第2章 智能网联汽车智能传感器技术

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页第2章智能网联汽车智能传感器技术2.1超声波雷达2.2毫米波雷达2.3激光雷达2.4视觉传感器2.5传感器融合技术2.6智能传感器配置实例

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页2.1超声波雷达——定义声波是一种在气体、液体、固体中传播的弹性波。分为次声波（f＜20Hz）、声波（20Hz≤f≤20kHz）和超声波（f>20kHz）。声波是人耳能听到的声音；次声波和超声波是人耳听不到的声音。超声波雷达也称超声波传感器，它是利用超声波特性研制而成，是在超声波频率范围内将交变的电信号转换成声信号或将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。2.1超声波雷达——定义2023/9/2超声波雷达在汽车上经常用于倒车，所以也称倒车雷达2.1超声波雷达——特点2023/9/2（1）超声波雷达的频率都相对固定，例如汽车上用的超声波雷达，频率有40kHz、48kHz和58kHz等，频率不同，探测的范围也不同。（2）超声波雷达结构简单，体积小，成本低，信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制。（3）超声波雷达灵敏度较高。（4）超声波雷达抗环境干扰能力强，对天气变化不敏感。（5）超声波雷达可在室内、黑暗中使用。2.1超声波雷达——特点2023/9/2（1）探测距离短，一般为3~5m，因此应用范围受到限制。（2）适合于低速，在速度很高的情况下测量距离具有一定的局限性。（3）超声波有一定的扩散角，只能测量距离，不可以测量方位，所以只能在低速时使用，而且必须在汽车的前、后保险杠不同方位上安装多个超声波雷达。（4）对于低矮、圆锥、过细的障碍物或者沟坎，超声波雷达不容易探测到。（5）超声波雷达存在盲区。2.1超声波雷达——组成2023/9/2超声波雷达内部有一个发射头和一个接收头，安装在同一面上。在有效的检测距离内，发射头发射特定频率的超声波，遇到检测面反射部分超声波；接收头接收返回的超声波，由芯片记录声波的往返时间，并计算出距离值；超声波雷达可以通过模拟接口和IIC接口两种方式将数据传输给控制单元2.1超声波雷达——原理2023/9/2发射头发出的超声波脉冲，经媒质（空气）传到障碍物表面，反射后通过媒质（空气）传到接收头，测出超声脉冲从发射到接收所需的时间，根据媒质中的声速，求得从探头到障碍物表面之间的距离。L＝vt/22.1超声波雷达——技术参数2023/9/21．测量距离——取决于其使用的波长和频率；波长越长，频率越小，测量距离越大。测量汽车前后障碍物的短距超声波雷达测量距离一般为0.15~2.50m；安装在汽车侧面、用于测量侧方障碍物距离的长距超声波雷达测量距离一般为0.30~5.0m。2．测量精度——传感器测量值与真实值的偏差。超声波雷达测量精度主要受被测物体体积、表面形状、表面材料等影响。测量精度越高，感知信息越可靠。测量精度要求在±10cm以内。2.1超声波雷达——技术参数2023/9/23．探测角度——水平视场角和垂直视场角。2.1超声波雷达——技术参数2023/9/24．工作频率——发射频率要求是40±2kHz，这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比。5.工作温度——由于超声波雷达应用广泛，有的应用场景要求温度很高，有的应用场景要求温度很低，因此，超声波雷达必须满足工作温度的要求。工作温度一般要求-30℃~+80℃。2.1超声波雷达——产品2023/9/2驻车辅助传感器（UPA）0.15~2.5m泊车辅助传感器（APA）0.3~5m2.1超声波雷达——应用2023/9/2自动泊车辅助系统——SAEL2级2.2毫米波雷达——定义毫米波是指波长为1~10mm的电磁波，对应的频率范围为30~300GHz。毫米波雷达是工作在毫米波频段的雷达，它通过发射与接收高频电磁波来探测目标，后端信号处理模块利用回波信号计算出目标的距离、速度和角度等信息2023/9/22.2毫米波雷达——特点（1）探测距离远，可达200m以上。（2）探测性能好，金属电磁反射强，其探测不受颜色与温度的影响。（3）响应速度快，传播速度与光速一样，可以快速地测量出目标的距离、速度和角度等信息。（4）适应能力强。毫米波具有很强的穿透能力，在雨、雪、大雾等恶劣天气依然可以正常工作。（5）抗干扰能力强，一般工作在高频段，而周围噪声和干扰处于中低频区，基本上不会影响毫米波雷达的正常运行2023/9/22.2毫米波雷达——特点（1）毫米波雷达是利用目标对电磁波的反射来发现并测定目标位置，而充满杂波的外部环境给毫米波雷达感知带来经常带来虚警问题。（2）覆盖区域呈扇形，有盲点区域。（3）无法识别交通标志和交通信号灯。（4）无法识别道路标线。2023/9/22.2毫米波雷达——组成在工作状态时，发射模块通过天线将电信号（电能）转化为电磁波发出；接收模块接收到射频信号后，将射频电信号转换为低频信号；再由信号处理模块从信号中获取距离、速度和角度等信息。必要条件还在于软件算法的实现。2023/9/22.2

毫米波雷达——工作过程2023/9/22.2

毫米波雷达——测量原理多普勒效应是当目标相对于辐射源发生运动时，目标对回波信号产生调制作用从而使回波信号中心频率发生偏移的现象2023/9/22.2

毫米波雷达——测量原理2023/9/22.2

毫米波雷达——测量原理2023/9/22.2毫米波雷达——技术参数（1）最大探测距离——所能检测目标的最大距离。（2）距离分辨率——在规定条件下，能区分前后临近两个目标的最小距离间隔。（3）距离灵敏度——单目标的距离变化时，可探测的最小绝对变化距离值。（4）距离测量精度——测量单目标时，目标距离的测量值与其真值之差。（5）最大探测速度——能够探测目标的最大速度。2023/9/22.2毫米波雷达——技术参数（6）速度分辨率——区分两个同一位置的目标速度的能力（7）速度灵敏度——单目标的速度变化时，可探测的最小绝对变化速度值。（8）速度测量精度——测量单目标时，目标速度的测量值与其真值之差。（9）视场角——有效识别目标的探测范围，分为水平视场角和垂直视场角。（10）角度分辨率——在规定条件下，能区分左右临近两个目标的最小角度间隔。2023/9/22.2毫米波雷达——技术参数（11）角度灵敏度——单目标的角度变化时，可探测的最小绝对变化角度值。（12）角度测量精度——测量单目标时，目标角度的测量值与其真值之差。（13）识别率——正确识别目标信息的程度。（14）误检率——将目标识别为一个错误目标的比例。（15）漏检率——未能识别目标报文的比例。2023/9/22.2毫米波雷达——类型近距离（SRR）毫米波雷达一般探测距离小于60m中距离（MRR）毫米波雷达一般探测距离为100m左右；远距离（LRR）毫米波雷达探测距离一般大于200m。有的企业只分为近距离雷达和远距离雷达，具体探测距离以产品说明书为准。2023/9/22.2毫米波雷达——类型划分有24GHz、60GHz、77GHz和79GHz毫米波雷达，主流可用频段为24GHz和77GHz；距离分辨率和精度将会提高约20倍。例如，24GHz毫米波雷达的距离分辨率为75cm，而77GHz毫米波雷达则提高到4cm，可以更好地探测多个彼此靠近的目标。2023/9/22.2

毫米波雷达——产品2023/9/22.2

毫米波雷达——产品2023/9/22.2

毫米波雷达——产品2023/9/22.2

毫米波雷达——产品2023/9/22.2

毫米波雷达——产品2023/9/22.2

毫米波雷达——应用自适应巡航控制系统2023/9/22.2

毫米波雷达——应用前向碰撞预警系统2023/9/22.2

毫米波雷达——应用自动紧急制动系统2023/9/22.2

毫米波雷达——应用盲区监测系统2023/9/22.2

毫米波雷达——应用变道辅助系统：盲区监测、变道预警、后向碰撞预警2023/9/22.2

毫米波雷达——应用后向碰撞预警系统2023/9/22.2

毫米波雷达2023/9/22.3

激光雷达——定义激光雷达是工作在光波频段的雷达，它利用光波频段的电磁波先向目标发射探测信号，然后将其接收到的同波信号与发射信号相比较，从而获得目标的位置（距离、方位和高度）、运动状态（速度、姿态）等信息，实现对目标的探测、跟踪和识别。2023/9/22.3

激光雷达——定义2023/9/22.3

激光雷达——特点探测范围广：可达300m以上。分辨率高：距离分辨率可达0.1m；速度分辨率能达到10m/s以内；角度分辨率不低于0.1mard信息量丰富：探测目标的距离、角度、反射强度、速度等信息，生成目标多维度图像可全天候工作：不依赖于外界条件或目标本身的辐射特性与毫米波雷达相比，产品体积大，成本高。不能识别交通标志和交通信号灯2023/9/22.3

激光雷达——组成发射系统、接收系统、信号处理与控制系统组成2023/9/22.3

激光雷达——组成2023/9/22.3

激光雷达——测距原理2023/9/22.3

激光雷达——主要指标（1）最大探测距离：通常需要标注基于某一个反射率下的测得值，例如白色反射体大概70%反射率，黑色物体7%～20%反射率（2）距离分辨率：是指两个目标物体可区分的最小距离（3）测距精度：是指对同一目标进行重复测量得到的距离值之间的误差范围（4）测量帧频：测量帧频与摄像头的帧频概念相同，刷新率越高，响应速度越快2023/9/22.3

激光雷达——主要指标（5）数据采样率：是指每秒输出的数据点数，等于帧率乘以单幅图像的点云数目（6）角度分辨率：是指扫描的角度分辨率，等于视场角除以该方向所采集的点云数目（7）视场角：又分为垂直视场角和水平视场角，是激光雷达的成像范围（8）波长：波长会影响雷达的环境适应性和对人眼的安全性2023/9/22.3

激光雷达——类型机械激光雷达：带有控制激光发射角度的旋转部件探测距离为0.3~200m，水平视场角为360°，垂直视场角为-16°~7°，线束1~6相邻两条线之间的垂直角分辨率为1°，线束6~30相邻两条线之间的垂直角分辨率为0.33°，线束30~40相邻两条线之间的垂直角分辨率为1°2023/9/22.3

激光雷达——类型固态激光雷达：依靠电子部件来控制激光发射角度，无须机械旋转部件，故尺寸较小，可安装于车体内激光雷达公司Quanergy在2016年发布的号称全球首款的固态激光雷达S3，可以达到厘米级精度，30Hz扫描频率，0.1°的角分辨率2023/9/22.3

激光雷达——类型混合固态激光雷达：没有大体积旋转结构，采用固定激光光源，通过内部玻璃片旋转的方式改变激光光束方向，实现多角度检测的需要，并且采用嵌入式安装32线混合固态UltraPuckAuto；16线机械式VLP-162023/9/22.3

激光雷达——类型单线束激光雷达2D数据只能测量距离2023/9/22.3

激光雷达——类型单线束激光雷达，2D数据，只能测量距离多线束激光雷达：4线束、8线束、16线束、32线束、64线束、128等，其细分可分为2.5D激光雷达及3D激光雷达2.5D：垂直视野范围一般不超过10°3D：可达到30°甚至40°以上2023/9/22.3

激光雷达——产品美国威力登（Velodyne）公司开发的128线束激光雷达的探测距离约是HDL-64E的3倍，达到300m，分辨率则是10倍，尺寸缩小了70%。该产品是为L5级别自动驾驶而开发的2023/9/22.3

激光雷达——产品6.激光雷达的主要指标2023/9/22.3

激光雷达——产品2023/9/22.3

激光雷达——应用2023/9/22.3

激光雷达——应用多线束激光雷达具有高精度电子地图和定位、障碍物识别、可通行空间检测、障碍物轨迹预测等功能。L4级和L5级使用多线束激光雷达，360°发射激光，从而达到360°扫描，获取车辆周围行驶区域的三维点云，通过比较连续感知的点云、物体的差异检测其运动，由此创建一定范围内的3D地图2023/9/22.3

激光雷达——应用高精度电子地图2023/9/22.2.4

激光雷达——应用障碍物检测与识别2023/9/22.2.4

激光雷达——应用可行空间检测2023/9/22.3

激光雷达——应用精准定位和路径跟踪必须依靠激光雷达和高精度地图等2023/9/22.4

视觉传感器——定义视觉传感器是指通过对摄像头拍摄到的图像进行图像处理，对目标进行检测，并输出数据和判断结果的传感器。视觉传感器在智能网联汽车或无人驾驶汽车上的应用是以摄像头（机）出现，并搭载先进的人工智能算法，便于目标检测和图像处理。2023/9/22.4

视觉传感器——特点（1）信息量极为丰富：不仅包含有视野内物体的距离信息，而且还有该物体的颜色、纹理、深度和形状等信息（2）多任务检测：在视野范围内可同时实现道路检测、车辆检测、行人检测、交通标志检测、交通信号灯检测等（3）视觉SLAM，通过摄像头可以实现同时定位和建图（4）实时获取场景信息：提供的信息不依赖于先验知识，比如GPS导航依赖地图信息，有较强的适应环境的能力（5）与机器学习、深度学习等人工智能加快融合2023/9/22.4

视觉传感器——组成视觉传感器主要由光源、镜头、图像传感器、模/数转换器、图像处理器、图像存储器等组成，其主要功能是获取足够的机器视觉系统要处理的原始图像2023/9/22.4

视觉传感器——成像原理2023/9/22.4

视觉传感器——成像原理2023/9/22.5

视觉传感器——图像传感器技术参数（1）像素：像素是图像传感器的感光最小单位，即构成影像的最小单位。像素的多少是由CCD/CMOS上的光敏元件数目所决定的，一个光敏元件就对应一个像素。因此像素越大，意味着光敏元件越多，相应的成本就越大。像素用两个数字来表示，如720×480，720表示在图像长度方向上所含的像素点数，480表示在图像宽度方向上所含的像素点数，二者的乘积就是该相机的像素数（2）帧率：帧率代表单位时间所记录或播放的图片的数量；高的帧率可以得到更流畅、更逼真的视觉体验。2023/9/22.5

视觉传感器——图像传感器技术参数

（3）靶面尺寸：就是图像传感器感光部分的大小。一般用英寸来表示，通常这个数据指的是这个图像传感器的对角线长度，如常见的有1/3英寸，靶面越大，意味着通光量越好，而靶面越小则比较容易获得更大的景深（4）感光度：代表入射光线的强弱。感光度越高，感光面对光的敏感度就越强，快门速度就越高（5）信噪比：是信号电压对于噪声电压的比值，典型值为45～55dB，信噪比越大说明对噪声的控制越好2023/9/22.4

视觉传感器——相机内部参数主要有焦距、光学中心、图像尺寸和畸变系数等焦距有可变焦距和不可变焦距，一般用mm表示。2023/9/22.4

视觉传感器——相机内部参数相机的镜头是由多个镜片构成的复杂光学系统，光学系统的功能等价于一个薄透镜，实际上薄透镜是不存在的。光学中心是这一等价透镜的中心。不同结构的镜头其光学中心位置也不一样，大部分在镜头内的某一位置，但也有在镜头前方或镜头后方的。图像尺寸是指构成图像的长度和宽度，可以用像素为单位，也可以用cm为单位。2023/9/22.4

视觉传感器——相机内部参数畸变系数分为径向畸变系数和切向畸变系数。径向畸变发生在相机坐标系转像物理坐标系的过程中；径向畸变主要包括枕形畸变和桶形畸变两种，2023/9/22.4

视觉传感器——相机内部参数切向畸变产生的原因是透镜不完全平行于图像2023/9/22.4

视觉传感器——相机外部参数相机的外部参数是指相机的安装位置，即相机离地高度以及相机相对于车辆坐标系的旋转角度。离地高度是指从地面到相机焦点的垂直高度；相机相对于车辆坐标系的旋转角度有俯仰角、偏航角和横滚角。外部参数可以通过棋盘格标定获得。2023/9/22.4

视觉传感器——类型单目双目三目环视2023/9/22.4

视觉传感器——产品2023/9/22.4

视觉传感器——应用视觉传感器主要应用于车道偏离预警、车道保持辅助、前向碰撞预警、行人碰撞预警、交通标志识别、盲区监测、夜视辅助、自动泊车辅助、全景泊车、驾驶员疲劳预警等2023/9/22.5

视觉传感器——应用车道偏离预警系统2023/9/22.5

视觉传感器——应用车道保持辅助系统2023/9/22.5

视觉传感器——应用前向碰撞预警系统2023/9/22.5

视觉传感器——应用行人碰撞预警系统2023/9/22.5

视觉传感器——应用交通标志识别系统2023/9/22.2.5

视觉传感器2023/9/2智能传感器比较2023/9/2智能传感器比较2023/9/22.5传感器融合技术——融合原理传感器的融合就是将多个传感器获取的数据、信息集中在一起综合分析，以便更加准确、可靠地描述外界环境，从而提高系统决策的正确性。多传感器信息融合的优势在于，能够综合利用多种信息源的不同特点，多方位获得相关信息，从而提高整个系统的可靠性和精准度。未来传感器融合技术将显得更加重要，并且会成为一种趋势。多传感器信息的融合是无人驾驶安全出行的前提。2023/9/22.5传感器融合技术——融合原理（1）分布式。先对各个独立传感器所获得的原始数据进行局部处理，然后再将结果送入信息融合中心进行智能优化组合来获得最终的结果。分布式对通信带宽的需求低，计算速度快，可靠性和延续性好，但跟踪的精度却远没有集中式高2023/9/22.5传感器融合技术——融合原理（2）集中式。集中式将