自動駕駛集環境感知、規劃決策、運動控制、多級輔助駕駛等功能于一體，運用現代傳感器技術，集中使用視覺計算、通用計算、神經網絡計算于一體進行信息融合、同時輔以V2X通訊、人工智能來實現自動控制。自動駕駛的關鍵技術依次可以分為環境感知、行為決策、路徑規劃和運動控制四大部分。環境感知是通過傳感器對周圍環境基本信息進行采集，也是自動駕駛的基礎。根據自動駕駛路線的不同，實現的自動駕駛等級不同，部署的傳感器種類也會有差異。下面來梳理一下各傳感器的原理以及優缺點。

01 攝像頭

攝像頭一般由鏡頭(Lens)，圖像傳感器(ImageSensor)，圖像信号處理器(ImageSignal Processor, ISP)，串行器發送(Serializer)組成。一般步驟是，鏡頭采集到物體的基本信息然後由Image Sensor進行一定處理後再交于ISP處理之後串行化傳輸。傳輸方式同樣可分為在同軸電纜或雙絞線上基于LVDS傳輸或者直接通過以太網傳輸。

對于布置來說，主要是視角對感知範圍的影響。在攝像頭感光元件大小确定的情況下，焦距越長，對應的視角越窄。但對應的分辨率也能大大提高——即看的清，但看的東西少。因此利用不同焦距的攝像頭，來實現不同特定的功能，通常在L2級别以上基本會配置中程及長程攝像頭。高檔車輛會采用3前視攝像頭的配置。來做到全視野的信息采集。攝像頭在自動駕駛系統中的主要作用：障礙物探測 ：測速和測距（車輛使用需雙目以上）；車道線的檢測：車道線提取；道路信息讀取：交通信号燈識别，交通标志識别；地圖構建與輔助定位；其他交通參與者探測與識别 - 車輛探測、行人探測、動物探測。

02 毫米波雷達

雷達本質是電磁波，信号被其發射路徑上的物體阻擋繼而會發生反射。通過捕捉反射的信号，可以确定物體的距離、速度和角度。毫米波雷達可發射波長為 1-10mm，頻率 30-300GHZ 的電磁波信号。波長越短，發生衍射的尺寸也越低，意味着可檢測的物體尺寸越精細，具有高解析度。工作頻率為76–81GHz（對應波長約為 4mm）的毫米波系統将能夠檢測小至零點幾毫米的移動。

但是雷達頻段屬于政府嚴格管控資源，各國對車載毫米波雷達的應用頻段主要集中在24G，60G，77G和79GHz。

在結構方面，車載雷達一般采取FMCW（調頻連續波）的工作方式。FMCW雷達收發同時，理論上不存在脈沖雷達所存在的測距盲區，且可直接測量多普勒頻移和靜态目标概率。

FMCW雷達工作原理：FMCW雷達的發射頻率随時間變化呈線性變化，這樣在發射信号裡面可攜帶時間信息。高頻信号由壓控振蕩器産生，通過功率分配器将一部分經過額外放大後饋送至發射天線，另一部分耦合至混頻器，與接收的回波混頻後低通濾波，得到基帶差頻信号，經過模數轉換後送至信号處理器處理。這樣得到的信号既能得到時間信息，也可以得到多普勒效應特征點。因此可同時測量速度和距離信息。

毫米波雷達的技術優缺點：

毫米波雷達無法提供高度信息，能感知物體的方位，但是不知道是否懸空的；

雷達原理決定主要依靠多普勒效應來檢測移動目标，靜止物體極易與地面回波等信息摻雜在一起導緻誤判；

雷達較難感知近距離相鄰車道的兩輛車；

雷達的空間分辨精度一般，數據較難用于物體類型識别

人如果在橫向從道路旁邊穿過馬路，雷達無法分辨是人還是路邊矮灌木，且由于橫向速度感知能力弱，此時無法依靠前向雷達做側邊環境感知。

雷達極易受金屬反射幹擾，因此對路面上易拉罐等物體容易發生誤判；

雷達容易受道路坡道反射的影響，給出錯誤的障礙物數據。

03 超聲波雷達

超聲波雷達由超聲發射器/接收器，控制電路，電源等組成。超聲發射器一般是壓電轉換器件組成。如40kHz的超聲波雷達，需要在壓電陶瓷片上施加40kHz變化的電壓信号，陶瓷片會就根據所加高頻電壓極性伸長與縮短，發送40kHz頻率的超聲波。接收器的原理與發射器一緻。利用壓電陶瓷片的可逆特性将超聲回波轉換為同頻的電壓信号。因該高頻電壓幅值較小，需要對應的放大電路進行處理。超聲波雷達的工作原理是通過超聲波發射裝置向外發出超聲波，到通過接收器接收到發送過來超聲波時的時間差來測算距離。常用探頭的工作頻率40kHz, 48kHz 和58kHz 三種。一般來說，頻率越高，靈敏度越高，但水平與垂直方向的探測角度就越小，故在倒車雷達上多采用40kHz 的探頭。超聲波雷達對少量的泥沙遮擋的影響較小。探測範圍在0.1-3 米之間，而且精度較高。

超聲波雷達類型主要分為以下幾種：

1)安裝在前後保險杠上的UPA：探測距離15-250cm，主要用于測量汽車前後方的障礙物。

2)安裝在側邊的APA：探測距離30-500cm。探測距離比UPA遠，需求發射功率更高，價格更貴。主要用于自動泊車。

超聲波雷達的優缺點：

優點：超聲波的能量消耗較緩慢，在介質中傳播的距離比較遠，穿透性強，測距的方法簡單，成本低。

劣點：超聲波雷達在速度很高情況下測量距離有一定的局限性，這是因為超聲波的傳輸速度很容易受天氣情況的影響，在不同的天氣情況下，超聲波的傳輸速度不同，而且傳播速度較慢，當汽車高速行駛時，使用超聲波測距無法跟上汽車的車距實時變化，誤差較大。另一方面，超聲波散射角大，方向性較差，在測量較遠距離的目标時，其回波信号會比較弱，影響測量精度。但是，在短距離測量中，超聲波測距傳感器具有非常大的優勢。

04 激光雷達

LiDAR關鍵部件按照信号處理的信号鍊包括控制硬件DSP（數字信号處理器）、激光驅動、激光發射發光二極管、發射光學鏡頭、接收光學鏡頭、APD（雪崩光學二極管）、TIA（可變跨導放大器）和探測器。其中除了發射和接收光學鏡頭外，都是電子部件。随着半導體技術的快速演進，性能逐步提升的同時成本迅速降低。但是光學組件和旋轉機械則占據了激光雷達的大部分成本。

按驅動形式分，可分為機械式，MEMS，相控陣，泛光面陣式（FLASH）。

激光通過測定傳感器發射器與目标物體之間的傳播距離（Timeof Flight TOF），分析目标物體表面的反射能量大小、反射波譜的幅度、頻率和相位等信息，從而呈現出目标物精确的三維結構信息。TOF激光雷達也類似有毫米波雷達的工作方式，分dTOF和iTOF。一般使用直接脈沖的方式進行dTOF測量。目前主要使用波長為905nm和1550nm的激光發射器，波長為1550nm的光線不容易在人眼液體中傳輸。故1550nm可在保證安全的前提下大大提高發射功率。大功率能得到更遠的探測距離，長波長也能提高抗幹擾能力。激光雷達的結構分為機械式、MEMES、相控陣OPA。其中機械式以Velodyne在2007年推出的64線雷達為例。它把64個激光器垂直堆疊在一起，以20rpm速度旋轉。簡單理解就是通過旋轉将激光點變成線，通過64線堆疊将線轉化為面，得到點雲數據獲取3D環境信息。

機械式結構需要複雜的機械結構，同時點雲的測量又需要對安裝進行精确定位。考慮環境和老化的影響，平均的失效時間僅1000-3000小時，難以達到車廠最低13000小時的要求。且由于LiDAR安裝在車頂，民用領域需考慮外界養護的問題，如洗車的影響。因此機械式結構極大地限制了成本和應用推廣。

MEMS式利用微電子機械系統的技術驅動旋鏡，反射激光束指向不同方向。固态激光雷達的優點包括了：數據采集速度快，分辨率高，對于溫度和振動的适應性強；通過波束控制，探測點（點雲）可以任意分布，例如在高速公路主要掃描前方遠處，對于側面稀疏掃描但并不完全忽略，在十字路口加強側面掃描。而隻能勻速旋轉的機械式激光雷達是無法執行這種精細操作的。

典型應用有法雷奧SCALA激光雷達。目前應用在奧迪A8(第一款L3級的自動駕駛車輛)。安裝在前保險杠位置，使用MEMS技術得到145°的掃描角度，80m的探測距離。

光相控陣技術的激光雷達的原理采用光可控相位技術使出射光線發射角發射變化。主要利用光的幹涉原理。可以通過改變不同縫中入射光線的相位差即可改變光栅衍射後中央明紋（主瓣）的位置。其主要的優缺點如下：

優點：

①結構簡單、尺寸小：由于不需要旋轉部件，可以大大壓縮雷達的結構和尺寸，提高使用壽命，并降低成本。

②标定簡單：機械式激光雷達由于光學結構固定，适配不同車輛往往需要精密調節其位置和角度，固态激光雷達可以通過軟件進行調節，大大降低了标定的難度。

③掃描速度快：不用受制于機械旋轉的速度和精度，光學相控陣的掃描速度取決于所用材料的電子學特性，一般都可以達到MHz量級。

④掃描精度高：光學相控陣的掃描精度取決于控制電信号的精度，可以達到千分之一度量級以上。

⑤可控性好：光學相控陣的光束指向完全由電信号控制，在允許的角度範圍内可以做到任意指向，可以在重點區域進行高密度的掃描。

⑥多目标監控：一個相控陣面可以分割為多個小模塊，每個模塊分開控制即可同時鎖定監控多個目标。

缺點：

①掃描角度有限：調節相位最多隻能讓中央明紋改變約±60°，實際做到360°采集的話一般需要6個。

②旁瓣問題：光栅衍射除了中央明紋外還會形成其他明紋，這一問題會讓激光在最大功率方向以外形成旁瓣，分散激光的能量。

③加工難度高：光學相控陣要求陣列單元尺寸必須不大于半個波長，一般目前激光雷達的工作波長均在1微米左右，故陣列單元的尺寸必須不大于500nm。而且陣列密度越高，能量也越集中，這都提高了對加工精度的要求，需要一定的技術突破。

④接收面大、信噪比差：傳統機械雷達隻需要很小的接收窗口，但固态激光雷達卻需要一整個接收面，因此會引入較多的環境光噪聲，增加了掃描解析的難度。

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