傳感器在無人駕駛汽車中的應用研究

(1.湖南汽車工程職業(yè)學院，湖南 株洲 412000；2.北京理工大學，北京100081)

隨著工業(yè)的發(fā)展，傳感器在工業(yè)領域的用途越來越廣泛，如汽車、機械、自動化、交通信息等，尤其是近幾年無人駕駛汽車發(fā)展迅速，傳感器技術的進步對無人駕駛汽車的發(fā)展起到了重要的推動作用。近幾年，各國對傳感器技術的研究主要集中在以下幾個方面：① 新材料、新工藝和新型傳感器；②智能化、多功能、集成化和高精度；③ 硬件和器件的微型化及與其他傳感器的相融合化[1]。

1 無人駕駛汽車中的傳感器技術

傳感器在無人駕駛汽車中相當于人類的神經(jīng)感知系統(tǒng)，傳感器、導航系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)是無人駕駛汽車的三個重要組成部分。現(xiàn)在無人駕駛汽車中應用最多的傳感器技術主要是雷達傳感器、攝像頭等[2]，如通過測距獲取周圍空間信息的激光雷達、毫米波雷達，用于視覺傳輸?shù)南鄼C等。

1.1 視覺傳感器

無人駕駛汽車中視覺傳感器主要用來獲取環(huán)境信息和彩色景象信息，是無人駕駛汽車第二大信息源。目前無人駕駛汽車視覺傳感器主要為相機和攝像頭，其中最常用的是相機。根據(jù)其功能分為單目相機、雙目立體相機和全景相機。

1.1.1 單目相機

無人駕駛汽車中的相機等同于駕駛員的眼睛，通過環(huán)境成像來感知道路環(huán)境、天氣情況、車輛行駛軌跡和車輛運行速度。無人駕駛汽車對圖像成像質量要求高，而且在圖像輸出速度上需要較高的幀頻。

單目相機是一種利用光學系統(tǒng)與成像器件相結合可以不斷輸出實時圖像的相機。滿足無人駕駛汽車的要求，可實時調節(jié)光積分時間、自動平衡畫質、實時輸出圖像功能。

1.1.2 雙目相機

雙目相機對周圍環(huán)境可實現(xiàn)三維成像，通過雙目立體圖像處理獲取場景的三維信息，再經(jīng)進一步處理得到三維空間中的景物，實現(xiàn)二維圖像到三維圖像的轉化[3]。

1.1.3 全景相機

全景相機由6個完全相同的相機360°同時成像，并將6幅圖進行拼接和矯正，獲得全景圖像，并對目標進行識別和信息處理，目前該相機已作為無人駕駛汽車視覺傳感器的首選。

1.2 激光雷達

在眾多無人駕駛汽車中，激光雷達作為環(huán)境傳感器應用最為廣泛，其具有良好的方向性，測量精度高，受地面干擾較小，但在陰雨、大霧天氣無法正常工作。激光雷達通過向探測目標發(fā)射光線，分析和計算反射光來完成測距。激光雷達根據(jù)結構和類型可分為單線(二維)和多線(三維)兩種，其中多線激光雷達具有一定的俯仰角度，可實現(xiàn)面掃描。

1.2.1 單線激光雷達

單線激光雷達最具代表性的是德國SICK公司的LMS511單線激光雷達，其參數(shù)指標見表1。單線激光雷達的工作原理是通過發(fā)射激光束掃描某一區(qū)域，并根據(jù)區(qū)域內各點與掃描儀的相對位置，即測量物體與掃描儀掃描中心之間的距離和相對角度，采用極坐標表達其測量值。為了提高數(shù)據(jù)返回速度單線激光雷達一般使用網(wǎng)絡接口傳輸方式，由上位機向雷達發(fā)送請求，雷達根據(jù)請求中的測量要求收集數(shù)據(jù)并返回給上位機。

x=ρcosθ
y=ρsinθ

(1)

式中：ρ為距離；θ為相對角度。

表1SICK LMS511參數(shù)指標

掃描頻率/Hz每幀掃描點數(shù)掃描距離/m掃描角度/°分析率/°分辨率/m2576126～80-5～1900.251

1.2.2 多線激光雷達

多線激光雷達最具代表性的是美國Velodyne公司的HDL-64E S2激光雷達，多線激光雷達的工作原理是發(fā)射2條或2條以上的激光束作為探測光的雷達。多線激光雷達可發(fā)出64個激光束，其全部安裝在旋轉電機上，水平和垂直探測范圍為360°和26.8°。多線激光雷達通過串口接收控制命令，并通過UDP協(xié)議網(wǎng)絡返回數(shù)據(jù)于上位機。64線激光雷達有64對光束，發(fā)射器與接收器分為上下兩層，傳輸數(shù)據(jù)也分為兩部分。根據(jù)激光器安裝位置對收集到的數(shù)據(jù)建立幾何模型。

D=Dcorr+Dret
Dxy=Dcosθ-V0sinθ
Px=Dxysinβ-H0cosβ
Py=Dxycosβ+H0sinβ
Pz=Dsinθ+V0cosθ

(2)

式中：Dcorr為距離校正因子；V0為垂直偏移量；H0為水平偏移量；θ為垂直校正角；α為旋轉校正角。(Px，Py，Pz)為激光雷達的笛卡爾坐標，其由每一條激光束返回的距離Dret值和激光雷達的旋轉角度γ轉化而來。主要多線激光雷達的參數(shù)及性能見表2。

表2主要多線激光雷達參數(shù)指標

公司/型號掃描距離/m分辨率/cm水平掃描角度/°分辨率/°垂直掃描角度/°分辨率/°價格/萬元HDL-64E-Velodyne(64 線 )120小于23600.09-24.8 ～ +2 0.4 50～100HDL-32E-Velodyne(32 線 )70 小于2 360 0.16 -30.67～+10.671.3330～40IBEO LUX(8 線 )200 10 110 0.125 6.4 0.8 15～25IBEO LUX(4 線 )200 4 110 0.125 3.2 0.8 10～15

激光雷達具有良好的抗干擾能力，測距精度高，實時性好，在道路檢測、導航定位及機器人領域應用廣泛。

1.3 毫米波雷達

毫米波是指波長為1～10 mm、頻域為30 ～300 GHz的波，這種波形的波長介于光波和厘米波之間，因此兼有微波制導和光電制導的優(yōu)點。與厘米波導引頭相比，毫米波導引頭具有空間分辨率高、體積小、質量輕的特點。與紅外、激光等光學導引頭相比，毫米波導引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強(大雨、霧、雪天除外)，具有全天候全天時的特點。毫米波雷達參數(shù)見表3[4]。

表3毫米波雷達參數(shù)

公司/型號遠距離探測/m分辨率/m視角/°分辨率/°中距離探測/m分辨率/m視角/°分辨率/°Continental ARS3082002561600.25170.1Delphi ESR1742.5+/-100.5600.4+/-450.2

2 傳感器融合技術

在無人駕駛汽車中傳感器相當于人的眼睛和感知神經(jīng)，各個神經(jīng)需要相互匹配和融合才能實現(xiàn)真正意義上的無人駕駛，傳感器之間需要相互融合和關聯(lián)才能發(fā)揮作用。

傳感器融合是利用計算機技術將多個傳感器進行綜合處理[5-6]，融合后每個傳感器之間的數(shù)據(jù)可相互融通獲得更加確切的數(shù)據(jù)，利用聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關聯(lián)等算法來處理這些數(shù)據(jù)，可達到統(tǒng)計學上的最佳效果。融合傳感器獲取的多目標運動軌跡信息可以準確測量出被測物體目標的位移、角度和速度。例如，毫米波雷達的分辨率低于激光雷達，采用融合技術可用激光雷達獲得的信息數(shù)據(jù)替換和更新毫米波雷達所獲取的數(shù)據(jù)；另外通過傳感器融合技術可提高毫米波雷達和激光雷達的目標分辨率，提高被測物體測量的精確度。 傳感器技術融合的方法有以下幾種：

(1)直接融合傳感器數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 直接融合

(2) 特征向量融合，如圖2所示。

圖2 特征向量融合

(3) 高層決策融合，對每個傳感器傳來的數(shù)據(jù)進行處理，如圖3所示。

圖3 高層決策融合

傳感器數(shù)據(jù)融合技術是無人駕駛汽車發(fā)展的關鍵技術，通過融合多傳感器可精確確定無人駕駛汽車前方多目標的角度、速度和位置，大大提高精確度，減少無人駕駛汽車交通事故的發(fā)生率。

3 結束語

無人駕駛汽車的研究涉及環(huán)境感知技術、導航與定位技術以及控制科學等領域，無人駕駛汽車安全行駛離不開環(huán)境感知，而相機、激光雷達、毫米波雷達能夠實時獲取周圍環(huán)境、天氣、道路狀況和駕駛信息，使無人駕駛汽車“感知”自己所處的環(huán)境。環(huán)境感知技術主要依靠傳感器技術，但無人駕駛汽車要求的環(huán)境感知技術還需要與導航定位技術、決策和控制技術相互融合，搭載導航技術、匹配電子地圖、慣導等才能實現(xiàn)真正意義上的無人駕駛。未來的傳感器技術將集成化更強、識別性能和分辨率更高，誤差更小。因此，在不久的將來隨著傳感器技術的不斷發(fā)展，無人駕駛的感知技術會大幅度提高，安全性和環(huán)境識別能力也將隨之提高，甚至可能會具有自我適應調節(jié)和自我學習的功能。