(1.湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南 株洲 412000；2.北京理工大學(xué)，北京100081)

隨著工業(yè)的發(fā)展，傳感器在工業(yè)領(lǐng)域的用途越來(lái)越廣泛，如汽車、機(jī)械、自動(dòng)化、交通信息等，尤其是近幾年無(wú)人駕駛汽車發(fā)展迅速，傳感器技術(shù)的進(jìn)步對(duì)無(wú)人駕駛汽車的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。近幾年，各國(guó)對(duì)傳感器技術(shù)的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：① 新材料、新工藝和新型傳感器；②智能化、多功能、集成化和高精度；③ 硬件和器件的微型化及與其他傳感器的相融合化[1]。

1 無(wú)人駕駛汽車中的傳感器技術(shù)

傳感器在無(wú)人駕駛汽車中相當(dāng)于人類的神經(jīng)感知系統(tǒng)，傳感器、導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)是無(wú)人駕駛汽車的三個(gè)重要組成部分。現(xiàn)在無(wú)人駕駛汽車中應(yīng)用最多的傳感器技術(shù)主要是雷達(dá)傳感器、攝像頭等[2]，如通過(guò)測(cè)距獲取周圍空間信息的激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)，用于視覺(jué)傳輸?shù)南鄼C(jī)等。

1.1 視覺(jué)傳感器

無(wú)人駕駛汽車中視覺(jué)傳感器主要用來(lái)獲取環(huán)境信息和彩色景象信息，是無(wú)人駕駛汽車第二大信息源。目前無(wú)人駕駛汽車視覺(jué)傳感器主要為相機(jī)和攝像頭，其中最常用的是相機(jī)。根據(jù)其功能分為單目相機(jī)、雙目立體相機(jī)和全景相機(jī)。

1.1.1 單目相機(jī)

無(wú)人駕駛汽車中的相機(jī)等同于駕駛員的眼睛，通過(guò)環(huán)境成像來(lái)感知道路環(huán)境、天氣情況、車輛行駛軌跡和車輛運(yùn)行速度。無(wú)人駕駛汽車對(duì)圖像成像質(zhì)量要求高，而且在圖像輸出速度上需要較高的幀頻。

單目相機(jī)是一種利用光學(xué)系統(tǒng)與成像器件相結(jié)合可以不斷輸出實(shí)時(shí)圖像的相機(jī)。滿足無(wú)人駕駛汽車的要求，可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)光積分時(shí)間、自動(dòng)平衡畫質(zhì)、實(shí)時(shí)輸出圖像功能。

1.1.2 雙目相機(jī)

雙目相機(jī)對(duì)周圍環(huán)境可實(shí)現(xiàn)三維成像，通過(guò)雙目立體圖像處理獲取場(chǎng)景的三維信息，再經(jīng)進(jìn)一步處理得到三維空間中的景物，實(shí)現(xiàn)二維圖像到三維圖像的轉(zhuǎn)化[3]。

1.1.3 全景相機(jī)

全景相機(jī)由6個(gè)完全相同的相機(jī)360°同時(shí)成像，并將6幅圖進(jìn)行拼接和矯正，獲得全景圖像，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和信息處理，目前該相機(jī)已作為無(wú)人駕駛汽車視覺(jué)傳感器的首選。

1.2 激光雷達(dá)

在眾多無(wú)人駕駛汽車中，激光雷達(dá)作為環(huán)境傳感器應(yīng)用最為廣泛，其具有良好的方向性，測(cè)量精度高，受地面干擾較小，但在陰雨、大霧天氣無(wú)法正常工作。激光雷達(dá)通過(guò)向探測(cè)目標(biāo)發(fā)射光線，分析和計(jì)算反射光來(lái)完成測(cè)距。激光雷達(dá)根據(jù)結(jié)構(gòu)和類型可分為單線(二維)和多線(三維)兩種，其中多線激光雷達(dá)具有一定的俯仰角度，可實(shí)現(xiàn)面掃描。

1.2.1 單線激光雷達(dá)

單線激光雷達(dá)最具代表性的是德國(guó)SICK公司的LMS511單線激光雷達(dá)，其參數(shù)指標(biāo)見表1。單線激光雷達(dá)的工作原理是通過(guò)發(fā)射激光束掃描某一區(qū)域，并根據(jù)區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)與掃描儀的相對(duì)位置，即測(cè)量物體與掃描儀掃描中心之間的距離和相對(duì)角度，采用極坐標(biāo)表達(dá)其測(cè)量值。為了提高數(shù)據(jù)返回速度單線激光雷達(dá)一般使用網(wǎng)絡(luò)接口傳輸方式，由上位機(jī)向雷達(dá)發(fā)送請(qǐng)求，雷達(dá)根據(jù)請(qǐng)求中的測(cè)量要求收集數(shù)據(jù)并返回給上位機(jī)。

x=ρcosθ
y=ρsinθ

(1)

式中：ρ為距離；θ為相對(duì)角度。

表1SICK LMS511參數(shù)指標(biāo)

掃描頻率/Hz每幀掃描點(diǎn)數(shù)掃描距離/m掃描角度/°分析率/°分辨率/m2576126～80-5～1900.251

1.2.2 多線激光雷達(dá)

多線激光雷達(dá)最具代表性的是美國(guó)Velodyne公司的HDL-64E S2激光雷達(dá)，多線激光雷達(dá)的工作原理是發(fā)射2條或2條以上的激光束作為探測(cè)光的雷達(dá)。多線激光雷達(dá)可發(fā)出64個(gè)激光束，其全部安裝在旋轉(zhuǎn)電機(jī)上，水平和垂直探測(cè)范圍為360°和26.8°。多線激光雷達(dá)通過(guò)串口接收控制命令，并通過(guò)UDP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)返回?cái)?shù)據(jù)于上位機(jī)。64線激光雷達(dá)有64對(duì)光束，發(fā)射器與接收器分為上下兩層，傳輸數(shù)據(jù)也分為兩部分。根據(jù)激光器安裝位置對(duì)收集到的數(shù)據(jù)建立幾何模型。

D=Dcorr+Dret
Dxy=Dcosθ-V0sinθ
Px=Dxysinβ-H0cosβ
Py=Dxycosβ+H0sinβ
Pz=Dsinθ+V0cosθ

(2)

式中：Dcorr為距離校正因子；V0為垂直偏移量；H0為水平偏移量；θ為垂直校正角；α為旋轉(zhuǎn)校正角。(Px，Py，Pz)為激光雷達(dá)的笛卡爾坐標(biāo)，其由每一條激光束返回的距離Dret值和激光雷達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度γ轉(zhuǎn)化而來(lái)。主要多線激光雷達(dá)的參數(shù)及性能見表2。

表2主要多線激光雷達(dá)參數(shù)指標(biāo)

公司/型號(hào)掃描距離/m分辨率/cm水平掃描角度/°分辨率/°垂直掃描角度/°分辨率/°價(jià)格/萬(wàn)元HDL-64E-Velodyne(64 線 )120小于23600.09-24.8 ～ +2 0.4 50～100HDL-32E-Velodyne(32 線 )70 小于2 360 0.16 -30.67～+10.671.3330～40IBEO LUX(8 線 )200 10 110 0.125 6.4 0.8 15～25IBEO LUX(4 線 )200 4 110 0.125 3.2 0.8 10～15

激光雷達(dá)具有良好的抗干擾能力，測(cè)距精度高，實(shí)時(shí)性好，在道路檢測(cè)、導(dǎo)航定位及機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

1.3 毫米波雷達(dá)

毫米波是指波長(zhǎng)為1～10 mm、頻域?yàn)?0 ～300 GHz的波，這種波形的波長(zhǎng)介于光波和厘米波之間，因此兼有微波制導(dǎo)和光電制導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)。與厘米波導(dǎo)引頭相比，毫米波導(dǎo)引頭具有空間分辨率高、體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。與紅外、激光等光學(xué)導(dǎo)引頭相比，毫米波導(dǎo)引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強(qiáng)(大雨、霧、雪天除外)，具有全天候全天時(shí)的特點(diǎn)。毫米波雷達(dá)參數(shù)見表3[4]。

表3毫米波雷達(dá)參數(shù)

公司/型號(hào)遠(yuǎn)距離探測(cè)/m分辨率/m視角/°分辨率/°中距離探測(cè)/m分辨率/m視角/°分辨率/°Continental ARS3082002561600.25170.1Delphi ESR1742.5+/-100.5600.4+/-450.2

2 傳感器融合技術(shù)

在無(wú)人駕駛汽車中傳感器相當(dāng)于人的眼睛和感知神經(jīng)，各個(gè)神經(jīng)需要相互匹配和融合才能實(shí)現(xiàn)真正意義上的無(wú)人駕駛，傳感器之間需要相互融合和關(guān)聯(lián)才能發(fā)揮作用。

傳感器融合是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將多個(gè)傳感器進(jìn)行綜合處理[5-6]，融合后每個(gè)傳感器之間的數(shù)據(jù)可相互融通獲得更加確切的數(shù)據(jù)，利用聯(lián)合概率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)等算法來(lái)處理這些數(shù)據(jù)，可達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)上的最佳效果。融合傳感器獲取的多目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡信息可以準(zhǔn)確測(cè)量出被測(cè)物體目標(biāo)的位移、角度和速度。例如，毫米波雷達(dá)的分辨率低于激光雷達(dá)，采用融合技術(shù)可用激光雷達(dá)獲得的信息數(shù)據(jù)替換和更新毫米波雷達(dá)所獲取的數(shù)據(jù)；另外通過(guò)傳感器融合技術(shù)可提高毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)的目標(biāo)分辨率，提高被測(cè)物體測(cè)量的精確度。 傳感器技術(shù)融合的方法有以下幾種：

(1)直接融合傳感器數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 直接融合

(2) 特征向量融合，如圖2所示。

圖2 特征向量融合

(3) 高層決策融合，對(duì)每個(gè)傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖3所示。

圖3 高層決策融合

傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)是無(wú)人駕駛汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)融合多傳感器可精確確定無(wú)人駕駛汽車前方多目標(biāo)的角度、速度和位置，大大提高精確度，減少無(wú)人駕駛汽車交通事故的發(fā)生率。

3 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人駕駛汽車的研究涉及環(huán)境感知技術(shù)、導(dǎo)航與定位技術(shù)以及控制科學(xué)等領(lǐng)域，無(wú)人駕駛汽車安全行駛離不開環(huán)境感知，而相機(jī)、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)能夠?qū)崟r(shí)獲取周圍環(huán)境、天氣、道路狀況和駕駛信息，使無(wú)人駕駛汽車“感知”自己所處的環(huán)境。環(huán)境感知技術(shù)主要依靠傳感器技術(shù)，但無(wú)人駕駛汽車要求的環(huán)境感知技術(shù)還需要與導(dǎo)航定位技術(shù)、決策和控制技術(shù)相互融合，搭載導(dǎo)航技術(shù)、匹配電子地圖、慣導(dǎo)等才能實(shí)現(xiàn)真正意義上的無(wú)人駕駛。未來(lái)的傳感器技術(shù)將集成化更強(qiáng)、識(shí)別性能和分辨率更高，誤差更小。因此，在不久的將來(lái)隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人駕駛的感知技術(shù)會(huì)大幅度提高，安全性和環(huán)境識(shí)別能力也將隨之提高，甚至可能會(huì)具有自我適應(yīng)調(diào)節(jié)和自我學(xué)習(xí)的功能。