自動駕駛感測器如何佈置

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前言:

無人駕駛汽車的研究越來越多，各環境感知感測器的分佈位置也不同，到底這些感測器要遵循一個什麼樣的佈置原則？

智慧駕駛汽車環境感知感測器主要有超聲波雷達、毫米波雷達、鐳射雷達、單/雙/三目攝像頭、環視攝像頭以及夜視裝置。目前，處於開發中的典型智慧駕駛車感測器配置如表 1所示。

表 1 智慧駕駛汽車感測器配置

·環視攝像頭：

主要應用於短距離場景，可識別障礙物，但對光照、天氣等外在條件很敏感，技術成熟，價格低廉；

·攝像頭：

常用有單、雙、三目，主要應用於中遠距離場景，能識別清晰的車道線、交通標識、障礙物、行人，但對光照、天氣等條件很敏感，而且需要複雜的演算法支援，對處理器的要求也比較高；

·超聲波雷達：

主要應用於短距離場景下，如輔助泊車，結構簡單、體積小、成本低；

·毫米波雷達：

主要有用於中短測距的 24 GHz 雷達和長測距的 77 GHz 雷達 2 種。毫米波雷達可有效提取景深及速度資訊，識別障礙物，有一定的穿透霧、煙和灰塵的能力，但在環境障礙物複雜的情況下，由於毫米波依靠聲波定位，聲波出現漫反射，導致漏檢率和誤差率比較高；

·鐳射雷達：

分單線和多線鐳射雷達，多線鐳射雷達可以獲得極高的速度、距離和角度解析度，形成精確的 3D 地圖，抗干擾能力強，是智慧駕駛汽車發展的最佳技術路線，但是成本較高，也容易受到惡劣天氣和煙霧環境的影響。

不同感測器的感知範圍均有各自的優點和侷限性（見圖 1），現在發展的趨勢是透過感測器資訊融合技術，彌補單個感測器的缺陷，提高整個智慧駕駛系統的安全性和可靠性。

圖 1 環境感知感測器感知範圍示意圖

全新奧迪A8配備自動駕駛系統的感測器包括

-12個超聲波感測器，位於前後及側方

-4個廣角360度攝像頭，位於前後和兩側後視鏡

-1個前向攝像頭，位於內後視鏡後方

-4箇中距離雷達，位於車輛的四角

-1個長距離雷達，位於前方

-1個紅外夜視攝像頭，位於前方

-1個鐳射掃描器Laser Scanner，位於前方

感測器的佈置原則

無人車感測器的佈置，需要考慮到覆蓋範圍和冗餘性。

覆蓋範圍：

車體360度均需覆蓋，根據重要性，前方的探測距離要長（100m），後方的探測距離稍短（80m），左右側的探測距離最短（20m）。為了保證安全性，每塊區域需要兩個或兩個以上的感測器覆蓋，以便相互校驗，如下圖所示［1］：

圖2：一種典型的感測器全覆蓋、多冗餘配置示意圖

Host Vehicle是無人車實體，ESR，RSDS是毫米波，UTM、LUX、HDL是鐳射，Camera是工業相機。從圖中也可以看出，各個方向上均有多個感測器配置。為了簡潔，圖中的Camera只畫出了前方的，實際上前後左右Camera配置了很多個，使得系統的冗餘度更高。

具體安裝在車上，是這樣樣子的：

圖3：感測器在無人車上的實際安裝，大部分感測器都是隱藏式安裝（車前保、後保內），唯一的特例，三維鐳射安裝在車頂上。

前後探測距離的差異，主要是考慮一些特殊場景下的安全問題。

例如，車輛剛駛出高速公路服務區，準備自動變道：初始車速 V1=60km/h；變道過程約需要 t = 3 s；變道完成時與後方車輛的車間時距 τ ≥ 2 s （注 1）左後方來車車速 V2 = 120 km/h；為保證變道安全，本車與左後方車輛的初始安全距離至少為

（V2－V1）×（t+τ）=（120km/h－60km/h）×（3s+2s） ≈ 83m

注1：目前自動變道無相關的法規要求， 故參考 GB /T20608-2006《智慧運輸系統自適應巡航控制系統性能要求與檢測方法》中， 第5。2。2 條對自適應巡航的車間時距做出規定：τ_min 為可供選擇的最小的穩態車間時距， 可適用於各種車速 v 下的 ACC 控制。τ_min （ v） 應大於或等於 1 s，並且至少應提供一個在 1。5 ~ 2。2 s 區間內的車間時距 τ。在自動變道場景的計算中，為保證安全，選取 τ = 2 s 進行計算。

一般後向 24 GHz 毫米波雷達的探測距離為 60 m 左右，如果車後安裝一臺24GZ毫米波雷達，60～83 m 是危險距離。若前後車距在此範圍內，開始變道時，系統誤判為符合變道條件。隨著左後方車輛高速接近，自動變道過程中安全距離不足，本車中途終止變道，返回本車道繼續行駛。這種情況會干擾其他車輛的正常駕駛，存在安全隱患，也會給本車的乘員帶來不安全感（見圖 4）。

圖 4：自動變道場景

要解決這個極端場景下智慧駕駛汽車自動變道的安全問題，可以考慮增加一個 77 GHz 後向毫米波雷達，它的探測距離可以達到 150 m 以上，完全能滿足這個場景中 83 m 的探測距離要求。當然，可以採用探測距離達到 100 m 以上的 8 線鐳射雷達或攝像頭（ 如 Tesla 車型） 解決 24 GHz 毫米波雷達探測距離不足的問題， 還可以透過控制演算法設定車輛必須加速到一定車速才允許自動變道。

而前車安全距離要保證至少100米左右，也保證了車輛有足夠的制動時間。

冗餘度：誰都不希望把自己的生命交付給一個/種感測器，萬一它突然失效了呢？所謂的冗餘度，也可以劃分為硬體冗餘，或軟體冗餘。

如圖1中，前方的障礙物有4類感測器覆蓋，這樣最大程度上保證前方障礙物檢測不會漏檢或者虛警。這屬於硬體冗餘。

再比如車道線檢測。現階段大量的對車道線的檢測均是基於視覺（此處不討論基於鐳射的感測器），對它的冗餘則遵循3選2，或少數服從多數的選擇。透過多支演算法來保證識別的正確性。演算法設計上用到Sensor Fusion，下圖是CMU的多感測器融合的障礙物檢測/跟蹤框架：

圖5：CMU的障礙物檢測、跟蹤框架。主要分為兩層，Sensor Layer負責收集各個感測器測量，並將其抽象為公共的障礙物特徵表示；Fusion Layer接收障礙物特徵表示，輸出最終的障礙物結果（位置、速度、類別等）。

除了要保證覆蓋和冗餘度，當然在實際安裝中，還要符合每個感測器和車輛的安裝條件。比如把鐳射雷達放置在高處，增大了掃描的面積。

智慧駕駛車輛的感測器中，以需要考慮因素較多的毫米波雷達佈置為例進行介紹。

毫米波雷達的位置

毫米波雷達的位置

（1）正向毫米波雷達

正向毫米波雷達一般佈置在車輛中軸線，外露或隱藏在保險槓內部。雷達波束的中心平面要求與路面基本平行，考慮雷達系統誤差、結構安裝誤差、車輛載荷變化後，需保證與路面夾角的最大偏差不超過 5°。

另外，在某些特殊情況下，正向毫米波雷達無法佈置在車輛中軸線上時，允許正 Y 向最大偏置距離為 300 mm，偏置距離過大會影響雷達的有效探測範圍。

（2）側向毫米波雷達

側向毫米波雷達在車輛四角呈左右對稱佈置，前側向毫米波雷達與車輛行駛方向成 45° 夾角，後側向毫米波雷達與車輛行駛方向成 30° 夾角，雷達波束的中心平面與路面基本平行，角度最大偏差仍需控制在 5° 以內。

圖 6：毫米波雷達位置

（3）毫米波雷達的佈置高度

毫米波雷達在 Z 方向探測角度一般只有 ±5°，雷達安裝高度太高會導致下盲區增大，太低又會導致雷達波束射向地面，地面反射帶來雜波干擾，影響雷達的判斷。因此，毫米波雷達的佈置高度（即地面到雷達模組中心點的距離），一般建議在 500（滿載狀態）～800 mm（空載狀態）之間（見圖 6）。

表面覆蓋材料

毫米波雷達大多數情況都是隱藏佈置，採用某些不合適的表面覆蓋材料會遮蔽毫米波或引起波束畸變、駐波變差，使雷達失效或靈敏度降低。因此選用的覆蓋物材料有如下要求。

（1）優先選用 PC、PP、ABS、TPO 等電解質傳導係數小的材料，這些材料中不能夾有金屬和碳纖維。如果材料表面有低密度金屬塗層（如車漆），雖對雷達效能影響不是很大，但必須經過測試才可使用。

（2）覆蓋物的表面必須平滑且厚度均勻，不能出現料厚突變或結構複雜的情況，且厚度最好是雷達半波長的整數倍，以減少對雷達波的扭曲和衰減。

另外，覆蓋物與雷達面的距離也不能太大，否則雷達容易把覆蓋物誤判為障礙物。在實際佈置中，一般把雷達和覆蓋物之間的距離控制在 50～150 mm，如果在造型設計階段就把毫米波雷達資料輸入給造型設計師，經過造型最佳化，最小距離可控制在 15 mm 左右。

毫米波雷達的佈置

圖 7：毫米波雷達佈置示例除以上毫米波雷達本身要求外，在佈置時，還需要兼顧考慮其他因素，如：雷達區域外造型的美觀性、對行人保護的影響、設計安裝結構的可行性、雷達除錯的便利性、售後維修成本等問題 。以下是一些示例（見圖 7）。智慧駕駛車輛只能實現部分場景的自動駕駛，為了能適應更多場景，一方面，可以配置效能更好或數量更多的環境感知感測器；另一方面，從降低整車成本考慮，還可以從感測器的佈置最佳化方向入手，充分發揮感測器的效能。

附加說明：