汽车智能技术与应用 课件 第3章 雷达传感器在无人驾驶汽 车的应用

汽车智能技术与应用第三章 雷达传感器在无人驾驶汽车的应用学习目标能够说出超声波雷达的类型与工作原理能够说出毫米波雷达的类型与工作原理能够掌握毫米波雷达的标定方法能够说出激光雷达的类型与工作原理能够掌握激光雷达的标定方法1071083.1 超声波雷达3.1

超声波雷达63.1

超声波雷达常用的工作频率有40KHz、48KHz、58KHz三种。当超声波雷达在工作时，可以通过声音或更直观的显示来通知驾驶员周围的障碍物，避免了驾驶员在停车、倒车和启动车辆时的左右后视，帮助驾驶员消除盲点和模糊视觉缺陷，提高驾驶安全性。目前，该传感器仍在许多ADAS或L1、L2和L2.5汽车中使用，广泛应用于倒车雷达、自动泊车、盲点检测等功能。73.1

超声波雷达汽车超声波雷达主要分为两类：UPA（超声波泊车辅助）和APA（自动泊车辅助）。UPA是一种短程超声波，探测范围为25cm～2.5m，由于探测距离大，多普勒效应和温度干扰小，探测精度高。APA是一种远程超声波雷达，主要用于车身侧面，探测范围为35cm～5m，可覆盖一个停车位，其强指向性与探测波的传播性能优于UPA，且不易受到其他APA和UPA的干扰。当然，探测距离越远，探测误差也越大。83.1

超声波雷达93.1

超声波雷达►基于超声波传感器的汽车测距原理距离计算公式：S：障碍物距离T：发射/接受时间差V：声波传输速度103.1

超声波雷达压电超声发生器是超声波雷达中最常用的，其工作原理是利用压电晶体的共振特性。探针内部有两个压电晶片和一个共振板。当脉冲信号等于压电晶片的振荡频率并作用于其两极时，压电晶片将产生共振，并驱动谐振器板振动，从而产生超声波。如果两个电极之间没有电压，当共振板接收到超声波时，压电晶片振动，机械能转换成电信号，然后成为超声波接收器。超声波雷达利用压电效应原理将电能和超声波进行转换，即当超声波传播时，电能转换成超声波，一旦接收到超声波振动就转换成电信号。113.1

超声波雷达车载测距系统分别具有发射和接收两种功能，是通过发射端将超声波向对象物发送，通过接受端接受这种反射波，来检测对象物的有无，以及通过计算从超声波发射到接收所需要的时间和声速的关系，来计算雷达和对象物之间的距离。按照安装方式分类，超声波雷达可以分为直射式和反射式，反射式又可以分为发射头、接收头分体和收发一体等二种形式。123.1

超声波雷达在选择传感器之前，必须确定可能与车辆碰撞的障碍物的方向和位置，以便在发生伤害时采取相应的避障方法。该系统的传感器可以随时检测道路上的路况，还可以检查行驶道路上是否有障碍物。利用该传感器，可以根据测量值调整车速，以防止车辆的碰撞。在超声波雷达的配置数量上，车后盲区面积相对较大。如果传感器数量较少，则无法覆盖某些盲点。传感器的光束角度为15°时，距离4米处的最大射程仅为1.06米。如果使用两个超声波雷达探测范围覆盖图，虽然测量范围增大，但盲区仍然很大，有些区域仍然无法探测。133.1

超声波雷达►超声波雷达的主要性能指标有哪些？请详细说明。14课堂实践15►常见故障检测故障现象故障原因开机无自检，超声波雷达不工作，蜂鸣器无提示声音超声波雷达传感器损坏、蜂鸣器故障、倒车雷达控制模块故障；控制单元接地故障、线束故障、电源故障等开机有自检，超声波雷达不工作超声波雷达与控制单元之间线路故障；超声波雷达自身故障；超声波控制单元端点故障等开机有自检，超声波雷达误报警超声波雷达安装问题、超声波探头有异物、超声波自身损坏、超声波控制单元故障开机有自检，超声波雷无法与显示控制单元通讯超声控制单元与显示控制单元之间总线故障、超声波控制单元端正问题、显示控制单元自身问题1193.2 毫米波雷达3.2.1

车载毫米波雷达种类毫米波雷达和超声波雷达的主要功能是测距和测速可以向宿主车辆提供目标车辆的距离、方位角和相对速度等多种高精度的道路空间信息目前广泛应用于盲点检测、自适应巡航、前后碰撞报警等技术中车载毫米波雷达的频带主要有23GHz～24GHz、60GHz～61GHz、76GHz～79GHz三个频段173.2.1

车载毫米波雷达种类►请说说24GHz和77GHz毫米波雷达的性能比较、：18频率24GHz77GHz79GHz应用场景自适应巡航、自动紧急制动前部碰撞预警特点探测距离：30m探测距离：80m探测角度：±18°，探测距离200m最大适配速度＞250km/h频段应用独占频段3.2.1

车载毫米波雷达种类

MMIC

天线板雷达193.2.1

车载毫米波雷达种类►毫米波雷达分类毫米波雷达按工作原理脉冲式毫米波雷达调频式连续毫米波雷达按探测距离近距离(SRR)中距离(MRR)远距离(LRR)按频段24GHz77GHz79GHz203.2.1

车载毫米波雷达种类毫米波雷达包括收发天线、射频前端、调制信号、信号处理模块等，毫米波雷达通过对接收信号和发射信号的相关处理来实现目标的探测距离、方位角和相对速度。77GHz毫米波雷达的频带比24GHz毫米波雷达的法定频带宽，物理波长短，分辨率可提高3倍以上，识别20厘米以上的目标，更容易识别50厘米以下的行人。但是77GHz毫米波雷达波束带宽小，在短距离内，覆盖范围不如24GHz雷达广24GHz 77GHz213.2.1

车载毫米波雷达种类►请说说我国对车载76-79GHz频段汽车雷达使用的要求有哪些？223.2.2

车载毫米波雷达工作原理根据毫米波雷达对电磁波辐射方式的不同，将毫米波雷达分为脉冲系统和连续波系统。脉冲体制毫米波雷达主要用于近程目标信息的测量，但当目标距离较近时，脉冲收发时间较短，需要高速信号处理设备对信号进行回波处理。车载毫米波雷达最常用的系统是线性调频连续波（FMCW）系统，其物理测量是利用连续变化的调制信号来控制连续变化的发射波信号的产生，根据采集到的频差、相位差等信息，对发射的连续波进行频率调制来测量目标信息。233.2.2

车载毫米波雷达工作原理127►请说说毫米波雷达的技术特征有哪些？连续波雷达分为恒频连续波、FSK频移键控连续波、FMCW调频连续波。恒频连续波可以检测目标速度，但不能检测距离。频移键控连续波虽然检测时间短、精度高，但不能同时测量多个目标。调频连续波能同时测量多个目标的距离和速度信息，并能连续跟踪和检测目标，该系统灵敏度高，误报率低，体积小，重量轻，适合在汽车上组装。图：三角波调频连续信号频率和时间关系R：目标，t：延迟时间，c：光速3.2.2

车载毫米波雷达工作原理►请说说博世公司生产的第四代远程雷达传感器的技术特征与工作原理253.2.2

车载毫米波雷达工作原理►毫米波雷达的安装位置分为前后安装两种方式。前端雷达可实现哪些功能？后部毫米波雷达可以用来实现哪些功能？263.2.2

车载毫米波雷达工作原理►车载毫米波雷达技术发展特征：通过改变车载毫米波雷达微带阵列发射天线相邻阵元之间的相位差，可以将发射波束组合成小波束角，天线的增益增大了探测距离，提高了微带阵列的传输性能。通过控制波束线的偏角，可以对目标进行三维波束扫描，即三维探测，扩大了雷达的探测范围。通过改变微带阵列接收天线相邻阵元之间的相位差，接收天线可以在相同的偏转角度接收扫描波束的反射信号，实现近距离目标的三维成像，识别距离目标，对距离目标进行遥感成像。273.2.2

车载毫米波雷达工作原理►在高度自动化的过程中，ADAS的各种功能需要多传感器融合才能实现请说说毫米波雷达传感器比较红外传感器和微波传感器具有哪些优点？283.2.2

车载毫米波雷达工作原理►毫米波雷达应用案例293.2.3

毫米波雷达校准与标定►1.

主动校准主动校准的作用是是确定雷达轴和车辆驱动轴的水平和垂直偏差，然后将它们调整到一致或在允许范围内。校准反射器在垂直方向上倾斜3个角度（-2°、0°、2°）。雷达利用反射器作为目标，测量目标的距离和角度，同时测量雷达主波束的信号强度。三个倾斜角度的信号强度用于垂直校准。303.2.3

毫米波雷达校准与标定►请说说毫米波雷达在校准时必须具备哪些条件？313.2.3

毫米波雷达校准与标定►请说说毫米波雷达在校准前应当做好哪些准备？要注意哪些问题？323.2.3

毫米波雷达校准与标定►请详细说出毫米波雷达主动校准（标定）的具体步骤与方法。333.2.3

毫米波雷达校准与标定►请详细说出使用wiTECH校准设备进行毫米波雷达标定的方法343.2.3

毫米波雷达校准与标定►2.

被动校准被动校准是通过光学测量确定校准镜轴与驱动轴的偏差，然后读取校准镜与雷达轴的偏差角，并调整水平和垂直校准螺栓，使雷达轴与驱动轴重合或允许在校准范围内。标定要求：要求在雷达传感器表面安装一面反射镜，反射镜的尺寸约为1cm2。要求反射镜轴线与雷达传感器轴线基本重合。镜轴与雷达传感器轴之间的偏差需要事先写入雷达传感器，并在诊断时读取。在校准过程中，外部光源会照射到雷达传感器的反射镜上，由车载前摄像头记录反射镜反射的光斑，并由计算机和相应的算法计算其偏差，实际位置将与最初校准的标准位置进行比较。操作员将在虚拟光成像制导下调整传感器以纠正错误，将从传感器读取并记录校正值353.2.3

毫米波雷达校准与标定►请详细说出被动校准的步骤与方法36课堂实践►雷达传感器的校准可能受到振动或者碰撞影响，使系统性能下降。在这种情况下，雷达传感器需要被重新检查，可能需要对传感器进行重新校准。37课堂实践毫米波雷达常见故障主要有毫米波雷达硬件故障、线路短路或虚接、软件故障和CAN通信故障等。维修步骤：381423.3 激光雷达3.3.1

车载激光雷达应用类型激光雷达由发射系统、接收系统和信息处理系统组成。它的探测和测距类似于无线电雷达的无线电探测和测距。激光雷达是激光、全球定位系统（GPS）和惯性测量装置（IMU）技术相结合的系统。与普通雷达相比，激光雷达具有分辨率高、隐蔽性好、抗干扰能力强等优点，可以区分真实的行人，建模，检测静态物体等，并在三维空间中精确进行目标距离的测量，形成高达厘米精度的三维环境图403.3.1

车载激光雷达应用类型►请说说车载激光雷达的应用优势有哪些？413.3.1

车载激光雷达应用类型►激光雷达传感技术主要有：423.3.1

车载激光雷达应用类型►激光雷达按行数分为单线激光雷达和多线激光雷达。请说说单线激光雷达和多线激光雷达的作用与种类433.3.1

车载激光雷达应用类型►根据扫描方法，可以分为机械旋转式激光雷达和固态激光雷达。机械旋转式激光雷达技术相对成熟，但机械式旋转激光雷达系统结构非常复杂，每个核心部件的价格也相当昂贵，包括激光器、扫描仪和光学部件。其中，光电探测器、接收芯片、定位导航设备等由于硬件成本高，批量生产难度大，稳定性有待提高。443.3.1

车载激光雷达应用类型►固态激光雷达三维扇形扫描激光雷达又称固态激光雷达，主要用于辅助驾驶，可以与毫米波雷达互补。三维风扇扫描激光雷达实现的驾驶辅助功能与激光雷达的安装位置有关。请说说固态激光雷达在车前中心位置装置可实现哪些功能？相比机械式，固态激光雷达的优点是？453.3.1

车载激光雷达应用类型149►固态激光雷达分为相控阵固态、Flash固态和MEMS固态激光雷达三种类型OPA相控阵FlashMEMS3.3.1

车载激光雷达应用类型►请说说奥迪A8激光雷达的内部结构与工作原理473.3.2

激光雷达工作原理►请说说激光雷达的工作原理，并请说明点云图是怎么形成的？483.3.2

激光雷达工作原理►请说说激光雷达是如何测量障碍物、距离以及障碍物的移动速度的？493.3.2

激光雷达工作原理503.3.2

激光雷达工作原理513.3.2

激光雷达工作原理，激光雷达按照测距原理，可以分为ToF和FMCW，其中ToF路线是大多数汽车OEM厂商采用的主流技术方案。ToF原理的激光雷达按照部件来划分，可分为发射模块、接收模块、扫描模块和数字处理模块。发射模块和接收模块统称为收发模块，其功能是通过激光器发射激光，探测器对返回的光进行接收，是个光电转换+复杂的信号处理模块，本质是电子部件。扫描模块是通过不断改变光的传播方向，实现用有限的收发通道来满足覆盖视场角（FOV）的要求。523.3.2

激光雷达工作原理►请说说点频与点云的基本特征533.3.2

激光雷达工作原理以Velodyne的VLP-16线激光雷达为例。该激光雷达使用马达旋转来收集周围数据，并用于检测360°范围内的环境信息。16线激光雷达上下两组各有8条扫描线，上下两侧各有一个激光接收器。每条扫描线都有一个固定的俯仰角。VLP-16激光雷达探测范围：水平视场360°、垂直视场30°；探测距离可达半径100m；旋转频率可设置为5Hz、10Hz、20Hz，相应的水平分辨率为0.1分°,0.2分“”和0.4分°；垂直分辨率为2°，-15°至+15°。激光雷达探测周围环境时，每秒可探测30万个点，并可获得丰富的点云数据信息。激光雷达的水平分辨率与雷达的旋转频率密切相关，激光雷达旋转越快，水平分辨率越高，相邻两个扫描点之间的间隔越大，导致同一辆车在同一位置的扫描点越少。543.3.2

激光雷达工作原理VelodynePuck激光雷达系统的电源板包括英特尔的Cyclone

III

FPGA，TI的闪存和传感器Velodyne

Puck激光雷达主板的第一侧装有德州仪器(TI)的微控制器、逆变器、调节器和接收器、ADI公司的放大器、ADC驱动器和开关多路复用器、Microchip的稳压器、以及英特尔CycloneIII现场可编程门阵列(FPGA)处理器、TI的温度传感器等553.3.2

激光雷达工作原理►请详细说明激光雷达是如何计算激光雷达水平分辨率的？563.3.2

激光雷达工作原理►什么是ATR技术？请详细说明ATR流程573.3.2

激光雷达工作原理583.3.2

激光雷达工作原理激光雷达点云的分割593.3.2

激光雷达工作原理►请说说车载激光雷达的点云数据的技术特征603.3.2

激光雷达工作原理►应用案例：AEye的远程激光雷达传感器，请说出该激光雷达的技术特征有哪些？613.3.2

激光雷达工作原理►点云数据仿真测试案例动画显示了从时间

0

到

4秒的结果。轨道由绿色边界框表示。边界框检测由橙色边界框表示。检测器内部还具有橙色点，表示被分割为障碍物的点云。分割的地面以紫色显示。裁剪或丢弃的点云以蓝色显示。623.3.2

激光雷达工作原理633.3.2

激光雷达工作原理643.3.3

激光雷达的标定►1.

全站仪的使用方法全站仪在激光雷达定标过程中的作用是测量物体的坐标、激光雷达的安装位置和激光雷达的角度校正。激光雷达和全站仪都是极坐标测量，虽然两者的结构组成和力学形式不同，但轴线关系相同。因此，激光雷达测角采用全站仪轴系误差修正模型，可以减小轴系误差对测角的影响，修正测角单元误差和装配误差引起的水平角和垂直角测量的相关性。全站仪有角度测量、距离测量、三维坐标测量、导线测量、交点定点测量、放样测量等多种用途。►请详细说出使用全站仪测量水平角、距离、三维坐标的操作方法。653.3.3

激光雷达的标定2.

激光雷达测试与标定激光雷达的工作过程是通过电机带动两个转轴互相垂直的摆镜高速旋转，将激光束出射至被测目标，分别根据激光束的飞行时间、两个正交方向的电机转动角度，测量得到被测目标的距离大小R和方位(α，β)，从而完成极坐标式的点位测量。脉冲测距66相位测距3.3.3

激光雷达的标定673.3.3

激光雷达的标定683.3.3

激光雷达的标定►激光雷达的标定693.3.3

激光雷达的标定►1.手工校准方法请说说手工校准原理与方法R是两个坐标系之间的旋转-平移矩阵703.3.3

激光雷达的标定71►2.多传感器联合校准方法多传感器联合标定需要摄像机、全球定位系统（GPS）、惯性导航等其他传感器的参与，标定算法一般比较复杂，标定精度也受其他传感器测量精度的影响，对标定的要求也比较高。例如，校准环境必须具有良好的灯光和GPS信号。请详细说出激光雷达、GPS和IMU的联合标定方法（请参考教材）请详细说明基于梯形棋盘校准板的激光雷达与摄像机联合校准方法（请参考教材）3.3.3

激光雷达的标定►3.

激光雷达的拆装步骤和注意事项，请详细说明。72►装配激光雷达安全要求与注意事项场地面积足够，用于无障碍物固定激光雷达的安装底座建议尽可能的平整，不要出现凹凸不平的现象。安装底座上的定位柱应严格遵循激光雷达底部定位柱的深度，定位柱的高度不能高于4mm。安装底座应使用铝合金材质，有助于激光雷达的散热。激光雷达固定安装的时候，倾斜角度不要超过90°，防止倾斜角度过大会对激光雷达的寿命造成影响。激光雷达安装走线的时候，不要将雷达上面的线拉的太紧绷，需要保持线缆具有一定的松弛。功能检测时，不要在激光雷达工作区域，以免随意走动造成干扰。激光雷达工作时，请不要用眼睛对视或直视激光雷达的激光束，防止产生视力疾病！73►安装步骤将激光雷达安装在支架上，注意平整与无遮挡。将安装激光雷达的支架摆放在试验台上合适位置。使用水平仪对激光雷达进行校准，校准完成后连线将激光雷达的电源线与控制台连接，连接网线，启动设备，确保供电正常通过软件查看激光雷达是否安装成功743.3.4

激光雷达在应用中的常见问题►请详细说明激光雷达在应用中的常见问题标准统一问题场景应用问题使用寿命短使用性能问题售后服务问题环境安全问题补盲问题75课堂实践►机械式旋转激光雷达校准选定车体坐标

X

轴为扫描角度为零时车体的指向，Z轴指向车体上方，XYZ

轴构成右手系，激光雷达所有的扫描点在同一个几何平面S上，将扫描点P投影到坐标面和坐标轴，从而得到扫描点P

在车体坐标系中的坐标。单线激光雷达模型76课堂实践77连接机械式激光雷达，打开Windows软件，显示点云和配置雷达。点云显示软件能够解析数据包和设备包信息，显示3D点云数据，通过可视化界面，用户可以重置雷达参数。注意设置雷达IP时，本地IP与目的IP不能设置为同一IP，否则雷达将不能正常工作。雷达组播模式时，两个目的端口禁止设置为同一个端口号。连接雷达时，电脑与雷达的IP在不同网段时，需要设置网关；相同网段时，设置不同IP即可，例如：192.168.1.x，子网掩码为

255.255.255.0。若需查找雷达的以太网配置信息，连接雷达后电脑可以使用Wireshark软件抓取设备ARP包进行分析。IP地址UDP设备包端口号UDP数据包端口号雷达192.168.1.2002368（固定不可配）2369（固定不可配）电脑192.168.1.10223692368课堂实践解析激光雷达数据：数据包输出点云的角度值、距离值、强度值、时间戳等测量数据。数据包的数据采用小端模式，数据包包括42字节以太网包头和1206字节的有效载荷，长度1248字节。水平角度值Azimuth表示数据块2组16次激光发射第一次发射测距时的角度值，回波强度表示被测物的能量反射特性,强度值代表0-255个不同反射物的强度等级。注意点云显示软件应与实训用激光雷达匹配，通常会作为附件打包，使用时在电脑上安装即可。实训时请按照激光雷达生产厂家的配置要求配置。78课堂实践固态激光雷达的坐标信息通常表示为直角坐标（x,y,z）或球坐标（r,θ,φ），。如果前方无被探测物体或者被探测物体超出量程范围（例如600m），在直角坐标系下，点云输出为（0，0，0）；在球坐标系下，点云输出为（0，θ,φ）。连接头可提供外部电源，并传输数据。固态激光雷达一般支持2种IP模式：动态IP地址模式以及静态IP地址模式。雷达出厂默认为静态IP，IP地址为192.168.1.1XX(XX为序列号最后两位数字)，子网掩码为255.255.255.0，默认网关为192.168.1.1。其直角坐标和球坐标的对应关系►固态激光雷达校准注意：实训时请按照激光雷达生产厂家的配置要求配置。79课堂实践80第一次使用时无需路由器，即可直接与电脑连接。两种IP地址设置下连接方式