智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)與應(yīng)用課件：環(huán)境感知傳感器概述

智能網(wǎng)聯(lián)汽車感知與識(shí)別技術(shù)

環(huán)境感知傳感器概述01任務(wù)1環(huán)境感知傳感器概述02任務(wù)引入任務(wù)引入智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知傳感器在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的配置與自動(dòng)駕駛級(jí)別有關(guān)，自動(dòng)駕駛級(jí)別越高，配置的傳感器越多，隨著汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，智能網(wǎng)聯(lián)汽車配備的先進(jìn)傳感器的數(shù)量將會(huì)逐漸增加，預(yù)計(jì)無人駕駛汽車將配備30個(gè)左右先進(jìn)傳感器。陳嘉豪同學(xué)在汽車4S店實(shí)習(xí)，某顧客想購入一款智能化水平較高的汽車，讓陳嘉豪同學(xué)對(duì)汽車的環(huán)境感知系統(tǒng)配置做詳細(xì)介紹。那么，智能汽車的環(huán)境感知系統(tǒng)一般包含哪些傳感器的配置呢？03任務(wù)目標(biāo)04能夠了解環(huán)境感知技術(shù)的概念能夠了解環(huán)境感知技術(shù)的概念2能夠熟悉常用環(huán)境感知傳感器的種類3能夠熟悉常用環(huán)境感知傳感器的主要應(yīng)用場景知識(shí)鏈接在汽車行駛過程中，駕駛員會(huì)根據(jù)行人的移動(dòng)軌跡預(yù)判其下一步的位置，然后依據(jù)車速進(jìn)行安全路徑的規(guī)劃，智能駕駛車輛同樣要能做到這些。多個(gè)移動(dòng)物體的軌跡追蹤與預(yù)測(cè)，難度比單一物體要高得多，這就是環(huán)境感知，也是智能駕駛汽車最具難度的技術(shù)。作為智能駕駛汽車的基礎(chǔ)，同時(shí)也是智能駕駛的四大核心技術(shù)之一，環(huán)境感知技術(shù)利用傳感器獲取道路、車輛位置和障礙物信息，并將這些信息傳輸給車載控制中心。環(huán)境感知系統(tǒng)為智能駕駛汽車提供決策依據(jù)，是智能駕駛汽車的“通天眼”。環(huán)境感知系統(tǒng)由信息采集單元、信息處理單元和信息傳輸單元組成。自動(dòng)駕駛四大核心技術(shù)分別是環(huán)境感知、精確定位、路徑規(guī)劃、線控執(zhí)行，而環(huán)境感知主要包括三個(gè)方面：路面、靜態(tài)物體和動(dòng)態(tài)物體，是自動(dòng)駕駛和機(jī)器人領(lǐng)域的核心技術(shù)。知識(shí)鏈接環(huán)境感知系統(tǒng)基于單一傳感器、多傳感器信息融合或車載自組織網(wǎng)絡(luò)獲取周圍環(huán)境和車輛的實(shí)時(shí)信息，經(jīng)信息處理單元根據(jù)一定算法識(shí)別處理后，通過信息傳輸單元實(shí)現(xiàn)車輛內(nèi)部或車與車之間的信息共享。如下圖2-1-1所示。常見的環(huán)境感知傳感器有超聲波傳感器、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)和視覺傳感器等，各傳感器的原理和特點(diǎn)不同，在環(huán)境感知技術(shù)中的使用也不同。圖2-1-1環(huán)境感知系統(tǒng)組成超聲波傳感器超聲波傳感器是利用超聲波的特性，將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成其它能量信號(hào)的傳感器，具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小等特點(diǎn)，對(duì)液體、固體的穿透性較強(qiáng)。超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波脈沖,經(jīng)媒質(zhì)傳到障礙物表面,反射后通過媒質(zhì)傳到接收器,測(cè)出超聲脈沖從發(fā)射到接收所需的時(shí)間,根據(jù)媒質(zhì)中的聲速,求得從探頭到障礙物表面之間的距離。原理如下圖2-1-2所示。圖2-1-2超聲波傳感器測(cè)距原理簡圖在汽車自動(dòng)泊車輔助系統(tǒng)中，安裝在前后保險(xiǎn)杠的8個(gè)UPA（用于探測(cè)周圍障礙物的超聲波傳感器）和安裝在左右側(cè)的4個(gè)ALA（用于測(cè)量停車位的長度的超聲波傳感器）共同作用，完成自動(dòng)泊車輔助。如下圖2-1-3所示。超聲波傳感器圖2-1-3超聲波傳感器在自動(dòng)泊車系統(tǒng)的應(yīng)用UPA，又叫PDC傳感器，安裝在汽車前后保險(xiǎn)杠，用于探測(cè)汽車前后障礙物，探測(cè)距離15~250cm。APA，又叫PLA傳感器，安裝在汽車側(cè)面，用于測(cè)量停車位長度，探測(cè)距離30~500cm。毫米波雷達(dá)毫米波雷達(dá)是工作在毫米波頻段的雷達(dá)，通過發(fā)射源向給定目標(biāo)發(fā)射毫米波信號(hào),并分析發(fā)射信號(hào)時(shí)間、頻率和反射信號(hào)時(shí)間、頻率之間的差值,可以精確測(cè)量出目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的距離和運(yùn)動(dòng)速度等信息。毫米波雷達(dá)類型與應(yīng)用：如下圖2-1-4所示圖3-1-4毫米波雷達(dá)的類型毫米波雷達(dá)的特點(diǎn)：如下圖2-1-5所示毫米波雷達(dá)圖2-1-5毫米波雷達(dá)的特點(diǎn)激光雷達(dá)激光雷達(dá)是工作在光頻波段的雷達(dá)，激光雷達(dá)系統(tǒng)由發(fā)射模塊、接收模塊、控制單元和信號(hào)處理系統(tǒng)組成。如下圖2-1-6所示。圖2-1-6激光雷達(dá)的組成激光雷達(dá)通過測(cè)算激光發(fā)射信號(hào)與激光回波信號(hào)的往返時(shí)間,計(jì)算出目標(biāo)的距離和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤和識(shí)別。根據(jù)發(fā)射激光信號(hào)的形式不同，分為脈沖法激光測(cè)距和相位法激光測(cè)距。工作原理如下圖2-1-7所示。激光雷達(dá)logo圖2-1-7激光雷達(dá)的工原理機(jī)械式激光雷達(dá)與固態(tài)激光雷達(dá)的參數(shù)對(duì)比，如表2-1-1所示。表2-1-1激光雷達(dá)與固態(tài)激光雷達(dá)參數(shù)對(duì)比視覺傳感器視覺傳感器主要由光源、鏡頭、圖像傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像處理器、圖像存儲(chǔ)器等組成，以實(shí)現(xiàn)車道線識(shí)別、障礙物檢測(cè)、交通標(biāo)志和地面標(biāo)志識(shí)別、交通信號(hào)燈識(shí)別、可行空間檢測(cè)等功能。如下圖2-1-8所示。圖2-1-8視覺傳感器的工作范圍攝像頭有兩個(gè)重要的指標(biāo)：分辨率和有效像素。視覺傳感器分辨率實(shí)際上就是每場行同步脈沖數(shù)，這是因?yàn)樾型矫}沖數(shù)越多，則對(duì)每場圖像掃描的行數(shù)也越多。事實(shí)上，分辨率反映的是攝像頭的縱向分辨能力。有效像素常寫成兩數(shù)相乘的形式，如“320x240”，其中：前一個(gè)數(shù)值表示單行視頻信號(hào)的精細(xì)程度，即行分辨能力；后一個(gè)數(shù)值為分辨率，因而有效像素=行分辨能力×分辨率。視覺傳感器是智能網(wǎng)聯(lián)汽車實(shí)現(xiàn)預(yù)警、識(shí)別類ADAS功能的基礎(chǔ),廣泛應(yīng)用于各ADAS系統(tǒng)中，如表2-1-2所示。表2-1-2視覺傳感器在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的應(yīng)用視覺傳感器慣性導(dǎo)航系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）是利用慣性測(cè)量單元（IMU）的角度和加速度信息來計(jì)算載體的相對(duì)位置的一種定位技術(shù)。其主要由3個(gè)模塊組成：慣性測(cè)量單元、信號(hào)預(yù)處理單元和機(jī)械力學(xué)編排模塊。一個(gè)慣性測(cè)量單元包括3個(gè)相互正交的單軸加速度計(jì)（Accelerometer）和3個(gè)相互正交的單軸陀螺儀（Gyroscopes），慣性測(cè)量單元結(jié)構(gòu)如圖2-1-9所示。信號(hào)預(yù)處理部分對(duì)慣性測(cè)量單元輸出信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理、誤差補(bǔ)償并檢查輸出量范圍等，以確保慣性測(cè)量單元正常工作。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)圖2-1-9慣性測(cè)量單元結(jié)構(gòu)慣性導(dǎo)航通常與GPS的融合使用。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛的定位系統(tǒng)，它使用方便，成本低，定位精度可達(dá)到5米。然而定位導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用也面臨著易受干擾、動(dòng)態(tài)環(huán)境可靠性差、數(shù)據(jù)輸出頻率低、高層建筑衛(wèi)星信號(hào)閉塞等問題。如果將衛(wèi)星定位導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合起來，兩個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)可以相互補(bǔ)充，形成一個(gè)有機(jī)的整體。如圖2-1-10所示。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)圖2-1-10慣性導(dǎo)航與GPS的融合使用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS是通過接收和解譯人造衛(wèi)星所發(fā)射的電波信號(hào)來確定測(cè)站點(diǎn)位置的測(cè)量定位系統(tǒng)，它是英文“GlobalPositioningSystem”（全球定位系統(tǒng)）的縮寫。GPS由24顆衛(wèi)星組成，其中21顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星，大致均勻地分布在6個(gè)軌道面上。軌道面相對(duì)于地球赤道面的傾角為55，各軌道平面之間的交角為60，衛(wèi)星距地球約20200公里，運(yùn)行周期為11小時(shí)58分。在世界任何地區(qū)任何時(shí)候至少可以同時(shí)接收4顆衛(wèi)星信號(hào)，最多可以同時(shí)接收到11顆衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)。每顆衛(wèi)星上均裝有4臺(tái)高精度的原子鐘（2臺(tái)銫鐘、2臺(tái)銣鐘），稱為衛(wèi)星鐘，用以提供高精度的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。GPS定位系統(tǒng)工作原理：已知一顆衛(wèi)星的位置和接收器到它的距離，就可以確定接收器在一個(gè)球面上；已知兩顆衛(wèi)星的位置和接收器到它們的距離，就可以確定接收器在一個(gè)環(huán)上。工作原理如圖2-1-11所示。GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)圖2-1-11GPS定位系統(tǒng)工作原理高精度地圖狹義高精度地圖是由傳統(tǒng)圖形商定義的精度更高、內(nèi)容更詳細(xì)的地圖。例如，定義更詳細(xì)信息。廣義的高精度地圖直接為我們構(gòu)建了一個(gè)真實(shí)的三維世界。除了絕對(duì)位置的形狀信息和拓?fù)潢P(guān)系外，還包括點(diǎn)云、語義和特征等屬性。高精地圖應(yīng)包含的主要信息包括導(dǎo)向箭頭、車道寬度、車道標(biāo)線、車道分割/合并、車道寬度變化、護(hù)欄、障礙物等等。如下圖所示。圖2-1-12高精地圖矢量元素高精度地圖傳統(tǒng)地圖依賴于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，將各種元素作為對(duì)象堆放在地圖上，將道路存儲(chǔ)為路徑。而高精度地圖為了提高存儲(chǔ)效率和機(jī)器可讀性，地圖在存儲(chǔ)時(shí)分為矢量層和對(duì)象層。在高精度地圖生產(chǎn)過程中，通過提取車輛上傳感器采集的原始數(shù)據(jù)，獲取高精度地圖特征值，構(gòu)成特征地圖。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提取、處理和標(biāo)注矢量圖形，包括道路網(wǎng)絡(luò)信息、道路屬性信息、道路幾何信息和道路上主要標(biāo)志的抽象信息。高精地圖生產(chǎn)過程包含以下內(nèi)容：高精度地圖道路元素圖像處理在高精度地圖中，為了給自動(dòng)駕駛汽車提供道路的拓?fù)湫畔?、交通約束信息，需要對(duì)道路元素進(jìn)行識(shí)別并做語義標(biāo)注等以便于后期高精度地圖的制作。如圖2-1-13所示。圖2-1-13道路元素識(shí)別高精度地圖圖像識(shí)別與處理道路元素包括交通標(biāo)志牌、紅綠燈、車道線和隔離帶等。高精度地圖的制作需要對(duì)各種道路元素進(jìn)行圖像識(shí)別、語義標(biāo)注等處理。圖像識(shí)別與處理流程如下圖所示。圖2-1-14圖像識(shí)別與處理流程高精度地圖激光點(diǎn)云處理在高精度地圖制作中，通常使用激光雷達(dá)掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而重建三維道路環(huán)境，并利用重建好的三維環(huán)境進(jìn)行道路要素特征的提取與識(shí)別，準(zhǔn)確地反映道路環(huán)境并描述其道路環(huán)境特征，準(zhǔn)確表述道路環(huán)境特征，得到高精度點(diǎn)云地圖。如圖2-1-15所示。圖2-1-15高精度點(diǎn)云地圖高精度地圖激光點(diǎn)云特征提取激光雷達(dá)獲取的原始數(shù)據(jù)集以激光點(diǎn)云文件形式進(jìn)行存儲(chǔ)。點(diǎn)云文件包含物體表面的離散點(diǎn)集、法向量、顏色或標(biāo)簽等基本信息，但缺少物體的曲面、體積以及各頂點(diǎn)間的幾何拓?fù)涞刃畔ⅰ８呔鹊貓D激光點(diǎn)云法向量法向量作為激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)重要的局部特征，能夠?qū)ιy激光點(diǎn)云的局部進(jìn)行有效的描述并為其他激光點(diǎn)云處理技術(shù)提供支撐。激光點(diǎn)云法向量的計(jì)算方法常用的有兩種解決方案：曲面重建技術(shù)和法向量估計(jì)法。通?；邳c(diǎn)云的特性、應(yīng)用場景、計(jì)算資源等因素選擇合適的方法。高精度地圖激光點(diǎn)云配準(zhǔn)利用激光點(diǎn)云配準(zhǔn)技術(shù)將從各個(gè)視角下采集到的含有誤差的激光點(diǎn)云通過旋轉(zhuǎn)平移，消除誤差并統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，還原道路的三維環(huán)境。激光點(diǎn)云配準(zhǔn)算法繁多，主要分為粗配準(zhǔn)以及精配準(zhǔn)兩種:粗匹配，用于兩片激光點(diǎn)云初始位置誤差較大的情況下快速取得兩片激光點(diǎn)云的轉(zhuǎn)換關(guān)系，輸出精度不高；精匹配，適用于初始位置誤差較小的情況下對(duì)兩片激光點(diǎn)云的坐標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)的計(jì)算，輸出精度高。高精度地圖激光點(diǎn)云分割logo在高精度地圖制作中，為了能夠?qū)魲U、標(biāo)志牌和路沿等交通道路元素從大量雜亂無序的激光點(diǎn)云中識(shí)別出來，需要對(duì)激光點(diǎn)云進(jìn)行分割后提取出來。如圖2-1-16所示。圖2-1-16激光點(diǎn)云分割傳感器融合傳感器融合實(shí)際上是模仿人類通過五官獲得外界信息的這種由感知到認(rèn)知的過程。傳感器數(shù)據(jù)融合是針對(duì)一個(gè)系統(tǒng)使用多個(gè)（種）傳感器這一特定問題而提出的信息處理方法，可發(fā)揮多個(gè)（種）傳感器的聯(lián)合優(yōu)勢(shì)，消除單一傳感器的局限性，把分布在不同位置的多個(gè)同類或不同類傳感器所提供的數(shù)據(jù)資源加以綜合，采用使計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分析加以互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)最佳協(xié)同效果，獲得對(duì)被觀測(cè)對(duì)象的一致性解釋與描述，提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性，從而提高系統(tǒng)決策、規(guī)劃、反應(yīng)的快速性和正確性，使系統(tǒng)獲得更充分的信息（1）傳感器融合的過程。如下圖所示。傳感器融合圖2-1-17傳感器融合過程傳感器融合多傳感器融合結(jié)構(gòu)根據(jù)傳感器信息在不同信息層次上的融合，可以將多傳感器信息融合劃分為Low-level融合、High-level融合和混合融合結(jié)構(gòu)。如圖2-1-17所示。圖2-1-17多傳感器融合結(jié)構(gòu)Low-level融合體系結(jié)構(gòu)是一種較低信息層次上的融合，是集中式融合結(jié)構(gòu)。集中式驗(yàn)合結(jié)構(gòu)將各傳感器獲得的原始數(shù)據(jù)直接送到數(shù)據(jù)融合中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、預(yù)測(cè)等，在傳感器端不需要任何處理，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)融合。如圖2-1-18所示。傳感器融合多傳感器融合結(jié)構(gòu)圖2-1-18Low-level融合體系結(jié)構(gòu)傳感器融合數(shù)據(jù)級(jí)融合數(shù)據(jù)級(jí)融合又稱像素級(jí)融合，是最低層次的融合，直接對(duì)傳感器的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，然后基于融合后的結(jié)果進(jìn)行特征提取和判斷決策。如圖2-1-18所示。圖2-1-18數(shù)據(jù)級(jí)融合體系結(jié)構(gòu)傳感器融合數(shù)據(jù)級(jí)融合根據(jù)融合內(nèi)容，數(shù)據(jù)級(jí)融合又可以分為圖像級(jí)融合、目標(biāo)級(jí)融合和信號(hào)級(jí)融合。圖像級(jí)融合以視覺為主體，將雷達(dá)輸出的整體信息進(jìn)行