一文讀懂自動(dòng)駕駛傳感器之激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達及攝像頭

本文系統介紹高級駕駛輔助系統（ADAS）和自動(dòng)駕駛所需的激光雷達、毫米波雷達、超聲波傳感器和攝像頭傳感器的原理、功能及區別。

傳感器的種類(lèi)及特征

毫米波雷達的原理和功能

毫米波雷達是通過(guò)毫米波段的電波測量距離、相對距離、方向等的雷達傳感器。在駕駛過(guò)程中向前方發(fā)射毫米波段的電波，若前方有車(chē)輛，則可收到反射回來(lái)的回波。通過(guò)分析檢測到的反射波頻率變化等，檢測前方及對面是否有車(chē)輛、與前方及對面車(chē)輛間的距離、相對速度和方向等。

1、毫米波雷達的分類(lèi)

車(chē)輛上搭載的毫米波雷達通常使用兩個(gè)波段。毫米波雷達使用的是76GHz波段的電波(毫米波*1)。BSM使用的是24GHz波段的電波(準毫米波)。

2、毫米波雷達的構成

毫米波雷達是由天線(xiàn)板、通信及電源模塊等構成。

3、毫米波雷達的原理

通過(guò)FM-CW方式*2監測距離、相對速度和方向。

激光雷達的原理和功能

激光雷達是以發(fā)射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達。通過(guò)向目標發(fā)射探測信號(激光)，然后將接收到的從目標反射回來(lái)的信號(目標回波)與發(fā)射信號進(jìn)行比較，從而獲得目標的距離、方位、速度等相關(guān)信息。

1、激光雷達的分類(lèi)

針對測量距離的遠近，激光雷達可分為非掃描式(FLASH)激光雷達和掃描式激光雷達。

2、攝像頭傳感器如何工作？

攝像頭傳感器通過(guò)獲取攝像頭拍攝的車(chē)輛周邊的實(shí)景畫(huà)面，從實(shí)景畫(huà)面中抽取場(chǎng)景特征信息、調整顯像濃度，對畫(huà)面進(jìn)行預處理。根據預處理結果，更容易辨別對象的特征及形狀、顏色等信息，從而提高檢測速度。

3、FLASH激光雷達

在短時(shí)間內向前方發(fā)射大面積的激光，依靠高靈敏度的探測器對回波信號進(jìn)行收集并繪制成像。

4、掃描式激光雷達

被稱(chēng)為自動(dòng)駕駛領(lǐng)域中必不可少的傳感器。它可對車(chē)輛自身位置和目標物體之間的距離以及目標物體的形狀進(jìn)行分析，也可對包括行車(chē)道白線(xiàn)在內的道路形狀等進(jìn)行識別。

5、MEMS激光雷達

MEMS（Micro Electromechanical System）即微機電系統，是指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置，其內部結構一般在微米甚至納米量級，是一個(gè)獨立的智能系統。

MEMS微光反射鏡是指采用光學(xué)MEMS技術(shù)制造的，把微光反射鏡與MEMS驅動(dòng)器繼集成在一起的光學(xué)MEMS器件。MEMS微光反射鏡的運動(dòng)方式包括平動(dòng)和扭轉兩種機械運動(dòng)。

通過(guò)可旋轉MEMS微光反射鏡改變發(fā)射光束的方向，對特定范圍進(jìn)行掃描。目標物體會(huì )反射掃描光束，接收部件會(huì )識別反射光。通過(guò)發(fā)射激光和接收到反射光的時(shí)間，可以測定與目標物體間的距離以及目標物體的大小。

超聲波傳感器的原理和功能

超聲波傳感器能被任何材質(zhì)的障礙物所反射，并接收和放大障礙物反射的超聲波脈沖，將超聲波脈沖轉換成數字信號。

因此超聲波傳感器一直被廣泛地應用在汽車(chē)上，為駕駛員的安全出行提供輔助。

*參考：超聲波所在頻段人耳無(wú)法聽(tīng)到。

1、超聲波傳感器的構成

超聲波傳感器，由超聲波喇叭、用于處理影像和計時(shí)的芯片等零部件組成。

2、超聲波傳感器如何工作？

超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波，超聲波遇到障礙物會(huì )返回，超聲波傳感器正是根據發(fā)射波和回波之間的時(shí)間差來(lái)測定發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。

3、怕臟的超聲波傳感器

但是強大如超聲波傳感器可是很怕臟污的，應始終保持表面干凈。因為當其被異物附著(zhù)時(shí)，超聲波喇叭的震動(dòng)(殘響時(shí)間*1)會(huì )發(fā)生異常。例如超聲波喇叭上附著(zhù)霜（冰）、雪、泥等異物時(shí)，會(huì )影響超聲波喇叭的正常功能。

*2參考：擋板即護圈（保護零件），相當于超聲波傳感器嵌入車(chē)輛的緩沖器。

攝像頭傳感器的原理和功能

攝像頭傳感器，顧名思義就是通過(guò)攝像頭拍攝車(chē)輛周邊場(chǎng)景，并以此來(lái)識別車(chē)輛、行人、行車(chē)線(xiàn)等的傳感器。從拍攝到的影像可以檢測出車(chē)輛及車(chē)燈、行車(chē)道的白線(xiàn)及標識、行人及自行車(chē)等。

1、攝像頭傳感器的分類(lèi)和構成

攝像頭傳感器分為單鏡頭攝像頭和多鏡頭立體攝像頭兩種。單鏡頭攝像頭識別的是平面影像，而多鏡頭立體攝像頭內置2個(gè)攝像頭，除了可以識別立體物體，還可以測算到目標物體的距離。

*參考：投影點(diǎn)坐標的位置不精確會(huì )影響檢測精度。請確保鏡頭已得到充分的校正、調整。

2、攝像頭傳感器如何工作？

攝像頭傳感器通過(guò)獲取攝像頭拍攝的車(chē)輛周邊的實(shí)景畫(huà)面，從實(shí)景畫(huà)面中抽取場(chǎng)景特征信息、調整顯像濃度，對畫(huà)面進(jìn)行預處理。根據預處理結果，更容易辨別對象的特征及形狀、顏色等信息，從而提高檢測速度。

3、目標物體處理流程

圖像傳感器通過(guò)圖像處理識別對象物體，根據駕駛輔助ECU檢測到的信息進(jìn)行內容識別、判斷、控制車(chē)輛。

4、檢測車(chē)道

從經(jīng)過(guò)處理的圖像上抽取邊緣畫(huà)面（亮度變化大的區域），從邊緣畫(huà)面中找出行車(chē)線(xiàn)標記（車(chē)道兩側的實(shí)線(xiàn)及虛線(xiàn)，直道顯示為直線(xiàn)），通過(guò)行車(chē)線(xiàn)標記測定車(chē)道。

基于行車(chē)線(xiàn)信息獲取車(chē)道中央位置、車(chē)輛行進(jìn)方向及測算距離，從而識別、判斷、控制車(chē)輛。

※參考3：Hough (霍夫變換)用于檢測圖像中的各類(lèi)曲線(xiàn)（如直線(xiàn)、圓、拋物線(xiàn)、橢圓等），并以一定的函數關(guān)系進(jìn)行描述，應用于影像分析、模式識別等很多領(lǐng)域。

5、檢測道路標識

從經(jīng)過(guò)處理的圖像上抽取對應的候補點(diǎn)，尋找由各點(diǎn)分布構成的直線(xiàn)、曲線(xiàn)、平面等任意圖形，按照特定的模板推定標識。通過(guò)標識信息進(jìn)行判斷并控制車(chē)輛。

6、檢測行人

人物圖像由于體型、姿勢、衣著(zhù)等因素影響較難識別。因此，從圖像中區分出靜止的背景和運動(dòng)的人物，需要根據模型化部位（手腳等較大部位的圖形）以及統計性特征（全身圖像等）進(jìn)行識別，符合特征的則被判定為行人。根據車(chē)輛與行人間的位置關(guān)系及測算的距離，識別、判斷、控制車(chē)輛。

7、多鏡頭立體攝像頭

單鏡頭攝像頭拍攝到的某一個(gè)圖像，在轉化成二次元畫(huà)面時(shí)，由于缺少目標物體縱深數據導致無(wú)法進(jìn)行立體識別。而多鏡頭立體攝像頭融合了2個(gè)攝像頭拍攝的圖像從而獲得視覺(jué)差，并利用視覺(jué)差使用三件測量的方式計算出縱深數據。因此，立體地識別目標物體的大小及形狀

寫(xiě)在最后

除霧降溫不可少

確保攝像頭視野，圖像傳感器和鏡片密封玻璃（前置攝像頭）間配備鏡頭加熱器。通過(guò)監控車(chē)外溫度，鏡頭加熱器加熱除霧。當攝像頭前方視野模糊時(shí)，圖像傳感器將停止工作。

另外，車(chē)輛在酷熱等環(huán)境下停放后，圖像傳感器的溫度會(huì )變得很高，可能會(huì )影響識別功能甚至過(guò)熱停機。（溫度降低后將正常工作）