智能网联汽车技术 课件 人大 项目1、2 智能网联汽车技术概述、雷达在智能网联汽车中的应用

智能网联汽车技术21世纪技能创新型人才培养系列教材·汽车系列主编王皓张春蓉项目一智能网联汽车技术概述汽车已成为人们生活不可或缺的部分，汽车工业也成为世界各国的支柱产业。，2020年底全国机动车保有量达到3.72亿辆，其中汽车保有量达到2.81亿辆，全国有70个城市的汽车保有量超过百万辆，31个城市超200万辆，13个城市超300万辆。汽车保有量的迅速增加带动了经济发展和人民生活水平的提高，但能源短缺、环境污染、交通拥堵、事故频发等现象日益显现。项目一智能网联汽车技术概述智能网联汽车被公认为这些问题的有效解决方案，代表着汽车行业未来的发展方向。智能网联汽车是新一轮科技革命背景下的新兴产业，可有效降低交通事故发生率、实现节能减排、缓解交通拥堵、提高通行效率，对促进汽车产业转型升级具有重大战略意义任务一智能网联汽车的定义与组成一、智能网联汽车相关概念智能网联汽车融合了智能技术、互联网技术、汽车技术等。1、智能汽车智能车辆就是在普通车辆上增加了先进的传感器（如雷达、摄像头等）、控制器、执行器等装置，通过车载环境感知系统和信息终端，实现人、车、路的信息交换，使车辆具备智能环境感知能力，能够自动分析车辆行驶的安全及危险状态，并使车辆按照人的意愿到达目的地，最终实现替代人来操作的目的的汽车。

任务一智能网联汽车的定义与组成任务一智能网联汽车的定义与组成智能汽车是搭载先进传感系统、决策系统、执行系统，运用信息通信、互联网、大数据、云计算、人工智能等新技术，具有部分或完全自动驾驶功能，由单纯交通运输工具逐步向智能移动空间转变的新一代汽车。存有全国高速公路、普通公路、城市道路以及各种服务设施（餐饮、旅馆、加油站、景点、停车场）等资料的导航信息库；能够精确定位车辆位置并与导航信息库中的数据进行对比，以确定行驶方向的GPS定位系统；任务一智能网联汽车的定义与组成能够接收交通管理中心提供的实时道路状况信息（如堵车、事故），必要时改变行驶路线的道路状况信息系统；用于控制与其他车辆的距离，以便在探测到障碍物时及时减速或刹车，并把信息传送给指挥中心和其他车辆的车辆防碰撞系统；发生事故后，可自动报告指挥中心进行救援的紧急报警系统；任务一智能网联汽车的定义与组成用于汽车与指挥中心进行联络的无线通信系统；用于控制汽车的点火、变速和转向等的自动驾驶系统。任务一智能网联汽车的定义与组成2、无人驾驶汽车无人驾驶汽车是通过车载环境感知系统感知道路环境，并自动规划和识别行车路线，自动控制车辆到达预定目的地的汽车。无人驾驶汽车可根据感知所获得的环境参数，如道路状况、车辆位置和障碍物信息等，控制车辆的运行参数，保证车辆能够安全、可靠地在道路上行驶。无人驾驶汽车能够实现完全自动的控制，全程检测交通环境。驾驶人只需提供目的地地址或者输入导航信息，任何时候均不需要对车辆进行操控。无人驾驶汽车是汽车智能化、网络化的终极发展目标。任务一智能网联汽车的定义与组成3、车联网车联网（InternetofVehicle，IOV）是整合了车内网、车际网和车载移动互联网，并按照约定的体系架构以及通信协议和数据交互标准，实现V2X（V表示汽车；X表示道路及交通参与者，包括道路、行人及应用平台等）无线通信和信息交换，进而实现智能化交通管理、智能动态信息服务和车辆智能化控制的一体化网络，是物联网技术在智能交通系统领域的延伸。任务一智能网联汽车的定义与组成车内网是指通过成熟的总线技术建立的标准化的整车网络；车际网是指基于特定无线局域网络的动态网络；车载移动互联网是指车载单元可通过4G/5G等通信技术与互联网进行无线连接。任务一智能网联汽车的定义与组成智能交通系统（IntelligentTrafficSystem，ITS）又称智能运输系统（IntelligentTransportationSystem），是将先进的科学技术及理论（信息技术、计算机技术、数据通信技术、传感器技术、电子控制技术、自动控制理论、运筹学、人工智能等）综合有效地运用于交通运输、服务控制和车辆制造，加强车辆、道路、交通参与者三者之间的联系，从而形成一种保障安全、提高效率、改善环境、节约能源的综合运输系统。任务一智能网联汽车的定义与组成智能交通系统包括：交通信息采集系统（人工输入、GPS车载导航仪器、GPS导航手机、车辆通行电子信息卡、CCTV摄像机、红外雷达检测器、线圈检测器、光学检测仪）；信息处理分析系统（信息服务器、专家系统、GIS应用系统、人工决策）；信息发布系统（互联网、手机、车载终端、广播、路侧广播、电子情报板、电话服务台）。任务一智能网联汽车的定义与组成图1-2智能交通示意图任务一智能网联汽车的定义与组成5、智能网联汽车智能网联汽车（IntelligentConnectedVehicle，ICV）是一种跨技术、跨产业领域的新兴汽车体系。从不同角度、不同背景对它的理解是有差异的，各国对智能网联汽车的定义不同，称呼也不同，但终极目标是一样的，即可上路安全行驶的无人驾驶汽车。任务一智能网联汽车的定义与组成从狭义上讲，智能网联汽车是搭载先进的车载传感器、控制器、执行器等装置，并融合现代通信与网络技术，实现V2X智能信息交换共享，具备复杂的环境感知、智能决策、协同控制和执行等功能，可实现安全、舒适、节能、高效行驶，最终可替代人来操作的新一代汽车。从广义上讲，智能网联汽车是以车辆为主体和主要节点，融合现代通信和网络技术，使车辆与外部节点实现信息共享和协同控制，以达到车辆安全、有序、高效、节能行驶的新一代车辆系统。任务一智能网联汽车的定义与组成二、智能网联汽车相关概念的关系智能网联汽车、智能汽车、车联网、智能交通之间有密切的相关性，但没有明显的分界线，它们相互之间的关系如图1-4所示。图1-4智能网联汽车相关概念的关系任务一智能网联汽车的定义与组成三、智能网联汽车发展的技术路线1、基于传感器的车载式技术路线这类技术路线基于先进传感技术，可与传统汽车制造业深度融合，主要通过先进的传感器，如立体摄像机和雷达，结合驱动器、控制单元以及软件的组合，形成先进的驾驶辅助系统，使得汽车能够监测和应对周围的环境。该路线的推动者是以奔驰、宝马、沃尔沃、福特等为代表的汽车整车企业。任务一智能网联汽车的定义与组成2、基于车辆互联的网联式技术路线这类技术路线表现为互联网思维对传统汽车驾驶模式的变革，推动者主要是以谷歌、苹果等为代表的互联网企业。这类企业重点开发车载信息系统，并与汽车厂商合作开发推广导航、语音识别、娱乐、安全等方面的应用程序和应用技术。任务一智能网联汽车的定义与组成四、智能网联汽车的关键技术智能网联汽车涉及整车零部件、信息通信、智能交通、地图定位等多领域技术，可将技术架构划分为“三横两纵”。“三横”指车辆关键技术、信息交互关键技术与基础支撑关键技术；“两纵”指支撑智能网联汽车发展的车载平台与基础设施，如图1-5所示。任务一智能网联汽车的定义与组成图1-5智能网联汽车“三横两纵”关键技术架构任务一智能网联汽车的定义与组成1、两纵基础设施包括交通设施、通信网络、大数据平台、定位基站等。基础设施将逐步向数字化、智能化、网联化和软件化方向升级，以更好地支撑智能网联汽车发展。2、三横“三横”架构涉及的3个领域的关键技术可以细分为以下9种：任务一智能网联汽车的定义与组成（1）环境感知技术。包括利用机器视觉的图像识别技术，利用雷达（激光、毫米波、超声波）的周边障碍物检测技术，多源信息融合技术，传感器冗余设计技术等。（2）智能决策技术。包括危险事态建模技术，危险预警与控制优先级划分，群体决策和协同技术，局部轨迹规划，驾驶人多样性影响分析等。（3）控制执行技术。包括面向驱动/制动的纵向运动控制，面向转向的横向运动控制，基于驱动/制动/转向/悬架的底盘一体化控制，融合车联网（V2X）通信及车载传感器的多车队列协同和车路协同控制等。任务一智能网联汽车的定义与组成（4）V2X通信技术。包括车辆专用通信系统，实现车间信息共享与协同控制的通信保障机制，移动自组织网络技术，多模式通信融合技术等。（5）云平台与大数据技术。包括智能网联汽车云平台架构与数据交互标准，云操作系统，数据高效存储和检索技术，大数据的关联分析和深度挖掘技术等。（6）信息安全技术。包括汽车信息安全建模技术，数据存储、传输与应用三维度安全体系，汽车信息安全测试方法，信息安全漏洞应急响应机制等。任务一智能网联汽车的定义与组成（7）高精度地图与高精度定位技术。包括高精度地图数据模型与采集式样、交换格式、物理存储的标准化技术，基于北斗地基增强的高精度定位技术，多源辅助定位技术等。（8）标准法规。包括ICV整体标准体系，以及涉及汽车、交通、通信等领域的关键技术标准。（9）测试评价。包括ICV测试评价方法与测试环境建设。任务二智能网联汽车的发展一、智能网联汽车的发展历程和趋势1、智能网联汽车的发展历程20世纪20年代就有无线电公司在一辆Chandler上安装了一个无线电接收设备，通过无线电信号操控车上的马达，进而控制方向盘、制动器、加速器等。在1939年纽约世博会上，工程师们就提出了未来汽车将在高速公路和城市中自动驾驶的设想。任务二智能网联汽车的发展20世纪70年代以后，电子技术和信息技术的发展为智能网联汽车的发展提供了技术支撑，智能网联汽车真正进入了发展的快车道。1977年，日本开发出了第一辆基于摄像头检测导航信息的自动驾驶汽车。这辆车配备了两个摄像头，并用模拟计算机技术进行信号处理，但需要高架轨道的辅助。这是所知最早开始使用视觉设备进行无人驾驶的尝试。20世纪80年代初期，美国国防部大规模资助自主陆地车辆ALV（AutonomousLandVehicle）的研究，设计出无人车去危险地带执行巡逻任务，其中第三代智能车Demo3便能满足有路和无路的情况下的自动驾驶。1989年，卡内基梅隆大学率先使用神经网络来引导控制自动驾驶汽车，由此发展形成了现代控制策略的基础。任务二智能网联汽车的发展1989年日本的科学家提出了道路—汽车通信系统（Road/AutomobileCommunicationSystems，RACS），主要用于实现车辆和路边固定位置设备（V2I）的通信，但通信距离较短，其功能在于向行驶车辆提供可靠的导航辅助、信息分发服务和双向通信服务。20世纪90年代，越来越多的便携式计算设备、摄像头、GPS设备被用于增强车辆的自动驾驶能力。任务二智能网联汽车的发展1992年，中国国防科技大学研制成功了我国第一辆真正意义上的无人驾驶汽车。由计算机及其配套的检测传感器和液压控制系统组成的汽车计算机自动驾驶系统被安装在一辆国产的中型面包车上，使该车既保持了原有的人工驾驶性能，又能够通过计算机控制进行自动驾驶。1995年，CMU大学的NabLab5实验智能车试车成功。NabLab5实验智能车由运动跑车改装而成，具有便携式计算机、摄像头、GPS全球定位系统、雷达和其他辅助设备。NabLab5智能车进行了横穿美国的实验，全程4587km，自动驾驶部分占98.2%，美国移动导航子系统（MNA）能计算出最佳行驶路径，让智能车始终行驶在最佳的路线上。2000年，中国国防科技大学研制的第4代无人驾驶汽车试验成功，最高时速达76km，创下中国最高纪录。任务二智能网联汽车的发展2003年，中国国防科技大学和中国一汽联合研发的红旗无人驾驶轿车高速公路试验成功，自主驾驶最高稳定时速13Okm，其总体技术性能和指标已经达到世界先进水平。2009年，谷歌开始了自己的无人驾驶汽车项目。2011年，红旗HQ3首次完成了从长沙到武汉，全程286km的高速全程无人驾驶试验，实测全程自主驾驶平均时速87km。2013年，奧迪、宝马、福特、日产和沃尔沃等传统整车厂入局，开发自动驾驶汽车、智能汽车。2014年，谷歌对外发布了“完全自主设计”的无人驾驶汽车。第二年，谷歌第一辆原型汽车正式亮相，并完成了上路测试。任务二智能网联汽车的发展2015年，梅赛德斯奔驰发布了超现实F015概念无人驾驶汽车。2015年，百度宣布其无人驾驶汽车已在国内首次实现城市、环路及高速道路混合路况下的全自动驾驶。测试时，最高时速达100km。2016年，长安汽车宣布完成2000km超级无人驾驶测试项目。任务二智能网联汽车的发展2、智能网联汽车的发展趋势（1）以深度学习为代表的AI技术快速发展和应用。（2）激光雷达等先进传感器加速向低成本、小型化发展。任务二智能网联汽车的发展（3）自主式智能技术与网联式智能技术加速融合。（4）高速公路与低速区域自动驾驶系统将率先应用。（5）自动驾驶汽车测试评价方法研究与测试场建设成为热点。任务二智能网联汽车的发展二、智能网联汽车的技术等级关于智能网联汽车的技术分级，各主要国家是不完全相同的：美国分为5级，德国分为3级，中国分为5级。任务二智能网联汽车的发展1、美国关于智能网联汽车的技术分级美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）按以下5级定义汽车的自动化等级。（1）无自动驾驶阶段（0级）。在无自动驾驶阶段，驾驶人拥有车辆的全部控制权，在任何时刻，驾驶人都单独控制汽车的运动，包括制动、转向、加速和减速等。任务二智能网联汽车的发展（2）驾驶人辅助阶段（1级）。在驾驶人辅助阶段，驾驶人拥有车辆的全部控制权。车辆具备一种或多种辅助控制技术，例如倒车影像与倒车雷达、电子稳定控制系统、车道偏离报警系统、正面碰撞预警系统、定速巡航系统以及汽车并线辅助系统等，这些辅助控制系统独立工作，在特定情况下，通过对车辆运行状况及运行环境的检测，提示驾驶人驾驶的相关信息或警告驾驶人驾驶中可能出现的危险，方便驾驶人在接到提示或警告后及时做出反应。这一阶段的技术相对成熟，已经成为一些汽车的标准配置。同时，随着技术成本的降低，其应用范围将逐步扩大。任务二智能网联汽车的发展（3）半自动驾驶阶段（2级）。在半自动驾驶阶段，驾驶人和车辆共享对车辆的控制权。车辆至少有两种先进的驾驶辅助系统，而且这些系统能同时工作，例如自适应巡航控制系统和车道保持辅助系统的功能结合，可在一定程度上协助驾驶人控制车辆。这一阶段正处于快速发展时期，未来几年将有更多的先进驾驶辅助系统应用在量产车上。2级和1级的主要的区别：2级在特殊操纵条件下，自动操纵模式可以让驾驶人脱离对汽车的操纵，而1级在任何条件下都不能离开驾驶人对汽车的操纵。任务二智能网联汽车的发展（4）高度自动驾驶阶段（3级）。在高度自动驾驶阶段，车辆和驾驶人共享对车辆的控制权。在特定的道路环境下（高速公路、城郊或市区），驾驶人完全不用控制车辆，车辆完全自动行驶，而且可以自动检测环境的变化以判断是否返回驾驶人驾驶模式。现阶段已经提出的高度自动驾驶技术有堵车辅助系统、高速公路自动驾驶系统和泊车引导系统等。目前，高度自动驾驶技术尚未应用在量产车型上，不过在未来几年部分技术的量产将会实现。3级和2级的主要区别：3级在自动驾驶条件下，驾驶人不必时常监视道路，而且以自动驾驶为主，驾驶人驾驶为辅；2级在自动驾驶条件下，驾驶人必须监视道路，而且以驾驶人驾驶为主，自动驾驶为辅。（5）完全自动驾驶阶段（4级）。在完全自动驾驶阶段，车辆拥有车辆的全部控制权，驾驶人在任何时候都不能获得控制权。驾驶人只需提供目的地信息或者进行导航输入，整个驾驶过程无须驾驶人参与。车辆在全工况、全天候环境下完全掌控所有与安全有关的驾驶功能，并监视道路环境。完全自动驾驶的实现意味着自动驾驶汽车真正驶入了人们的生活，使驾驶人从根本上得到解放。驾驶人可以在车上从事其他活动，如上网、办公、娱乐和休息等。完全自动驾驶汽车将受到政策、法律等相关因素的制约，真正量产任重而道远。任务二智能网联汽车的发展任务二智能网联汽车的发展2、德国关于智能网联汽车的技术分级德国联邦公路研究院把智能网联汽车发展划分为3个阶段，即部分自动驾驶、高度自动驾驶以及最终的完全自动驾（1）部分自动驾驶阶段。在部分自动驾驶阶段，驾驶人需要持续监控车辆驾驶辅助系统的提示，车辆无法做出自主动作。任务二智能网联汽车的发展（2）高度自动驾驶阶段。在高度自动驾驶阶段，驾驶人不再需要对驾驶辅助系统持续监控，驾驶辅助系统可以在某些状态下暂时代替驾驶人做出一定的动作，驾驶人可以随时对车辆进行操控。（3）完全自动驾驶阶段。在完全自动驾驶阶段，真正实现无人驾驶状态。任务二智能网联汽车的发展3、中国关于智能网联汽车的技术分级中国把智能网联汽车发展划分为5个阶段，即辅助驾驶阶段（DA）、部分自动驾驶阶段（PA）、有条件自动驾驶阶段（CA）、高度自动驾驶阶段（HA）和完全自动驾驶阶段（FA），具体见表1-2。任务二智能网联汽车的发展智能化等级等级名称等级定义控制监视失效应对1辅助驾驶（DA）人监控驾驶环境系统根据环境信息对行驶方向和加减速中的一项操作提供支援，其他驾驶操作都由驾驶人完成驾驶人与系统驾驶人驾驶人2部分自动驾驶（PA）系统根据环境信息对行驶方向和加减速中的多项操作提供支援，其他驾驶操作都由驾驶人完成驾驶人与系统驾驶人驾驶人3有条件自动驾驶（CA）自动驾驶系统监控驾驶环境由自动驾驶系统完成所有驾驶操作，驾驶人需要根据系统请求提供适当干预系统系统驾驶人4高度自动驾驶（HA）由自动驾驶系统完成所有驾驶操作，系统会在特定环境下向驾驶人发出响应请求，驾驶人可以对系统请求不响应系统系统系统5完全自动驾驶（FA）自动驾驶系统可以完成驾驶人能够完成所有环境条件下的操作，无须驾驶人介入系统系统系统（1）辅助驾驶阶段（DA）。通过环境信息对行驶方向和加减速中的一项操作提供支援，其他驾驶操作都由驾驶人完成。适用于车道内正常行驶，高速公路无车道干涉路段行驶，无换道操作等情况。（2）部分自动驾驶阶段（PA）。通过环境信息对行驶方向和加减速中的多项操作提供支援，其他驾驶操作都由驾驶人完成。适用于变道以及泊车、环岛等市区简单工况；还适用于高速公路及市区无车道干涉路段进行换道、泊车、环岛绕行、拥堵跟车等操作。（3）有条件自动驾驶阶段（CA）。由无人驾驶系统完成所有驾驶操作，驾驶人需要根据系统请求提供适当的干预。适用于高速公路正常行驶工况；还适用于高速公路及市区无车道干涉路段进行换道、泊车、环岛绕行、拥堵跟车等操作。（4）高度自动驾驶阶段（HA）。由无人驾驶系统完成所有驾驶操作，系统会在特定环境下向驾驶人提出响应请求，驾驶人可以对系统请求不响应。适用于有车道干涉路段（交叉路口、车流汇入、拥堵区域、人车混杂交通流等市区复杂工况）进行的全部操作。（5）完全自动驾驶阶段（FA）。无人驾驶系统可以完成驾驶人能够完成的所有道路环境下的操作，不需要驾驶人介入。适用于所有行驶工况下进行的全部操作。智能网联汽车技术21世纪技能创新型人才培养系列教材·汽车系列主编王皓张春蓉项目二雷达在智能网联汽车中的应用任务一超声波雷达任务二毫米波雷达任务三激光雷达智能网联汽车技术王皓项目二雷达在智能网联汽车中的应用雷达的概念形成于20世纪初，是英文“Radar”的音译，源于“RadioDetectionandRanging”的缩写，其含义为“无线电探测和测距”，是利用微波波段电磁波散射来发现，探测并识别各种目标。目前汽车车载的雷达主要包括超声波雷达、毫米波雷达和激光雷达，它们都属于主动雷达。智能网联汽车技术王皓任务一超声波雷达声音是以波的形式传播的，称为声波。声波按照频率高低可以分为次声波、可听波和超声波。频率低于20Hz的声波称为次声波；频率范围在20Hz～20kHz的声波为人耳能够听到的，称为可听波；频率高于人类听觉上限频率（超过20kHz）的声波称为超声波。利用超声波进行环境感知的传感器称为超声波传感器，也称为超声波雷达。它是利用超声波的特性研制而成的传感器，是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。—、超声波雷达的特点（1）超声波的传播速度等于声音的传播速度，仅为光波的百万分之一，并且指向性强，能量消耗缓慢，因此可以直接测量较近目标的距离，一般测量距离小于10m。但超声波在探测时存在最小探测盲区，一般是几十毫米，如图2-1所示。任务一超声波雷达任务一超声波雷达图2-1超声波雷达有效探测距离任务一超声波雷达（2）超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于识别透明、半透明及漫反射差的物体。（3）超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。（4）超声波传感器结构简单，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。任务一超声波雷达二、超声波雷达的组成与结构超声波雷达主要由发射器、接收器、控制部分与电源等组成。发射器由波发送器与陶瓷振子换能器组成，换能器的作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；接收器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其转化为电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超声波进行检测。控制部分主要对发送器发送的脉冲链频率、占空比、稀疏调制以及计数和探测距离等进行控制。任务一超声波雷达超声波雷达的典型结构如图2-3所示，采用的是双晶振子（压电晶片），即把双压电陶瓷片按相反极化方向粘在一起；在长度方向上，一片伸长另一片就缩短。在双晶振子的两面涂覆薄膜电极，上面用引线通过金属板（振动板）接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑。这两处支点形成振子振动的节点。金属振动板的中心有圆锥形振子，发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效地发送超声波；接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以能产生高效率的高频电压。超声波传感器采用金属或塑料外壳，其顶部有屏蔽栅。通过超声换能结构，配以适当的收发电路，就可以使超声能量定向传输，并按预期接收反射波，实现超声测距、遥控、防盗等功能。任务一超声波雷达图2-3超声波雷达的典型结构任务一超声波雷达三、超声波雷达的分类1.停车距离控制超声波雷达（PDC）停车距离控制超声波雷达又称为驻车辅助雷达（UPA），安装在汽车前后保险杠上，用于探测汽车前后的障碍物，探测距离一般为15～250cm，。2.自动泊车辅助超声波雷达（PLA）自动泊车辅助超声波雷达又称为泊车辅助雷达（APA），安装在汽车侧面，用于测量停车位的长度，探测距离一般为30～500cm。任务一超声波雷达如图2-4所示的汽车前后向共配置了8个UPA，左右侧共配置了4个APA。图2-4超声波雷达的配置位置任务一超声波雷达四、超声波雷达测距原理超声波雷达的测距原理如图2-5所示，超声波发射头发出的超声波脉冲经介质（空气）传到障碍物表面，反射后通过介质（空气）传到接收头，测出超声脉冲从发射到接收所需的时间，根据介质中的声速，即可求得从探头到障碍物表面的距离。设探头到障碍物表面的距离为L，超声波在空气中的传播速度为v（约为340m/s），从发射到接收所需的传播时间为t，当发射头和接收头之间的距离远小于探头到障碍物之间的距离时，则有L=vt/2。任务一超声波雷达图2-5超声波雷达的测距原理任务一超声波雷达五、超声波雷达的主要参数1.测量范围超声波雷达的测量范围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，如具有毫米波长的紧凑型雷达的测量范围为300～500mm，波长大于5mm的雷达的测量范围可以达到10m。2.测量精度测量精度是指雷达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。被测物体体积过小、表面凹凸不平、物体材料吸收声波等情况都会降低超声雷达的测量精度。测量精度越高，感知信息越可靠。任务一超声波雷达3.波束角雷达产生的声波以一定角度向外发出，沿雷达中轴线方向上的超声射线能量最大，能量向其他方向逐渐减弱。以雷达中轴线的延长线为轴线，到一侧能量强度减小一半处的角度称为波束角。波束角越小，指向性越好。一些雷达具有较窄的6°波束角，适合精确测量相对较小的物体。波束角为12°～15°的雷达能够检测具有较大倾角的物体。4.工作频率工作频率直接影响超声波的扩散和吸收损失、障碍物反射损失、背景噪声，并直接决定雷达的尺寸。一般将工作频率设置在40kHz左右，这样雷达方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比；虽然传播损失相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。5.抗干扰性能超声波为机械波，环境中的噪声会干扰超声波雷达接收物体反射回来的超声波，因此要求超声波雷达具有一定的抗干扰能力。任务一超声波雷达六、超声波雷达的应用超声波雷达可实现360°探测，主要用于近距离测距，如基于超声波雷达的泊车系统。图2-6超声波雷达在自动泊车系统中的应用任务二毫米波雷达毫米波雷达是指工作频率介于微波和光之间，频域为30～300GHz（波长为1～10mm，即1mm波波段）的雷达。毫米波处于微波和远红外波相交叠的波长范围，因此毫米波具有两种波谱的优点，同时也有自身的特点。按照波的传播理论，波长越短、频率越高，分辨率就越高，穿透能力就越强，在传播过程中的损耗也就越大，导致传输距离近。波长越长，绕射能力就越强，传输距离就越远。与远红外波相比，毫米波的大气衰减小，对烟雾和灰尘有较好的穿透力，受天气的影响较小；与微波相比，毫米波的分辨率较高，指向性好，抗干扰能力强，探测性能较好。任务二毫米波雷达—、毫米波雷达的特点（1）优异的探测性能。毫米波波长较短，指向性好。毫米波雷达探测不受颜色与温度的影响。（2）快速的响应速度。毫米波的传播速度接近光速，并且其调制简单，配合高速信号处理系统，可以快速地测量出目标的角度、距离、速度等信息。（3）对环境适应性强。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。由于毫米波雷达所用天线属于微波天线，相比于光波天线，它在大雨及轻微上霜的情况下依然可以正常工作。任务二毫米波雷达（4）抗干扰能力强。毫米波雷达一般工作在高频段，而周围的噪声处于中低频区，基本不会影响毫米波雷达的正常运行，所以说毫米波雷达具有抗低频干扰特性。（5）毫米波雷达最主要的缺点：毫米波在空气中传播时会受到的氧分子和水蒸气的影响，这些气体的谐振会对毫米波频率产生选择性吸收和散射，大气传播衰减严重，因此，实际应用中，应找到毫米波在大气中传播时由气体分子谐振吸收所致衰减为极小值的频率。（6）毫米波雷达也有一定的局限性：雨、雾和湿雪等高潮湿环境的信号衰减，大功率器件和插损的影响降低了毫米波雷达的探测距离；树丛穿透能力差，相比微波，毫米波对密树丛的穿透力低；元器件成本高，加工精度要求高，单片收发集成电路的开发相对迟缓。任务二毫米波雷达二、毫米波雷达的分类毫米波雷达可以按照工作原理、探测距离和频段进行分类。1.按工作原理分类毫米波雷达按工作原理的不同可以分为脉冲式毫米波雷达与调频式连续毫米波雷达两类。脉冲式毫米波雷达通过发射脉冲信号与接收脉冲信号之间的时间差来计算目标距离；调频式连续毫米波雷达是利用多普勒效应测量得出不同目标的距离和速度。目前，大多数车载毫米波雷达采用调频式连续毫米波雷达。任务二毫米波雷达2.按探测距离分类毫米波雷达按探测距离可分为近距离（SRR）、中距离（MRR）和远距离（LRR）毫米波雷达。3.按频段分类毫米波雷达按采用的毫米波频段不同，分为24GHz、60GHz、77GHz和79GHz毫米波雷达，主流可用频段为24GHz和77GHz，任务二毫米波雷达图2-824GHz和77GHz毫米波雷达任务二毫米波雷达77GHz毫米波雷达与24GHz毫米波雷达相比具有以下特点：（1）77GHz毫米波雷达探测距离更远。（2）77GHz毫米波雷达的体积更小。（3）77GHz毫米波雷达的检测精度更好。（4）77GHz毫米波雷达要求的工艺更高。（5）77GHz毫米波雷达的芯片供应较24GHz毫米波雷达困难。任务二毫米波雷达三、毫米波雷达的测量原理车载毫米波雷达根据测量原理不同，一般分为脉冲方式和调频连续波方式两种。1.脉冲方式脉冲方式的测量原理简单，但由于受技术、元器件等方面的影响，实际应用中很难实现。采用脉冲方式的毫米波雷达需在很短的时间（微秒级）内发射大功率的脉冲信号，通过脉冲信号控制雷达发射装置发射出高频信号，因此在硬件结构上比较复杂，成本高。除此之外，在高速路上行驶的车辆，其回波信号难免会受到周围树木、建筑物的影响，使回波信号衰减，从而降低接收系统的灵敏度。同时，如果收发采用同一个天线，在对回波信号进行放大处理之前，应将其与发射信号进行严格隔离，否则会因为发射信号的窜入，导致回波信号放大器饱和或者损坏。为了避免发射信号窜入接收信号，需进行隔离技术处理。通常采用环形器或者使用不同的天线收发，以避免发射信号的窜入，但这样会增加硬件结构的复杂性，导致产品成本升高。故在车用领域，脉冲方式应用较少。任务二毫米波雷达2.调频连续波方式目前，大多数车载毫米波雷达采用调频连续波方式，其测量原理如图2-9所示。调频式连续毫米波雷达是利用多普勒效应测量出不同目标的距离和速度。它通过发射器向给定目标发射毫米波信号，并分析发射信号时间、频率和反射信号时间、频率之间的差值，精确测量出目标相对于雷达的距离和运动速度等信息。任务二毫米波雷达图2-9调频式连续毫米波雷达的测量原理雷达调频器通过天线发射毫米波信号，发射信号遇到目标后，经目标的反射会产生回波信号，发射信号与回波信号相比：形状相同，时间上存在差值。当目标与雷达信号发射源之间存在相对运行时，发射信号与回波信号之间除存在时间差外，还会产生多普勒频率。任务二毫米波雷达采用调频连续波方式的毫米波雷达结构简单，体积小，可以同时测得目标的相对距离和相对速度。调频式连续毫米波雷达的测距和测速计算公式为任务二毫米波雷达四、毫米波雷达的目标识别流程毫米波雷达的目标识别是通过分析回波特征信息，采用数学手段通过各种特征空间变换抽取目标的特性参数，如大小、材质、形状等，并将抽取的特性参数与已建立的数据库中的目标特征参数进行比较、辨别和分类，其流程如图2-10所示。图2-10毫米波雷达的目标识别流程任务二毫米波雷达1.特征信息提取利用发射源与目标处于相对静止状态时的中频信号可以进行目标特征信息的提取，以有效进行目标识别。2.特征空间变换特征空间变换是利用梅林变换、沃尔什变换、马氏距离线性变换等正交变换方法，解除不同目标特征间的相关性，加强不同目标特征间的可分离性，最终剔除冗余特征，达到减少计算量的目的。任务二毫米波雷达3.识别算法识别算法主要包括空目标去除、无效目标去除和静止目标去除。4.目标特征库的建立目标特征库的建立有3种方法：通过实际试验数据建立，半实物仿真数据建立，通过虚拟仿真数据建立。5.识别结果输出把识别结果输出到有关的控制系统中，完成相应的控制功能。任务二毫米波雷达五、毫米波雷达的布置毫米波雷达在汽车上的布置如图2-11所示，分为正向毫米波雷达布置、侧向毫米波雷达布置和毫米波雷达布置高度。任务二毫米波雷达1.正向毫米波雷达布置正向毫米波雷达一般布置在车辆中轴线上，外露或隐藏在保险杠内部。雷达波束的中心平面要求与路面基本平行，考虑雷达系统误差、结构安装误差、车辆载荷变化等因素，需保证其与路面夹角的最大偏差不超过5°。在某些特殊情况下，正向毫米波雷达无法布置在车辆中轴线上时，允许正Y向最大偏置距离为300mm。偏置距离过大会影响雷达的有效探测范围。2.侧向毫米波雷达布置侧向毫米波雷达在车辆四角呈左右对称布置，前侧向毫米波雷达与车辆行驶方向夹角成45°，后侧向毫米波雷达与车辆行驶方向夹角成30°，雷达波束的中心平面与路面基本平行，角度最大偏差仍需控制在5°以内。任务二毫米波雷达3.毫米波雷达布置高度毫米波雷达在Z方向的探测角度一般只有±5°，雷达的安装高度太高会导致下盲区增大，太低又会导致雷达波束射向地面，地面反射会带来杂波干扰，影响雷达的判断。因此，毫米波雷达的布置高度（即地面到雷达模块中心点的距离）的建议范围为500mm（满载状态）至800mm（空载状态）。布置毫米波雷达时，还需要考虑其他因素，如雷达造型的美观性、对行人保护的影响、设计安装结构的可行性、雷达调试的便利性、售后维修成本等。任务二毫米波雷达六、毫米波雷达的应用任务二毫米波雷达毫米波雷达在智能网联汽车ADAS中的应用如图2-12所示。例如，自适应巡航控制需要3个毫米波雷达，车辆正中间一个77GHz的LRR，探测距离范围为150～250m，角度为10°左右；车辆两侧各一个24GHz的SRR，角度都为300°，探测距离范围为50～70m。任务三激光雷达激光雷达是指工作在光频波段，以发射激光束来探测目标位置的雷达系统，其功能主要是搜索和发现目标；测量其距离、速度、角位置等运动参数；测量目标反射率、散射截面和形状等特征参数。激光雷达根据扫描机构的不同，有二维和三维两种。它们大部分靠旋转的反射镜将激光发射出去并通过测量发射光和障碍物表面的反射光之间的时间差来测距。三维激光雷达的反射镜附加了一定范围内的俯仰功能，以达到面扫描的效果。二维激光雷达和三维激光雷达在先进驾驶辅助系统上得到了广泛应用。与三维激光雷达相比，二维激光雷达只在一个平面上扫描，结构简单，测距速度快，系统稳定可靠；但应用于地形复杂、路面高低不平的环境时，由于它只能在一个平面上进行单线扫描，故会出现数据失真和虚报的情况。此外，由于数据量有限，单个二维激光雷达也无法完成越野环境下的地形重构。任务三激光雷达—、激光雷达的特点激光雷达以激光作为载波，激光是光波波段电磁辐射，波长比微波和毫米波短得多。激光雷达具有以下特点：1.全天候工作2.探测范围广、精度高3.抗干扰能力强，隐蔽性好4.具有三维建模功能任务三激光雷达二、激光雷达的组成激光雷达由激光发射系统、光电接收系统、信号采集处理系统、控制系统等组成。（1）激光发射系统：主要负责向障碍物发出激光信号。（2）光电接收系统：主要负责接收经障碍物反射回来的激光信息。（3）信号采集处理系统：主要负责对接收回来的信号进行处理，使其符合下一级系统的要求，是激光雷达系统最关键的环节，直接影响激光雷达系统的测量精度。（4）控制系统：主要作用是提供信号并且对接收的信号进行数据处理。任务三激光雷达三、激光雷达的类型1.激光雷达按有无机械旋转部件，可分为机械激光雷达、固态激光雷达和混合固态激光雷达，如图2-13所示。任务三激光雷达（1）机械激光雷达机械激光雷达带有控制激光发射角度的旋转部件，体积较大，价格昂贵，测量精度相对较高，一般置于汽车顶部。（2）固态激光雷达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。（3）混合固态激光雷达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，可实现多角度检测的需要，采用嵌入式安装方式。任务三激光雷达2.根据线束数量的多少，激光雷达又可分为单线束激光雷达与多线束激光雷达。（1）单线束激光雷达单线束激光雷达扫描一