汽车测距系统综述

1、附件1：文献综述汽车测距系统综述专业班级：电气113 姓名：王晓泉 学号：2011013691 摘要：关键词：引言：根据德国原戴姆勒奔驰汽车制造公司的研究报告表明:遇到危险状况时，汽车驾驶员有多0.5秒的反应时间, 则可以分别减少30%的汽车追尾，路面相关信息事故的5 0%、迎面撞车事故的6%0。因此, 世界各国对发展汽车防撞技术十分关注, 投入了大量的人力、物力与财力, 而这一技术的关键在于车辆测趾, 故在现代汽车上为提高行车安全, 往往增加了许多装置来检测车距, 并通过报警或自动进行某项预定的操作比如制动等方式, 达到避免由于驾驶员疲劳、疏忽、误判所造成的各项交通事故。从上个世纪70 年代

2、起, 美国、英国、法国、德国、意大利、日本和原苏联均意识到了研制车用障碍物检测系统的重要性, 并投入了大量的人力和物力着手进行研制。日前运用于汽车测距的方式主要有以下几种: 激光测距、超声波测、微波测距、红外线测距、视觉测距。超声波、红外线测距仪因其探测距离相对较短, 目前主要应用于汽车倒车控制系统; 激光和微波雷达测距仪因其具有测量距离远、精度高等优点, 被广泛应用于车辆主动安全控制系统。视觉测量技术在精度、速度、智能化等方面具有很强的适应性, 并具有高精度、稳定性好、非接触性测量等特点, 若再结合图像处理技术, 即可构成自动化较高的实用测距系统, 因此它在智能车辆辅助驾驶导航的安全趴离测量

3、中应用极广。1. 常用几种测距方式1.1超声波测距超声波振动频率在20k Hz 以上的机械波。超声波穿透性较强, 具有一定的方向性, 传输过程中衰减较小, 反射能力较强。超声波测距仪一般由超声波发射器、接收器和信号处理装置三大部分组成。超声波作为一种特殊的声波, 同样具有声波传输的基本物理特性, 超声波测距就是利用其反射特性来工作的。超声波发射器不断发出一系列连续的脉冲( 比如40 记日z 的超声波, 并给测量逻辑电路提供一个短脉冲。超声波接收器则在接受到所发射超声波遇障碍物反射回来的反射波后, 也向测量逻辑电路提供一个短脉冲, 再利用双稳电路把上述两个短脉冲转化为一个方脉冲。方脉冲的宽度即为

4、两个短脉冲之间的时间间隔。测量这个方波脉冲宽度就可以确定发射器与探测物之间的距离。根据测量出输出脉冲的宽度, 即测得发射超声波与接受超声波的时间间隔, 从而就可求出汽车与障碍物之间的距离s:s=1/2vt式中,v 超声波音速。由于超声波也是声波, 故v 为声速; t 为时间。1.2摄像系统测距电荷耦合器件CCD 常用于摄像系统。CCD 摄像机是一种用来模拟人眼的光电探测器, 它具有尺寸小、质量轻、功耗小、噪声低、动态范围大、光计量准确、其线扫描输出的光电信号有利于后续信号处理等优良特性, 在汽车行业也得到了广泛的应用。利用传统的摄像机, 如面阵C C D, 可获得被测视野的二维图象, 但无法确

5、定与被测物体之间的距离。只使用一个c c D 摄像机的系统称为单目摄像系统, 在汽车上常用于倒车后视系统, 辅助驾驶员获得后视死角信息, 以避免倒车撞物。为获得目标三维信息, 模拟人的双目视觉原理, 利用间隔固定的两台摄像机同时对同一景物成像, 通过对这两幅图像进行计算机分析处理, 即可确定视野中每个物体的三维坐标, 这一系统称为双目摄像系统。双目摄像系统模仿人体视觉原理, 测量精度高。但目前价格较高, 同时由于受软件和硬件的制约, 成像速度较慢。随着计算机软硬件性能的提高, 最终将得到广泛应用。1.3激光测距激光测距仪是一种光子雷达系统, 它具有测量时间短、量程大、精度高等优点, 在许多领域

6、得到了广泛应用。目前在汽车上应用较广的激光测距系统可分为非成像式激光雷达和成像式激光雷达。非成像激光雷达根据激光束传播时间确定距离。激光束在传播路上遇到前车发生反射。测量从发射时刻到反射光返回到发射点所经过的时间t , 便可计算出车距。其计算公式同超声波测距公式, 不同的是速度。为光速, v= 3 xl os m 八。. 从高功率窄脉冲激光器发射出来的激光脉冲经发射物镜聚焦成一定形状的光束后, 用扫描镜左右扫描, 向空间发射, 照射在前方车辆或其它目标上, 其反射光经扫描镜、接收物镜及回输光纤, 被导人到信号处理装置内光电二极管, 利用计数器计数激光二极管启动脉冲与光电二极管的接收脉冲间的时间

7、差, 即可求得目标距离。利用扫描镜系统中的位置探测器测定反射镜的角度即可测出目标的方位。成像式激光雷达又可分为扫描成像激光雷达和非扫描成像激光雷达。扫描成像激光雷达把激光雷达同二维光学扫描镜结合起来, 利用扫描器控制出射激光的方向, 通过对整个视场进行逐点扫描测量, 即可获得视场内目标的三维信息。但扫描成像激光雷达普遍存在成像速度过慢的问题, 这有待于软、硬件的进一步改善。非扫描成像式激光雷达将光源发出的经过强度调制的激光经分束器系统分为多束光后沿不同方向射出, 照射待测区域。被测物体表面散射的光经微通道图像增强板(M C P 混频输出后, 由面阵C C D 等二维成像器接收, C C D每个

8、像元的输出信号提供了相应成像区域的距离信息。利用信息融合技术即可重建三维图像。由于非扫描成像激光雷达测点数目大大减少, 从而提高了系统三维成像速度。在汽车测距系统中, 非成像激光雷达更具有实用价值。同成像式激光雷达相比, 具有造价低, 速度快, 稳定性高等特点。由于激光雷达测距仪工作环境处于高速运动的车体中, 振动大, 对其稳定性、可靠性提出了较高的要求, 其体积也受到了一定的限制, 同时还要考虑省电、低阶、对人眼安全等因素。这些决定了其光源只能采用半导体激光器。已处于实用阶段的激光雷达所需要的光学元件在市场上有售, 价格比较高。目前, 在汽车上上述各种激光雷达测距仪均有应用, 但成像式激光雷

9、达还在进一步研究之中。1.4毫米波雷达测距雷达是利用目标对电磁波反射来发现目标并测定其位置的。雷达的工作频率从3M H: 到30 G H z 的范围内, 其对应波长为1 0 m 到l m m , 工作频率在30 G H z 以下的雷达称为微波雷达, 工作频率在30 G H z 以上的雷达称为毫米波雷达。作为车载雷达, 一般选用6 0 G H z 、1200 G H z 、180G H z 波段, 其对应波长为毫米级, 故称毫米波雷达。与3 0 G H z 以下的微波相比, 毫米波频率高, 波长短, 一方面可缩小从天线辐射的电磁波射束角幅度, 从而减少由于不需要的反射所引起的误动作和干扰, 另一

10、方面由于多普勒频移大, 相对速度的测量精度高, 因而在汽车领域一般不使用微波而使用毫米波。作为长距离传感器, 与其它方式相比, 毫米波测距具有以下特点: 一是探测性能稳定。与光学式相比, 它不易受对象表面形状和颜色的影响, 与超声波相比, 它不受大气紊流的影响。二是环境适应性能好。受雨、雪、雾、阳光、污尘的干扰小, 探测性能下降小。毫米波雷达测距, 能探测多目标, 多目标分辨力好, 探测精度高, 受天气影响较小, 已达到实用水平。作为车载雷达, 目前适用的形式主要有脉冲多普勒雷达, 双频C 勺犷雷达和FM 雷达三种。但却存在电磁波干扰问题, 必须防止因雷达装置相互间以及其它通信设施的电磁波干扰

11、而发生误动作。目前, 毫米波雷达在汽车上应用最多是作为防撞雷达, 防止在高速公路上发生追尾碰撞。2车辆测距仪2.1 测距仪的分类根据测距方式的不同, 车辆测距仪也分为: 激光测距仪、超声波测距仪、微波雷达、红外线测距仪、视觉测距系统。2.11激光测距仪激光测距仪具有结构相对简单、高单色性、高方向性、相干性好、测量时问短、量程大、精度高、探测距离远、能识别道路状况、价格便宜等优点, 在许多领域得到了广泛应用。目前在汽车上应用较广的激光测距系统可以分为非成像式激光雷达和成像式激光雷达。按测量原理不同可分为脉冲式激光测趾雷达和相位式激光测距雷达。脉冲式激光测距原理: 测距仪发射出的激光经被测量物体反

12、射后又被测距仪接收, 测距仪同时记录激光往返的时间, 再利用光在介质中传播的速度一定, 计算得到测距仪与被测物体之间的距离。脉冲法测量趴离的精度一般是在士1 米。相位式激光测距仪利用无线电段的频率, 对激光束进行幅度调制后, 测定调制光往返一次所产生的相位调制, 再根据调制光的波长, 换算出相位延迟所代表的距离。1. 了.22声波测距仪超声波是指振动频率在2 0 kHz 以上的机械波。其穿透性较强, 具有定的方向性, 传输过程中衰减较小, 反射能力较强。超声波作为一种特殊的声波, 同样具有声波传输的基本物理特性, 超声波测距仪9 就是利用其反射特性来工作的。超声波测距的方法有声波幅值检测法、相

13、位检测法和渡越时间法等。相位检测法虽精度高, 但检测范围有限; 声波幅值检测法易受发射波影响; 渡越时问检测上作方式简单、直观, 在硬件控制和软件设计容易实现, 其原理是检测从发射传感器发射超声波到经气体介质传播后接收传感器接收超声波的时间差, ,t 可由单片机计脉冲个数的方法实现。超声波测距仪原理简单, 制作方便, 成本比较。但其作为高速行驶车辆上的测距传感仪不可, 主要有以下两方面原因: 一是超声波的速度受低取外界环境变化影响较大, 在不同的温度下超声波速度是不同的; 一几是超声波能量与距离的平方成正比衰减, 故趴离越远, 反射回的超声波越少, 灵敏度下降很快, 从而使得超声波测距方式只适

14、用于较短距离。目前国内外一般的超声波理想测距为4一5 米, 因此一般只用于汽车倒车防撞系统上。2.3微波测距雷达由于电磁波经过一定的距离就会引起相位变化, 微波雷达通过测定被测物体反射波与发射波的相位变化来确定两点问的距离。当前, 微波雷达的使用频率主要集中在2 3 一2 4, 6 0 一6 1,7 6 一7 7GHZ 三个频段, 波长均为毫米级, 也称为毫米波雷达。在这此特殊频段卜, 由于大气中水蒸汽、氧分子的吸收和散射作用产生出衰减尖峰, 使得雷达信号的传播被限制在一个较短的范围之内, 从而可以尽量降低对其它车辆雷达或无线电设备的影响, 并减少对周围人体的辐射。雷达测距技术存在电磁波干扰问

15、题, 因此必须防l 卜因雷达装置间以及其它通信设施的电磁波雷达干扰而发生误操作。目前, 微波需达在汽车上应用最多是作为防撞雷达, 防在高速公路上发生追尾碰撞。 红外线测距仪红外线的波长比可见光光线长, 有显著的热效应和较强的穿透云雾能力, 车载仪器通过接收前方物体反射回的红外线, 依据信号强弱及波长的不同, 通过分析时间差, 可得出前方物体的性质及其与本车的趴离。由于红外线是肉眼看不见的光, 具有极强的隐蔽性, 夜间同样不妨碍测距仪的_l几作 。红外线成像技术可分为: 温度探测的远红外技术、用于夜视的近红外技术。温度探测红外线技术可探测到具有温度的生物, 并可将物体辐射出的热量显示为影像; 夜

16、视红外线技术1二要用几夜间等视线不良的情况, 可探测到比车灯照射更远的趾离, 但容易受到对面灯光影响, 土要用几夜视等辅助路况显示。为解决夜间视线不佳问题, 车辆的夜视测距系统一般会以红外线作为辅助光源, 但其目前价格还比较高, 多局限在某些高级车种_ L。汽车所使用的夜视系统, 大多为近红外线和远红外线类型2.4视觉测距系统计算机视觉技术测距精度高, 并可在测距的过程中利用图像中包含的大量信息实现其它辅助驾驶功能, 例如车道状态的估计、交通标志和信号的识别、牌照识别、车辆偏离车道中心的偏离程度等。随着计算机硬件的计算能力提高, 计算机视觉技术在领域中的应用已基本达到实时处理的要求。在视觉技术

17、的应用中, 通常有单日系统和双目系统( 或多日系统 两种方式。双日视觉模仿人类利用双目视差感知趴离的方法, 用两个摄像机对同一景物从不同位置成像, 进而从视差中恢复距离。但它有一个致命弱点 图像匹配问题,3测距系统在汽车中的应用实例英菲尼迪FX50上装备了智能巡航控制系统ICC (intelligence cruise control, 它通过激光传 感器能够测S 与前车的距离，Q 动控制加速或制动 以保持由驾驶者设定的车距。与其他）厂商类似的配置相比，FX50装备的CC (cruise control 巡航控制）工作范围史广，车速仅需超过40公里/小吋即可启动，上限则为180公里/小时。即使

18、在ICC 系 统未开启的情况下，当驾驶者踩下制动踏板时可以提供更大的制动辅助力。奥迪A6的倒车系统就是采用超声波测距， 它依靠探头发射并接收超声波来测量车身与障碍 物之间的距离，当距离小于一定值时，蜂鸣器就会 自动报警，距离越近，响声越急促。日本丰田公司与Denso 公司、三菱公司合作开发的电子扫描式毫米波（electronically scanning MMff 雷达，采用调频连续波测距方式，结构紧凑、 抗干扰性能好。它是世界上第一款采用先进的相控 阵技术的车用雷达。与机械扫描雷达相比，相控阵 雷达的天线无需转动，波柬扫描更加灵活，对目标 识别的性能优异。宝马7系列利远红外线夜视系统，利州远

19、红 外线检测行人、动物及障碍物后将影像显示在屮央 仪表盘的导航仪屏幕上。该夜视系统的可检测距离 最大为300m, 当以100km/h的车速行驶时，能够提 前5秒预测道路h 存在危险的地方。此外，还具备 根据行驶状况左右摆动夜视系统的影像，以及放大 显不远方对象物的功能。该公司表不，如果详细显 不夜视系统的影像，驾驶员的注意力就会集屮在这 影像卜. ，因此采用了不详细显示而能够以影子的形式来识别出行人的影像赛灵思公司(Xilinx Inc在 Electronic 2008 展会上展示了针对视觉化驾驶辅助系统的赛灵思 汽车光流（XA Optical Flow 解决方案。这一方 案基于赛灵思Spar

20、tan(R-3器件和DDC Optical Flow IP内核，还有创新的运动估计算法。Optical Flow IP内核从车载相机系统所获得的视频图像中 提取关于道路的相关信息。提取出的运动图像被分 成独立的对象（像素块）并利用块匹配技术对其进 行处理，输出是二维向量地图，可用来评估碰撞威 胁。它可提供扩展处理能力，并能够灵活地从视频 帧序列中抽取相对运动信息所需要的像素级图像 处理功能。基于 FPGA (Field-Programmable Gate Array, 现场可编程门阵列）的具体实现提供了 一 组nj 调整的参数，可针对目标应用要求对性能进行 精细调整。其速度可以满足高级视觉驾驶

21、辅助应用要求。4. 测距技术在汽车上存在的问题及发展趋势车用测距仪首先要解决的技术难题就是减少 误报。由于车辆在道路中行驶状况十分复杂，并线、 移线、转弯、上下坡以及道路两旁的静态护栏、标 志牌，还有各种恶劣天气的影响等，使得雷达对主 目标的识别十分困难，误报率很高。尽管某些测距 仪具有二维，甚至三维的目标探测能力，但迄今为 止，没有任何一个传感器能保证在任何时刻提供完 全可靠的信息。要想完全解决好误报问题，还需要 米取多传感器之间的信息融合技术。如美国Delphi 公司的汽车防摘系统就采用了激光、微波和机器视 觉等多种传感器的信息融合，实现了信息分析、综 合和平衡，利用数据间的冗余性和互补特

22、性进行容 错处理，克服了申传感器可靠性低、有效探测范 围小等缺点，有效地降低了误报率。微波雷达必须满足电磁敗容性要求，即雷达在其电磁环境中运行须符合要求，并不对其环境中的 任何设备产生无法忍受的电磁干扰。目前，世界上 还没有统一的车用微波雷达使用频带。日本是世界 上唯一将车用微波雷达的频段确定在6061GHz 的 国家。近几年，又将7677GHz 频段作为车用雷达 系统使用频段。在欧洲，欧盟委员会决定，从2005 年下半年至2013年期间，在整个欧盟范_内，将 24GHz作为车用雷达的使用频带。考虑到其它无线 通信业务的发展，2013年以后，将频带凋整为 79GHz 。在美围则使用24、7677GHz 两个频带。 因此，需要对车载雷达规定统一的专W 频带，从技 术上保证车用雷达在无干扰的条件下正常使用，确 保道路交通安全。相对于激光、雷达和超声波等传感器, 视觉测 距系统具有探测范围宽、R 标信总完整、价格相对 便宜，而且更符合人的认知习惯等优点，特别在对 道路及车道线的探测方而，视觉信号具有无法替代的优势。参考文献1胡凤忠1, 赵广复