芯耀
1920
每年有125萬人死于車禍，其中94%以上的致命事故是人為失誤（酒后駕車、超速行駛、無視交通信號(hào)燈、邊開車邊發(fā)短信）造成的。為了盡可能地將汽車事故減少到接近零的水平，汽車制造商、汽車供應(yīng)商、政府、學(xué)術(shù)界，甚至非汽車技術(shù)提供商都在聯(lián)合開發(fā)先進(jìn)的駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS），并最終開發(fā)出自動(dòng)駕駛汽車。而自動(dòng)駕駛汽車這種新的汽車生態(tài)系統(tǒng)的建立需要傳感器融合、全新的汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、車聯(lián)網(wǎng)等多種先進(jìn)技術(shù)的支撐。
目前，應(yīng)用于汽車無人駕駛的雷達(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，它們在自動(dòng)駕駛中發(fā)揮的作用日益凸顯。
圖1：自動(dòng)駕駛汽車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)在汽車中的應(yīng)用已經(jīng)有很多年了，在許多車輛的前后兩側(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，探測角度越小。在工作狀態(tài)，通過收發(fā)超聲波，超聲波雷達(dá)能以1-3cm精度測算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的。尤其是汽車在高速行駛過程中，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題，需要更多的設(shè)備來覆蓋同一個(gè)區(qū)域，而且天氣條件也會(huì)極大地影響它們的探測效果。
不過，這并沒有影響超聲波雷達(dá)在汽車行業(yè)的應(yīng)用，非常關(guān)鍵的一點(diǎn)就是它的超高性價(jià)比。市場上單個(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?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)萬元甚至數(shù)十萬元的激光雷達(dá)相比，超聲波雷達(dá)在成本方面的優(yōu)勢實(shí)在太突出了。據(jù)稱，特斯拉對(duì)超聲波雷達(dá)就格外偏愛，在泊車輔助中就使用了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），意為激光探測和測距，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，而不是無線電波或聲波，波長為納米級(jí)。在汽車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)駕駛汽車周圍的360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100萬個(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。
機(jī)載激光雷達(dá)主要安裝在直升機(jī)或無人機(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)繪制周圍環(huán)境的地圖，因此其測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，為車輛環(huán)境中的靜態(tài)和移動(dòng)物體提供更可靠的表征?？傮w來看，極高的分辨率和精確度、快速而直觀的測試結(jié)果，是激光雷達(dá)能夠用于自動(dòng)駕駛汽車的優(yōu)勢所在。要說缺點(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。毫米波天線也比超聲波天線小得多，功率更低，很容易與車輛設(shè)計(jì)融為一體。另外，它們可以調(diào)整為短、長、寬或窄的探測范圍，以滿足特定應(yīng)用的需要。傳統(tǒng)的24 GHz窄帶汽車?yán)走_(dá)在區(qū)分物體和區(qū)分人、狗、其他汽車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?yán)走_(dá)傳感技術(shù)正朝著76-81GHz頻段、調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）和波束成形天線的方向快速發(fā)展。其中，76GHz用于遠(yuǎn)程檢測，77-81GHz頻段用于短距離、高精度檢測。我們知道，距離測量誤差和最小可分辨距離與帶寬成反比。
從24GHz過渡到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，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，能夠更好地檢測相鄰的多個(gè)物體。同樣，在波長較小的情況下，速度測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)勢是設(shè)備的尺寸和重量將大幅下降。由于79GHz信號(hào)的波長約為24GHz系統(tǒng)的三分之一，因此79GHz天線的總面積只相當(dāng)于24GHz天線的九分之一。開發(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，以獲得更好的燃油經(jīng)濟(jì)性和汽車外形設(shè)計(jì)。可以說，76-81GHz毫米波雷達(dá)是一個(gè)面向未來的ADAS以及自動(dòng)駕駛的傳感技術(shù)。
04、汽車傳感技術(shù)的融合
除了上述三種傳感技術(shù)，車載攝像頭也是在汽車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)前的車輛中，車載攝像頭充當(dāng)了ADAS系統(tǒng)的主要視覺傳感器。借由鏡頭采集圖像并通過攝像頭內(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)車輛周邊的路況感知，包括前向碰撞預(yù)警、車道偏移報(bào)警、行人檢測等功能。任何一種傳感技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)與局限性，汽車工業(yè)也不會(huì)僅僅依賴一種傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)駕駛功能。大多數(shù)廠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法提供足夠的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛，但它們已經(jīng)通過ADAS系統(tǒng)大幅降低了駕駛員的人為錯(cuò)誤。反過來，ADAS技術(shù)的采用以及無人駕駛汽車的出現(xiàn)進(jìn)一步促進(jìn)了汽車傳感器技術(shù)和市場的發(fā)展。根據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu)MarketsandMarkets的預(yù)測，到2025年，汽車傳感器市場將從2020年的245億美元增長到403億美元，在2020年至2025年期間復(fù)合年增長率為10.5%。而全球機(jī)動(dòng)車產(chǎn)量以及汽車電氣化需求的增加，包括消費(fèi)者對(duì)汽車安全性和舒適性需求的提升，是推動(dòng)汽車傳感器市場增長的主要因素。
