳輸速度比超聲波更快、更精確。毫米波雷達(dá)通常工作在24GHz和77-79GHz,基本不受熱或光等環(huán)境因素的影響。毫米波天線(xiàn)也比超聲波天線(xiàn)小得多,功率更低,很容易與車(chē)輛設(shè)計(jì)融為一體。另外,它們可以調(diào)整為短、長(zhǎng)、寬或窄的探測(cè)范圍,以滿(mǎn)足特定應(yīng)用的需要。


傳統(tǒng)的24 GHz窄帶汽車(chē)?yán)走_(dá)在區(qū)分物體和區(qū)分人、狗、其他汽車(chē)等方面有一定的局限性。目前,以24GHz窄帶傳感器為主流的汽車(chē)?yán)走_(dá)傳感技術(shù)正朝著76-81GHz頻段、調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)和波束成形天線(xiàn)的方向快速發(fā)展。其中,76GHz用于遠(yuǎn)程檢測(cè),77-81GHz頻段用于短距離、高精度檢測(cè)。


我們知道,距離測(cè)量誤差和最小可分辨距離與帶寬成反比。從24GHz過(guò)渡到79GHz,在距離分辨率和精確度方面的性能可提高近20倍。也就是說(shuō),24GHz系統(tǒng)的距離分辨率為75cm,將其換成79GHz系統(tǒng),那么分辨率就將達(dá)到4cm,能夠更好地檢測(cè)相鄰的多個(gè)物體。同樣,在波長(zhǎng)較小的情況下,速度測(cè)量的分辨率和精度也將成比例的提高。


采用79GHz雷達(dá)系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是設(shè)備的尺寸和重量將大幅下降。由于79GHz信號(hào)的波長(zhǎng)約為24GHz系統(tǒng)的三分之一,因此79GHz天線(xiàn)的總面積只相當(dāng)于24GHz天線(xiàn)的九分之一。開(kāi)發(fā)人員可以使用更小更輕的傳感器,并且很容易將其隱藏起來(lái),以獲得更好的燃油經(jīng)濟(jì)性和汽車(chē)外形設(shè)計(jì)。可以說(shuō),76-81GHz毫米波雷達(dá)是一個(gè)面向未來(lái)的ADAS以及自動(dòng)駕駛的傳感技術(shù)。


04 汽車(chē)傳感技術(shù)的融合


除了上述三種傳感技術(shù),車(chē)載攝像頭也是在汽車(chē)中廣泛使用的傳感器,限于篇幅,本文未做具體介紹。不可否認(rèn)的是,在當(dāng)前的車(chē)輛中,車(chē)載攝像頭充當(dāng)了ADAS系統(tǒng)的主要視覺(jué)傳感器。借由鏡頭采集圖像并通過(guò)攝像頭內(nèi)的感光組件及控制組件對(duì)圖像進(jìn)行處理,然后轉(zhuǎn)化為可供電腦做進(jìn)一步處理的數(shù)字信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛周邊的路況感知,包括前向碰撞預(yù)警、車(chē)道偏移報(bào)警、行人檢測(cè)等功能。


任何一種傳感技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)與局限性,汽車(chē)工業(yè)也不會(huì)僅僅依賴(lài)一種傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)駕駛功能。大多數(shù)廠(chǎng)商都是將這三種傳感技術(shù)結(jié)合在一起,以確保他們的自主駕駛系統(tǒng)在范圍、分辨率和魯棒性方面獲得可靠的數(shù)據(jù)。雖然目前的傳感方案還無(wú)法提供足夠的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛,但它們已經(jīng)通過(guò)ADAS系統(tǒng)大幅降低了駕駛員的人為錯(cuò)誤。


反過(guò)來(lái),ADAS技術(shù)的采用以及無(wú)人駕駛汽車(chē)的出現(xiàn)進(jìn)一步促進(jìn)了汽車(chē)傳感器技術(shù)和市場(chǎng)的發(fā)展。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)MarketsandMarkets的預(yù)測(cè),到2025年,汽車(chē)傳感器市場(chǎng)將從2020年的245億美元增長(zhǎng)到403億美元,在2020年至2025年期間復(fù)合年增長(zhǎng)率為10.5%。而全球機(jī)動(dòng)車(chē)產(chǎn)量以及汽車(chē)電氣化需求的增加,包括消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)安全性和舒適性需求的提升,是推動(dòng)汽車(chē)傳感器市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要因素。


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