智能汽车环境感知技术研究_杨京晶.pdf

内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n智能汽车环境感知技术研究杨京晶(山西工程科技职业大学,山西 晋中 0 3 0 6 1 9)摘 要:目前在智能网联汽车上使用较多的环境感知技术包括超声波雷达、激光雷达、毫米波雷达、视觉传感器和V 2 X通讯技术。本文以智能汽车环境感知技术为研究对象,重点分析了激光雷达、毫米波雷达和视觉传感器的优缺点,并对这三种技术在智能网联汽车A D A S系统的实际应用场合进行了研究。关键词:激光雷达;毫米波雷达;视觉传感器;A D A S 中图分类号:U 4 6 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 9-0 0 9 7-0 3R e s e a r c ho nE n v i r o n m e n tS e n s i n gT e c h n o l o g yo f I n t e l l i g e n tV e h i c l eY a n gJ i n g-j i n g(S h a n x iV o c a t i o n a lU n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n gS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,J i n z h o n gS h a n x i 0 3 0 6 1 9)A b s t r a c t:A tp r e s e n t,t h ee n v i r o n m e n t s e n s i n gt e c h n o l o g i e sc o mm o n l yu s e di ni n t e l l i g e n tc o n n e c t e dv e h i c l e si n c l u d eu l t r a s o n i cr a d a r,l i D AR,m i l l i m e t e rw a v er a d a r,v i s i o ns e n s o ra n dV 2 Xc o mm u n i c a t i o nt e c h n o l o g y.I nt h i sp a p e r,t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fL I D AR,m i l l i m e t e rw a v er a d a ra n dv i s i o ns e n s o ra r ea n a l y z e d,a n dt h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o no f t h e s e t h r e e t e c h n o l o g i e s i n i n t e l l i g e n t c o n n e c t e dv e h i c l eA D A Ss y s t e mi ss t u d i e d.K e yw o r d s:L i D AR;M i l l i m e t e rw a v er a d a r;V i s i o ns e n s o r;A D A S作者简介:杨京晶(1 9 8 9),女,山西晋中人,硕士研究生,助教,主要从事汽车技术应用研究。0 引言环境感知、路径规划、精准定位、线控执行是智能网联汽车的四大核心技术1。其中,环境感知作为智能网联汽车的基础,主要功能是感知道路(道路边界、车道标识线、可行驶路径),周边物体(车辆、行人、交通标志、交通信号灯和其他影响行驶的物体),驾驶状况(车辆本身和周围车辆的行驶状况)和驾驶环境(道路状况、堵车、天气状况)。环境感知技术主要包括激光雷达,毫米波雷达,超声波雷达,视觉传感器和感知算法等,本文将研究激光雷达、毫米波雷达和视觉传感器的特点与这三种技术在A D A S系统中的应用。1 激光雷达激光雷达是一种主动探测的光学遥感技术,波段位于0.5m至1 0m之间,具有精度高、速度快的特点,其应用范围和发展前景十分广阔。激光雷达的原理是发射激光后,将探测物反射的波形与发射波形进行比较与分析,即可得到探测物距离、方位、速度、姿态甚至形状等信息。激光雷达主要有以下优点:(1)分辨率高。激光雷达相较于微波,工作频率高出许多,所以与微波雷达相较,最小分辨距离、最小分辨角度和最小 分 辨 速 度 都 精 确 得 多,其 中 角 分 辨 率 能 达 到0.1 m a r d(光轴稳定度单位,1 m a r d表示1 0 0 m处的1 0 c m),并且可以追踪多个目标,最小分辨距离可精确到0.1 m,最小分辨速度可精确至1 0 m/s以内。(2)抗干扰能力强。激光波长短,一般为0.5微米至十微米,激光光束发散角极小,多路径效应小。(3)获取的信息量丰富。可直接获取目标的距离、角度、反射强度及速度等信息,生成目标多维度图像2。(4)可全天候工作。激光雷达是主动型传感器,与外界光照或目标的辐射无关。(5)探测距离长。探测距离一般可达3 0 0 m以上。(6)可探测低空目标。激光雷达主要有以下缺点:(1)对某些材质探测率差。激光雷达的测量基于反射原理,不易探测到高反射率的物体。多数材料微观上表面是粗糙的,向所有方向发出散射光。激光雷达发射的光束一小部分会返回雷达产生距离数据。但当材料表面反射率非常高,激光可能不会返回雷达,这一区域的数据就会不完整。(2)受环境因素影响较大。大气环境会对激光雷达读数造成影响,空气中的悬浮物能影响激光的传播,故而大雾 和 雨 天 或 空 气 污 染 严 重 时,激 光 雷 达 精 度 会降低。(3)成本高。(4)体积较大,特别是机械式激光雷达。(5)不易识别交通信号灯与交通标志。激光雷达的应用:(1)绘制高精地图。激光雷达可以协助绘制由众多点云拼接而成的高度精确的地图,可用于智能网联汽车的定位。地图点云数据的采集,需要汽车在线路上多次行驶,后期需要处理,先过滤错误数据,例如行驶的汽车与路人,再对多次行驶得到的点云进行拼接等处理,得出精度较高的地图。(2)精准定位。精准定位对智能网联汽车的发展至关重要,它可以确保驾驶行为的准确性及安全性。激光雷达可以在行驶过程中收集到点云信息,这些信息包含了周围环境特征,我们可以利用这些特征协助精准定位。79DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.09.0192 0 2 3年第9期(3)障碍物检测。安全避障是智能网联汽车的重要课题,但障碍物如何识别及判断距离难度较大。目前我们大多还是采用视觉技术识别物体,然而基于单一摄像头产生的二维图像难以得出准确的距离,而基于多目摄像头的视差生成立体图,计算量极大导致实时性差。此外,光学摄像头易受光照条件影响,导致物体识别的准确率极不稳定。利用激光雷达生成的点云可以有效解决上述两个问题。激光雷达的测距基于反射原理,这种方式对障碍物的远近、方位、高度、材质等都有较准确的估计,可以提升检测的准确度。基于激光雷达的障碍物检测比基于摄像头的障碍物检测算法难度小,更利于满足实时性需求。(4)A D A S系统。激光 雷 达 可 应 用 于 多 种 高 级 驾 驶 辅 助 系 统,例 如A C C(自适应巡航控制系统)、AV P(自动代客泊车系统)、A E B(自动紧急制动系统)、P CW(预碰撞警告系统)、L C A(车道偏离预警系统)等。2 毫米波雷达毫米波雷达是指波长为一至十毫米的电磁波,对应频率范围为3 0至3 0 0 GH z。毫米波雷达是工作在毫米波频段的雷达,它通过发射与接收高频电磁波来探测目标,再利用回波波形计算出探测物的距离、速度和角度等信息。毫米波频段介于微波与红外线重叠的部分,因此具备这两种波的优势,同时也有自己的特点。与微波相较而言,毫米波分辨率更高、方向性更好、抗干扰性更强和探测性能更好;与红外线相较而言,毫米波衰减更小,对悬浮颗粒物穿透力更强,且不易受天气影响。基于以上原因,毫米波雷达具有全时性。目前车载毫米波雷达主要有2 4 GH z(波长1.2 5 c m,目前 汽 车 业 仍 将 其 称 为 毫 米 波),6 0 GH z(波 长5 mm),7 7 GH z(波长3.9 mm)和7 9 GH z(波长3.8 mm)四种频段。2 4 GH z,该频段上雷达检测距离较短,一般小于6 0米。常用于检测近处的障碍物。在智能网联汽车系统中,可感知车辆附近的障碍物,可用于变道时提供决策和盲点监测等。6 0 GH z,该频 段 雷 达 探 测 距 离1 0 0米 左 右,可 用 于A C C(自适应巡航控制系统)、P CW(预碰撞警告系统)、A E B(自动紧急制动系统)等前方探测,还可应用于侧方的盲区监测、自动泊车等功能。7 7 GH z,该频段雷达探测距离达1 6 0米以上,常用作于前方监测,安装于前保险杠上,在功能上可用于实现A E B(自动紧急制动系统)、A C C(自适应巡航控制系统)等,同时可探测障碍物的远近,速度和角度等。7 9 GH z,该频段功能与7 7 GH z一样,适于远距离探测。毫米波雷达可测量目标的距离、方位角等,其原理应用了多普勒效应。毫米波雷达通过发射天线发出信号后,碰到探测物反射回来,通过接收天线收到同一探测物的反射信号,分析与原信号的相位差,可以得出探测物的方位角。毫米波雷达的优点:(1)探测距离范围广。应用频段不同的毫米波雷达可分别进行近距离、中距离、远距离探测,最远可达2 0 0米以上。(2)距离分辨率高。(3)测量精度高。(4)探测性能好。汽车行驶时,周围车辆外壳由金属等构成,电磁反射很强,不受颜色、温度干扰。(5)响应速度快。(6)全时性。毫米波雷达的穿透力强,在雨天、雾天和雪天等天气也能有效工作。(7)抗干扰性强。毫米波雷达频率与周围的噪声频率不同,具有抗低频干扰的性质。毫米波雷达有如下缺点:(1)虚警问题。毫米波雷达工作在充满杂波的环境中容易造成虚警现象。(2)覆盖区域存在盲点。毫米波雷达探测范围为扇形,扇形之外即是盲区。(3)不能判别交通标志和交通信号灯。(4)不能识别道路标线。毫米波雷达的应用:(1)自适应巡航控制系统。为实现自适应巡航控制,车辆前方安置的毫米波雷达能将车辆前方道路进行扫描,得到前方车辆的相对速度与距离,控制单元再根据车速信号进行判断,当与前车距离不足时,系统利用A B S系统和发动机控制系统配合动作,使车轮适当减速并减低发动机功率,以确保与前车的安全距离。该系统在控制车辆减速时,会同时考虑舒适度,当需要加大制动力时,会发出声、光等警告,警示驾驶人主动制动。(2)自动紧急制动系统。自动紧急制动属于汽车的主动安全系统。系统利用雷达测出与前车或者障碍物的距离,然后通过数据分析单元将测出的距离与报警距离、安全距离进行比较,当小于报警距离时就进行报警提示,当小于安全距离时使汽车自动制动,从而为安全出行保驾护航3。(3)前方碰撞预警系统。该系统通过毫米波雷达和车辆顶部或前部的前置摄像头,持续探测本车与前车(或其它障碍物)间的距离、方位及相对速度,预判可能的碰撞。当系统判断驾驶者应该制动但却没有制动时,报警信息会显示在仪表上并配合发出报警声音,警示驾驶人主动制动。当判别到碰撞即将发生时,系统开启自动紧急制动系统,避免碰撞或降低其风险。(4)换道辅助系统。该功能借助毫米波雷达,摄像头等装置,对车辆两旁车道及后方物体的运动状态进行持续性的监测,同时结合当前车辆的行驶状态进行判别,最终以声光报警的方式提醒驾驶人,让驾驶人选择适宜的变道时机,防止由于变道而引发的事故,同时也可以预防后方事故。3 视觉传感器视觉传感器,将摄像头拍摄的画面进行处理,对目标进行检测后,输出位置和速度等数据,并且可以判断结果的传感器。根据镜头和布置方式的不同,视觉传感器主要包括单目视觉传感器,双目视觉传感器,三目视觉传感器和环视传感器。此外,红外夜视系统也属于视觉传感器一个独特的分支,图像处理算法在处理远红外夜视图像中依然能够发挥作用4。单目视觉传感器和双目视觉传感器89内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n应用最为广泛。单目视觉传感器。单目视觉传感器的工作原理是先识别目标再测量距离,先通过图像匹配算法进行识别,再依据图像大小、高度估计障碍物远近和车辆抵达障碍物的时间。在算法设计过程中,需要将标记好目标的图片建成样本数据库,通过深度学习的方法,学习图片特征以识别目标。目 前 的A D A S领 域 单 目 摄 像 头 大 约 能 够 识 别1 0 0 m左右范围,未来将达到2 0 0 m甚至更远。这种摄像头特点是视角越宽测距越近,视角越窄测距越远。单目摄像头成本较低,帧速率较高,采集的信息丰富且测距较远,但容易受到光线和天气等影响,测量目标速度的精确度较差。在实际应用中,需要结合激光雷达与毫米波雷达等传感器进行探测,各种传感器融合将能发挥各自的最优性能,大大提高检测精度。另外,在实践应用中,经常采用组合方式。单目视觉传感器的优点:(1)结构简单,成本低。(2)运算量小,精度更高且鲁棒性好。(3)有效视场更大,并且可以通过多个摄像头进行扩展而不发生视场范围损失。单目视觉传感器的缺点:(1)测距精度差。(2)视角与精度难以兼顾。双目视觉传感器。双目视觉传感器工作时,先对目标与本车之间的距离进行测量,再对目标进行识别。测距时利用的是两目之间的视差,原理类似于人眼。当双眼注视同一目标时会产生视差,闭上左眼与闭上右眼观察目标时会感到目标位移,这种位移大小可用作测距。在目标识别时,双目传感器与单目传感器方法相同。双目视觉传感器的优点:(1)信息量丰富。双目摄像头利用仿生学原理,通过校准后的双目摄像头获得同步曝光图像,然后计算得到二维图像像素的三维深度信息。利用视觉计算原理,可以计算出拍摄场景中物体的三维空间信息位置信息。在此基础上,可以实现环境感知、体感、建模和行为识别等多种应用5。(2)精度高。(3)无需先识别,可直接进行测量6。双目视觉传感器的缺点:(1)调校难度高。这种传感器对于两个镜头之间的误差要求极高,两镜头误差都大于5%,会大幅增加识别算法难度,影响测距的准确性。(2)安装要求高。两个摄像头间距一般为1 02 0 c m,这个距离必须十分精确,该距离关系到测距精度,另外汽车工作环境温度在-4 08 5,还要克服传统器材热胀冷缩的效应,安装难度很大。(3)远距离测距精度差,由于目标距离越远时视 差越小,双目摄像头在2 0 m内测距精度较高,当距离增加时,可以通过高 像 素 摄 像 头 和 改 进 的 算 法 来 提 高 测 距精度。视觉传感器的应用(1)车道偏离警告系统。车道偏离警告系统可以通过警示驾驶人车道偏离来提高行车安全性,主要通过摄像头作为传感器检测车道保持状态。当系统开启后,摄像头将持续检测车辆周围环境,在不同的光线、气候条件下,经过图像处理识别车道线,感知道路形状,并得到车辆所处车道的车辆具体位置信息,综合时速、转向灯、转向角等动态数据,借助算法评估车道偏离的概率,紧急时通过声音、仪表或方向盘、座椅震动等警示驾驶人。若驾驶人开启转向灯并正常变道,则不会警告。当车辆异常偏离车道时,控制器会发出警告信号,为驾驶人提供更多应变时间。(2)汽车防碰撞系统。防碰撞系统主要通过多种传感器组合方式,检测前方障碍物并预估碰撞强度与风险,并进行预防性警告,直到主动制动,防止碰撞事故发生。防碰撞系统使用雷达与摄像头探测前方行人,若汽车持续接近行人,前挡风玻璃和仪表会显示红色警告灯,同时发出声音警报提醒驾驶人。如果碰撞危险增加,紧急制动系统也会参加,减小制动片和制动盘之间的距离,同时增加制动系统液压,即使驾驶人踩制动踏板力度较小,也能有效制动。如果驾驶人仍未采取制动,而系统认为即将产生碰撞事故,汽车会自动制动以避免事故或减小伤害。(3)交通标志识别系统。通过特征识别算法,该系统可利用视觉传感器识别交通标志,发出警告信号或自动调整车辆的驾驶状态,由此提高安全性和驾驶规范性。这项功能可以辅助驾驶员及时发现交通标志。交通标志分为警告类、禁止类、指示类等。根据交通标志颜色、形状,可提前针对不同的标志分类。交通标志识别系统可以帮驾驶人及时发现交通标志,避免因没有发现交通标志而导致的违法行为,提高了行车安全性。参考文献:1 张吉宇.智能网联汽车感知系统电磁兼容分析J.电子元器件与信息技术,2 0 2 1(0 1).2 宋传增.智能网联汽车技术概论M.机械工业出版社,2 0 2 0.3 蹇小平,麻友良.汽车电器与电子技术(第二版)M.人民交通出版社股份有限公司,2 0 1 8.4 陈晓明.智能网联汽车技术基础M.机械工业出版社,2 0 2 0.5 李妙然,邹德伟.智能网联汽车技术概论M.机械工业出版社,2 0 1 9.6 崔 胜 民.智 能 网 联 汽 车 技 术 M.机 械 工 业 出 版社,2 0 2 1.99