朱 龍，周 旋，王 凱，孟祥虎，黃 帥

（徐州徐工汽車制造有限公司，江蘇 徐州 221100）

隨著智能駕駛技術(shù)乃至無人駕駛技術(shù)的發(fā)展，汽車智能化已經(jīng)成為汽車制造商普遍關(guān)注的重點(diǎn)，在傳統(tǒng)汽車追求性價(jià)比和駕乘體驗(yàn)的基礎(chǔ)上，智能化所驅(qū)使的不僅僅是駕乘體驗(yàn)提升，更帶來的是安全概念從被動(dòng)安全向主動(dòng)安全的轉(zhuǎn)變，從而使得車輛行駛安全上升到另一個(gè)高度。

全球范圍內(nèi)，每年有千萬量級(jí)的交通事故發(fā)生，造成的經(jīng)濟(jì)損失多達(dá)全球GDP的1%～3%，而其中追尾事故的占比尤為凸顯 （美國(guó)占比為29.5%，德國(guó)為28%）［1］。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和道路狀況的改善，中國(guó)汽車保有量持續(xù)攀升，交通事故總量呈上升趨勢(shì)，據(jù)統(tǒng)計(jì)［2］，中國(guó)萬車死亡率已居世界首位。高速公路上涉及到貨運(yùn)車輛的 （死亡）事故超過60%，高速公路上貨運(yùn)車輛涉及到的交通事故居高不下，而且有上升的趨勢(shì)。針對(duì)這一嚴(yán)峻形勢(shì)，中國(guó)相繼發(fā)布了相關(guān)法規(guī)［3～5］，對(duì)商用車輔助駕駛系統(tǒng)的配備做出了強(qiáng)制規(guī)定，以在政策層面推動(dòng)主動(dòng)安全系統(tǒng)在商用車領(lǐng)域的量產(chǎn)落地。

鑒于商用車在交通運(yùn)輸行業(yè)的特殊地位及其對(duì)主動(dòng)安全技術(shù)的迫切需求，汽車零部件供應(yīng)商均在考慮滿足主動(dòng)安全系統(tǒng)性能要求的同時(shí)，會(huì)重點(diǎn)控制系統(tǒng)主要傳感器組成的成本。因此，針對(duì)商用車智能駕駛系統(tǒng)的階段性需求，如“雙預(yù)警” （前車碰撞預(yù)警及車道偏離預(yù)警）、自動(dòng)緊急制動(dòng)（Automatic Emergency Braking，AEB）、盲區(qū)探測(cè) （Blind Spot Detection，BSD）、駕駛員監(jiān)控系統(tǒng) （Driver Monitoring System，BSD）等，有必要對(duì)包括視覺、毫米波雷達(dá)以及激光雷達(dá)等道路環(huán)境感知傳感器進(jìn)行優(yōu)劣對(duì)比分析，為當(dāng)前應(yīng)用需求提供參考。

1 傳感器基本原理

視覺、毫米波雷達(dá)以及激光雷達(dá)是目前智能駕駛的主要傳感器，因此本文將對(duì)這3種傳感器的特性進(jìn)行分析。

1.1 視覺傳感器

視覺傳感器是通過單目或者多目攝像頭對(duì)道路環(huán)境進(jìn)行圖像采集，并采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)包括車輛、行人、車道線、標(biāo)識(shí)牌等道路元素進(jìn)行識(shí)別的傳感器。傳感器采集的圖片或視頻通過計(jì)算機(jī)視覺算法進(jìn)行道路環(huán)境感知的效果如圖1所示。

道路元素檢測(cè)是視覺感知的首要任務(wù)，在此基礎(chǔ)上，通過視覺測(cè)距算法，對(duì)道路元素進(jìn)行定位。以車輛測(cè)距為例，單目視覺采用小孔成像原理［6］對(duì)目標(biāo)離攝像頭的橫向距離和縱向距離進(jìn)行計(jì)算。如圖2所示。

圖1 單目視覺目標(biāo)檢測(cè)

圖2 單目視覺測(cè)距

除此之外，雙目立體視覺也是智能輔助駕駛系統(tǒng)感知研究與應(yīng)用的另一個(gè)重要方面，但其原理跟單目視覺相比存在較大差異。雙目立體視覺類似于人眼的視差原理，對(duì)障礙物進(jìn)行三維坐標(biāo)的檢測(cè)，然后才進(jìn)行目標(biāo)類別的識(shí)別。雙目立體視覺目標(biāo)感知效果及其定位原理如圖3所示。

無論是單目視覺還是雙目立體視覺，其基礎(chǔ)均是通過鏡頭與感光元器件對(duì)環(huán)境進(jìn)行成像，那么其成像品質(zhì)直接影響目標(biāo)的檢測(cè)與定位。因此，視覺傳感器的感光原理決定其在不同光照條件成像的魯棒性是視覺傳感器的難點(diǎn)。夜間、雨霧天、逆光等環(huán)境因素對(duì)視覺傳感器帶來較大挑戰(zhàn)，因?yàn)闃O端天氣或光照環(huán)境會(huì)引起目標(biāo)圖像特征的局部喪失，進(jìn)而影響目標(biāo)的檢測(cè)與定位。

圖3 雙目視覺目標(biāo)感知［7］效果及其定位原理

1.2 毫米波雷達(dá)

隨著集成電路和天線設(shè)計(jì)等技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，元器件成本的不斷降低，車載毫米波雷達(dá)成為智能駕駛系統(tǒng)普遍使用的感知傳感器。車載毫米波雷達(dá)利用天線發(fā)射電磁波后，對(duì)前方或后方障礙物反射的回波進(jìn)行檢測(cè)，并通過信號(hào)處理器計(jì)算出與前方或后方障礙物的相對(duì)速度和距離。

由于毫米波雷達(dá)的特殊波段，使得其穿透能力強(qiáng)，不受天氣影響。盡管大氣對(duì)某些雷達(dá)波段的傳播具有衰減作用，毫米波雷達(dá)無論在潔凈空氣中還是在雨霧、煙塵、污染中的衰減都弱于紅外線、微波等，具有更強(qiáng)的穿透能力。毫米波雷達(dá)波束窄、頻帶寬、分辨率高，在大氣窗口頻段不受白天和黑夜的影響，具有全天候的特點(diǎn)。這一點(diǎn)與視覺相比，非常具有優(yōu)勢(shì)。圖4為毫米波雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)。

圖4 毫米波雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)

1.3 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)是傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它的基本原理是：向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào) （激光束），然后測(cè)量反射或散射信號(hào)的到達(dá)時(shí)間、強(qiáng)弱程度等參數(shù)，以確定目標(biāo)的距離、方位、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及表面光學(xué)特性。LiDAR的工作原理：飛行時(shí)間法 （ToF），就是根據(jù)激光遇到障礙物后的折返時(shí)間，計(jì)算目標(biāo)與自己的相對(duì)距離。激光光束可以準(zhǔn)確測(cè)量視場(chǎng)中物體輪廓邊沿與設(shè)備間的相對(duì)距離，這些輪廓信息組成所謂的點(diǎn)云并繪制出3D環(huán)境地圖，精度可達(dá)到厘米級(jí)別，如圖5所示。

圖5 激光3D點(diǎn)云圖

2 傳感器特性對(duì)比分析

視覺、毫米波雷達(dá)及激光雷達(dá)，工作原理不同，道路環(huán)境感知的性能也差異明顯。考慮到汽車輔助駕駛系統(tǒng)對(duì)性能、成本以及可安裝性等方面的要求，有必要從傳感器尺寸、成本、性能及環(huán)境魯棒性等幾個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析，從而更合理地根據(jù)應(yīng)用需求選擇傳感器。

如前所述，視覺光學(xué)成像的原理及其感光傳感器的特性直接影響道路環(huán)境的成像品質(zhì)，目前各攝像頭供應(yīng)商也分別在圖像信號(hào)處理 （Image Signal Processing，ISP）方面投入較多，以盡力提升成像品質(zhì)。ISP技術(shù)包含自動(dòng)白平衡（White Balance，WB）、自動(dòng)曝光控制 （Automatic Exposure Control，AEC）、高動(dòng)態(tài)范圍 （High Dynamic Range，HDR）等。ISP可以在不同光照條件下使得顏色不發(fā)生變化，夜間成像更明亮，逆光情況下的強(qiáng)光抑制，從而保證目標(biāo)圖像特征的環(huán)境適應(yīng)性。但是，極端天氣環(huán)境，如大雨天、冰雪天、大霧天、暗光條件依然是視覺傳感器的短板。然而，視覺傳感器成本非常低廉，因而成為智能駕駛系統(tǒng)必不可少的選擇。視覺感知傳感器的優(yōu)劣勢(shì)雷達(dá)如圖6所示 （數(shù)值越大，性能越好）。

圖6 視覺傳感器特性雷達(dá)圖

相對(duì)于視覺而言，毫米波雷達(dá)的探測(cè)范圍與視覺類似，目前性能比較優(yōu)秀的毫米波雷達(dá)及視覺均能做到超過200m，毫米波雷達(dá)的成本比視覺略高，但總體而言，價(jià)格依然相對(duì)低廉，完全可以用于量產(chǎn)落地。毫米波雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)也非常明顯，如全天候的特性。當(dāng)然，毫米波探測(cè)到的目標(biāo)只能輸出一個(gè)點(diǎn)，無法判斷目標(biāo)的類型，也無法實(shí)現(xiàn)字符識(shí)別，如限速標(biāo)識(shí)牌的識(shí)別。同樣的，其特性雷達(dá)圖如圖7所示。

圖7 毫米波雷達(dá)特性雷達(dá)圖

對(duì)于激光雷達(dá)而言，其分辨率與其線數(shù)相關(guān)，如Velodyne就發(fā)布了128線的激光雷達(dá)，使得3D點(diǎn)云更為稠密，分辨率更高。但眾所周知，32線以上激光雷達(dá)的成本非常高，其量產(chǎn)良品率也偏低，目前使用激光雷達(dá)的廠商基本是處于研發(fā)階段的自動(dòng)駕駛車輛。當(dāng)然，其優(yōu)勢(shì)也非常明顯，尤其在厘米級(jí)別的探測(cè)精度、3D環(huán)境感知這兩個(gè)方面。激光雷達(dá)的性能雷達(dá)圖如圖8所示。

3 傳感器選型

物流領(lǐng)域的卡車等商用車自動(dòng)輔助駕駛由于對(duì)安全的首要需求，或許更強(qiáng)調(diào)快速落地量產(chǎn)。尤其是車輛從OEM廠商交到下游的運(yùn)營(yíng)商客戶手中，車隊(duì)運(yùn)營(yíng)方的需求更為明顯。同時(shí)，商用車受政策影響較大，尤其是兩客一危行業(yè)，《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》［5］以及陸續(xù)出臺(tái)的ADAS相關(guān)功能國(guó)標(biāo)對(duì)商用車影響更大。

據(jù)報(bào)道［8］，目前中國(guó)重型卡車保有量超過500萬輛，輕中型卡車保有量超過1400萬輛，市場(chǎng)規(guī)模超過5萬億人民幣，已成為世界第一大的公路運(yùn)輸市場(chǎng)。巨大的中國(guó)物流運(yùn)輸市場(chǎng)和政策引導(dǎo)，無疑也將激活商用車ADAS及自動(dòng)駕駛市場(chǎng)需求。

圖8 激光雷達(dá)特性雷達(dá)圖

就現(xiàn)階段而言，商用車在政策框架之下的落地應(yīng)用主要處于輔助駕駛層面，商用車自動(dòng)駕駛技術(shù)更多停留在研發(fā)與驗(yàn)證階段。商用車輔助駕駛系統(tǒng)的主要應(yīng)用包括前車碰撞預(yù)警系統(tǒng)、車道偏離預(yù)警系統(tǒng)、駕駛員疲勞監(jiān)控系統(tǒng)以及盲區(qū)探測(cè)這幾個(gè)方面，尤其是盲區(qū)探測(cè)相對(duì)于乘用車而言，需求更為旺盛。基于此，考慮系統(tǒng)性能的需求，一般采用傳感器融合的方式。綜合視覺和毫米波雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，得到的融合方案相較于單傳感器的優(yōu)勢(shì)見表1（●表示性能優(yōu)越，●表示性能處于平均水平，○表示性能不佳）。

表1 傳感器融合性能對(duì)比

由表1可知，視覺和毫米波雷達(dá)融合方案，在各方面的性能都達(dá)到比較優(yōu)越的程度。因此，針對(duì)不同的需求，傳感器選型推薦如下。

1）雙預(yù)警系統(tǒng)：由于預(yù)警功能起到提醒駕駛員的作用，因此其功能本身不會(huì)給駕駛員帶來安全隱患?？紤]成本需求，可選擇單目攝像頭作為系統(tǒng)的感知傳感器。如果需要性能更為優(yōu)越，視覺和毫米波雷達(dá)是更好的選擇。

2）AEB系統(tǒng)：自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)涉及到車輛控制，必須嚴(yán)格把控感知的精度，尤其需要控制誤操作的發(fā)生，避免其干擾駕駛員正常駕駛，甚至導(dǎo)致事故的發(fā)生，因此AEB系統(tǒng)最好選擇更為可靠的融合方案。

3）BSD系統(tǒng)：盲區(qū)探測(cè)從功能完備程度來講，有僅考慮移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)的系統(tǒng)，這種情況可僅采用毫米波雷達(dá)的方案；如果需要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分類且需要同時(shí)對(duì)靜止和移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，則需要選擇視覺傳感器；同樣的，考慮全天候特性及系統(tǒng)的可靠性，可采用融合方案。

4）DMS系統(tǒng)：駕駛員狀態(tài)監(jiān)控，如抽煙、打電話、閉眼、打哈欠，這些特征無法采用毫米波雷達(dá)進(jìn)行，必須采用視覺傳感器，同時(shí)考慮夜間使用的問題，市面上一般采用近紅外攝像頭滿足不同光照條件下的系統(tǒng)性能要求。

4 結(jié)論

本文對(duì)輔助駕駛系統(tǒng)的特性進(jìn)行了對(duì)比分析，并根據(jù)目前商用車法規(guī)項(xiàng)和痛點(diǎn)需求，分別給出了傳感器選型建議，得到的結(jié)論如下。

1）視覺、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)有各自的優(yōu)勢(shì)，綜合考慮成本和性能的要求，視覺的綜合表現(xiàn)目前最為適合多種輔助駕駛功能的應(yīng)用落地。

2）涉及碰撞預(yù)警類的輔助駕駛系統(tǒng)，可以單獨(dú)采用視覺或毫米波雷達(dá)，涉及非障礙物類別檢測(cè)需求的系統(tǒng)，至少需要用到視覺傳感器。

3）基于感知傳感基礎(chǔ)上的車輛控制，對(duì)傳感器性能要求更為嚴(yán)格，有必要考慮多傳感器融合，以提升感知可靠性和執(zhí)行有效性。