智能网联汽车基础(七)——ADAS激光雷达和视觉系统(上)

◆文/江苏 周晓飞

(接上期)

一、激光雷达

1.激光雷达相关定义

China SAE标准《智能网联汽车激光雷达点云数据标注要求及方法》对激光雷达、场景、点云等给出一系列的定义和规范。

激光雷达(l g h t d e t e c t i o n a n d ranging)：发射激光束并接收回波以获取目标三维信息的系统。

2.激光雷达特点

车载激光雷达是目前车载环境感知精度最高的感知方式，探测距离可达300m，精度可控制在厘米级。

激光雷达以激光作为载波，激光是光波波段电磁辐射。具有以下优点：

①全天候工作，不受白天和黑夜的光照条件的限制。

②激光束发散角小，能量集中，有更好的分辨率和灵敏度。

③可以获得幅度、频率和相位等信息，可以探测从低速到高速的目标。

④抗干扰能力强，隐蔽性好。激光不受无线电波干扰。

3.激光雷达类型

车载激光雷达根据其扫描方式的不同，可分为机械激光雷达和固态激光雷达。机械激光雷达外表上最大的特点就是总成有机械旋转机构(图1)。

固态激光雷达由于无需旋转的机械机构，依靠电子部件来控制激光发射角度，其结构相对简单、体积较小，可安装于车体内。长远来看微机电系统激光雷达(MEMS)、快闪激光雷达(Flash)等固态激光雷达有望成为重点。

4.激光雷达结构原理

激光雷达主要包括激光发射、扫描系统、激光接收和信息处理四大系统，这四个系统相辅相成，形成传感闭环。一般由光学发射部件、光电接收部件、运动部件和信号处理模块等部件组成。

激光雷达工作原理是向指定区域发射探测信号(激光束)，经过目标物反射后，收集反射回来的信号，与发射信号进行处理比较，即可获得待测区域环境和目标物体的有关空间信息，如目标距离、方位角、尺寸、移动速度等参数，从而实现对特定区域的环境和目标进行探测、跟踪和识别。

5.微机电系统激光雷达(MEMS)

法雷奥SCALA激光雷达是一款已经应用到量产车上的车规级激光雷达(图2)，拥有145°的水平视场角(FOV)，可以探测到150m以内的动态或静态障碍物，垂直视场角为3.2°(图3)。已经搭载在奥迪款A8、A6等车型上(图4)。

法雷奥SCALA激光扫描仪主要包含三个部分，激光单元、旋转扫描镜和主板。光束操作单元是旋转扫描镜，光源是高功率激光二极管，探测器是具有三个敏感单元的光电二极管(APD)阵列，并装配在带有玻璃窗口的低成本印刷电路板主板(PCB)上。

MEMS激光雷达的一大优势是没有了传统机械雷达的旋转部件，通过在硅基芯片上集成的MEMS微振镜来代替传统的机械式旋转装置，由微振镜反射激光形成较广的扫描角度和较大的扫描范围。

6.双激光雷达

例如小鹏P5汽车搭载的双激光雷达，也就是采用双棱镜的扫描方案，可以提升识别纵向和横向位置精度，提升障碍物识别率。单颗激光雷达的横向FOV为120°，双雷达组合可以覆盖到前方横向150°的视野，最远可以主动探测到150m外的黑色低反射率目标(10%反射率目标物)。

二、视觉采集系统

1.视觉传感器相关术语

智能网联汽车的视觉可以说是车对内外界的感觉，这种感觉需要视觉传感器来获取，视觉传感器就是俗称的摄像头。

车载摄像头指安装在汽车上，用于监控汽车内外环境情況以辅助汽车驾驶员行驶的摄像设备。

全景影像监测系统(around view monitoring system；AVMS)向驾驶员提供车辆周围360°范围内环境的实时影像信息的系统。

在GB/T《智能网联汽车 术语和定义》中，这样定义感知：

感知(perception)驾驶自动化系统获取车辆周围驾驶环境信息的技术。这里周围驾驶环境包括可通行区域、道路标志、道路标线、交通参与者、障碍物等。

在GB/T36415-2018《汽车行业信息化 实施规范》中，也定义了“感知层”，对感知层的图形传感器的智能识别做出说明。

2. 摄像头的类型和特点

单目摄像头搭配毫米波雷达与超声波雷达，完全可以满足L1、L2，以及部分L3场景下的功能。除了较为多见的单目与双目摄像头方案，多目(三个及以上)摄像头也在应用，如蔚来和特斯拉。摄像头特点如表1所示。

3. 摄像头安装位置

车载摄像头是主流感知系统必备的传感器，根据其在自动驾驶汽车上的安装位置，车载摄像头可以分为前视(图5)、后视(图6)、侧视(图7)等车内监控(图8)多种类型(表2)。

全景影像系统(图9)是通过前后左右至少四颗摄像头采集车身周围图像，合成一幅360°俯视图，并通过显示屏显示出来的泊车辅助系统。

以长安某款车例举全景影像，图10全景界面主要包括3个区域：界面操作区域①②③④、环视图区域⑤⑥⑦⑧、单视图区域⑨⑩⑪⑫。

当然，就举例的图7而言，摄像头较少，全景影像可能使物体在屏暮上的轮廓变形,因此不能完全依靠影像估算本车与障碍物，车辆、行人等的距离,行车必须根据实际情况进行判断,确保安全。

全景系统分辦率限制，某些物体不能显示或不能清楚的显示,例如细隔离柱、格栅和树木等全景影像前后视图仍存在少量视野盲区。要始终注意观察汽车周围。

全景影像只能在屏幕上显示二维图像,由于缺少空间深度,很难或根本不能通过全景影像识别路面上的突出物或凹坑。

分辨率代表着图像是否能够清晰地呈现，在一定程度上决定着图像的品质。分辨率的高低取决于摄像头中图像传感器芯片上像素多少，其像素越多，则摄像头的分辨率就会越高。分辨率的大小决定着所拍摄图像的清晰度，摄像头分辨率越高，成像后对细节的展示就越明显。

三、多传感器融合

传感器是智能网联汽车关键部件，各种传感器都有不同的特征和优缺点，将很多传感器的信息进行融合(包括定位信息、雷达、摄像头等)会达到更精准可靠探测周围环境的效果。现在毫米波雷达和计算机视觉摄像头等的融合应用已非常可靠。

智能网联汽车ADAS感知系统所采用的传感器包括超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达以及各种形式的摄像头，或是由这些感知传感器进行不同组合形成的多融合的感知系统。摄像头+毫米波雷达+激光雷达的配置已经成为智能驾驶的标准组合。例如：

1.理想0NE搭载800万像素辅助驾驶前摄像头、前向毫米波雷达、4个角毫米波雷达、12个超声波雷达、4个环视视摄像头；

2.蔚来ES8搭载了1个三目前向摄像头、4个环视摄像头、5个毫米波雷达、12个超声波传感器；

3.威马W6(ACE极智版、X特别版)在售车辆搭载了共24个视觉传感器，包括4个高清环视摄像头、2个高清前视摄像头、5个亳米波雷达12个超声波雷达、1个驾驶行为检测摄像头；测量单元)等多种感知硬件对环境进行视觉+雷达360°双重感知(图12)。

上述例举这些车载传感器的融合使用更大程度上可360°(有些甚至540°AR底盘透视)感知路面信息。这些都是多传感器融合的工作模式，每个传感器提供互不相同的环境信息特征 ,此时配置多个传感器目的是增强系统环境感知能力。

四、智能视觉系统

4.极氪汽车的视觉融合感知系统搭载了含7个800万像素长距高清摄像头、1个250m超长感知毫米波雷达、12个短距超声波雷达、4个短距环视高清摄像头、2个车内监测摄像头、1个车外监测摄像头、1个后流媒体摄像头；

5.智几(iML7)汽车搭载了12个高精度摄像头、5个毫米波雷达、12个超声波传感器，并兼容激光雷达软硬件架构升级方案(图11)；

6.极狐(阿尔法S华为Hi)搭载了3个激光雷达、6个毫米波雷达12个超声波雷达9个ADS摄像头4个环视摄像头；

7.小鹏P7(智尊版、鹏翼版)搭载了5个高精毫米波雷达、12个超声波传感器、4个环视摄像头、10个高感知摄像头；

8.小鹏P5(550P、600P版)融合了2个激光雷达、12个超声波传感器、5个毫米波雷达、13个高感知摄像头、1套亚米级高精定位单元(GNSS导航系统+IMU惯性

智能视觉系统是直观上讲是一种视野上的视觉感受，对驾驶安全和智能化技术也提升到了一个新的高度，这就是平视显示系统。

平视显示系统(HUD)其英文缩写直译过来就是抬头显示器，也就是不用低头看仪表显示，平视前方即可读取车辆信息的一种显示系统，通常也称为抬头系统。系统用于将重要的车辆参数直接投影显示在驾驶员的视线范围之内,使驾驶员总是能在基本的视野中获得与驾驶相关的各种信息(图13)。

HUD的运作以一个通过摄像头拍摄车辆前方环境的图像处理系统为基础。系统会通过一个图像处理软件随即对拍摄下的照片进行限速交通标志分析。

HUD的作用是将对行车相对重要的信息以全系投影的形式在前挡风或专属透明显示区中体现，驾驶者可以不必低头寻找仪表台上的讯息，需要的数据在不移动头部跟视线的状况下就可以完全被读取。这样的使用方式确实给驾驶者带来了便利，更重要的是它将驾驶安全性提升到新的高度，拥有很强的实用性。驾驶员不必低头(因为低头可能存在着很高的危险性，车速在120km/h的情况下，每低一次头看仪表就相当于盲开了50m左右。就可以看到信息，从而避免分散对前方道路的注意力，很大程度上也可避免眼睛的疲劳。

平视显示系统的显示使驾驶员能够快速、精准地获得重要的车辆信息。在装配平视显示系统的车辆上使用专门的挡风玻璃(由于技术的迭代，以后普通的挡风玻璃即可实现)可以让人产生这样的感觉：平视显示系统所显示的内容并不是出现在挡风玻璃上,而是出现在离驾驶员2~2.5m的舒适距离上(图14)。

例如，华为AR HUD提供13°×5°的大视角，这是一个70inch的大显示区域，可以覆盖前方7.5m的范围(图15)。为了让驾驶员的视线不受干扰，不会产生任何导致分心的情况发生。新的AR HUD将能够提供基于导航的信息，如路线距离，关于即将到来的道路上的车道数量，以及其他关键信息，如天气状况。此外，系统也可能是在大雨、光线不足的情况下提供夜视或辅助视觉功能，乘驾的安全性有更新的提高。

AR HUD还将具有高达100PPD的FHD显示屏，并且不会受到低亮度、低对比度或困扰传统HUD技术的图像失真等问题的阻碍。也就是个多媒体工具，提供视频、电影等功能，以及其他个性化的应用包括能够提供三维地图系统，实时提供停车场、餐馆、商店、加油站等信息。