傳統(tǒng)的汽車，由于是人為控制，對外界環(huán)境的感知、認(rèn)知以及對汽車的控制都是由駕駛員來完成。或者一些稍微高級的汽車，配有高級輔助駕駛，可由駕駛員和輔助駕駛系統(tǒng)配合著完成這些“任務(wù)”。但對于自動駕駛和無人駕駛汽車，因為是車輛本身占據(jù)了汽車部分甚至是全部的控制權(quán)，此時便要依靠安裝在汽車上各種各樣的傳感器協(xié)同工作，保證行車安全。
目前來看，企業(yè)應(yīng)用于自動駕駛汽車的傳感器主要有以下幾種：圖像傳感器、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)以及生物傳感器。它們依據(jù)各自不同的產(chǎn)品屬性，在自動駕駛汽車行駛過程中各主不同的功能，以保證自動駕駛汽車的正常運行。本文蓋世汽車帶大家認(rèn)識目前自動駕駛汽車上幾種主要的傳感器。
圖像傳感器
圖像傳感器又叫感光元件，是一種可以將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電子信號的設(shè)備，在自動駕駛汽車上屬于基礎(chǔ)部件一類，獲取圖像時，前期需與數(shù)字?jǐn)z像頭結(jié)合使用，后期則需要圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的支持，方能為汽車提供直觀、真實的可視圖像信息。其具體工作原理為：
物體在外界照明光的照射下，經(jīng)成像物鏡成像，形成二維光強(qiáng)分布的光學(xué)圖像，再通過圖像傳感器轉(zhuǎn)換成電子信號。之后，這些電子信號經(jīng)圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的放大和同步控制處理，發(fā)送給圖像顯示器，便可以看到物體的二維光學(xué)圖像，從而為自動駕駛汽車提供準(zhǔn)確的駕駛環(huán)境信息。
攝像頭中的圖像傳感器（圖片來源：中國教育裝備采購網(wǎng)）
圖像傳感器的工作原理（圖片來源：電子發(fā)燒友）
在汽車領(lǐng)域，圖像傳感器主要應(yīng)用在汽車視覺系統(tǒng)中，如倒車影像、前視、俯視、全景泊車影像、車鏡取代、行車記錄儀、正向碰撞警告、車道偏離警告、交通信號識別、行人檢測、自適應(yīng)巡航控制、盲點檢測及夜視等，以保證視覺系統(tǒng)在各種天氣、路況條件下，能夠清晰識別車道線、車輛、障礙物、交通標(biāo)志等。
根據(jù)元件的不同，圖像傳感器可分為CCD、CMOS和CIS三種。早期，作為固態(tài)圖像傳感器，CCD由于有體積小、分辨率高、靈敏度高、圖像質(zhì)量高等優(yōu)勢，一直統(tǒng)領(lǐng)著圖像傳感器市場。不過，CCD高畫質(zhì)背后也帶來了一些問題，譬如成本高，由此出現(xiàn)了成本更低、功耗更低的CMOS傳感器。
與CCD相比，CMOS具有讀取信息方式簡單、輸出信息速率快、耗電省、集成度高、價格低等特點，在推出后很快受到了多家知名廠商的青睞。并隨著技術(shù)的發(fā)展，CMOS不斷縮小與CCD的差距，現(xiàn)逐漸發(fā)展成市場的核心。
而另一種圖像傳感器CIS，則多用在掃描儀中，其景深、分辨率以及色彩表現(xiàn)目前都趕不上CCD感光器件。
激光雷達(dá)
激光雷達(dá)是目前自動駕駛汽車上應(yīng)用最廣泛的傳感器之一，主要通過向目標(biāo)物體發(fā)射激光束和接收從目標(biāo)對象上反射回來的激光束來測算目標(biāo)的位置、速度等特征量，感知車輛周圍環(huán)境，并形成精度高達(dá)厘米級的3D環(huán)境地圖，為下一步的車輛操控建立決策依據(jù)。
與其他汽車傳感器相比，激光雷達(dá)的優(yōu)勢在于其探測范圍更廣，探測精度更高。但是，激光雷達(dá)的缺點也很明顯：在雨雪霧等極端天氣下性能較差，采集的數(shù)據(jù)量過大，十分昂貴。特別是激光雷達(dá)線束多少直接與測量精度有關(guān),線束越多,測量越精準(zhǔn)，但同時價格也越昂貴。
傳統(tǒng)機(jī)械式激光雷達(dá)
以Velodyne的產(chǎn)品為例，其64線束的激光雷達(dá)價格大約是16線束的10倍，而百度的無人駕駛汽車曾使用的一臺64位激光雷達(dá)，價值70萬余人民幣，非常昂貴，不僅一般的企業(yè)難以承受，搭載了這種激光雷達(dá)的自動駕駛汽車，也非一般人能消費得起的。因此，現(xiàn)在激光雷達(dá)領(lǐng)域的企業(yè)都在努力開發(fā)新產(chǎn)品、新技術(shù)，力爭使激光雷達(dá)朝著小型化、低成本化方向發(fā)展。其中，一個已經(jīng)在試行的方法是固態(tài)激光雷達(dá)。
Quanergy S3固態(tài)激光雷達(dá)傳感器
所謂固態(tài)激光雷達(dá)即去除了機(jī)械式激光雷達(dá)里面的機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，采用電子方案來達(dá)到全范圍探測，而傳統(tǒng)的激光雷達(dá)則是通過機(jī)械旋轉(zhuǎn)達(dá)到全范圍探測，因此體積通常較大。
速騰聚創(chuàng)16線混合固態(tài)激光雷達(dá)RS-LiDAR
此外還有一種方法是混合固態(tài)激光雷達(dá)，介于固態(tài)激光雷達(dá)和機(jī)械式激光雷達(dá)兩者之間。從外觀上，混合固態(tài)激光雷達(dá)幾乎看不到傳統(tǒng)激光雷達(dá)的旋轉(zhuǎn)部件，但其實內(nèi)部仍存在一些機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，只是這套機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件做的非常小巧，并且藏在機(jī)身內(nèi)部。
技術(shù)上來講，目前傳統(tǒng)激光雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)很成熟，而固態(tài)激光雷達(dá)和混合固態(tài)激光雷達(dá)尚處于起步階段，因此各企業(yè)當(dāng)前在自動駕駛汽車使用的激光雷達(dá)，多以機(jī)械式激光雷達(dá)為主。而從整個激光雷達(dá)行業(yè)來看，高精度車載激光雷達(dá)產(chǎn)品生產(chǎn)商主要集中在國外，如美國的Velodyne、Quanegy，德國的IBEO，國內(nèi)近幾年也開始出現(xiàn)一些專注于車載激光雷達(dá)的企業(yè)，以及一些從其他領(lǐng)域轉(zhuǎn)行而來的激光雷達(dá)企業(yè)，因看中自動駕駛汽車廣闊發(fā)展前景，紛紛投身車載激光雷達(dá)產(chǎn)品的研發(fā)，目前來看成果顯著。
毫米波雷達(dá)
同激光雷達(dá)一樣，毫米波雷達(dá)也是現(xiàn)在應(yīng)用于自動駕駛汽車ADAS系統(tǒng)的一種主流傳感器。其波長介于厘米波和光波之間，波長短、頻帶寬，具有穿透霧、煙、灰塵的能力強(qiáng)，可全天候工作，體積小巧緊湊，識別精度高等優(yōu)點，能幫助自動駕駛汽車準(zhǔn)確地“看”到與附近車輛之間的距離，從而為司機(jī)提供變道輔助、自主控制車速、碰撞預(yù)警等幫助，提高駕駛舒適度，降低事故發(fā)生率。且價格方面，毫米波雷達(dá)單價遠(yuǎn)低于激光雷達(dá)，是一種相對容易得到的傳感器技術(shù)。
目前特斯拉的主力車型上搭載的都是毫米波雷達(dá)
按照目前的主流分類，汽車毫米波雷達(dá)頻率主要包括77GHz和24GHz兩種，其中前者波長更短，探測距離更遠(yuǎn)，因此多用于前方車輛檢測；而后者則通常用在車輛周圍的檢測，如盲點檢測。此外，也有一些其他頻段的毫米波雷達(dá)，如日本的60GHz以及臺灣使用的79GHz。
從整個毫米波雷達(dá)行業(yè)發(fā)展來看，無論系統(tǒng)還是器件，核心技術(shù)目前仍掌握在國外企業(yè)手中，如系統(tǒng)領(lǐng)域的博世、大陸、德爾福等，器件方面的飛思卡爾、英飛凌、意法半導(dǎo)體等。不過，近幾年國內(nèi)也涌現(xiàn)出了一些毫米波雷達(dá)相關(guān)公司，加速了行業(yè)的發(fā)展。有專家認(rèn)為，相對于攝像頭方面的激烈競爭，毫米波雷達(dá)更有創(chuàng)新性，潛在的市場空間更大，機(jī)會更多。特別是77GHz，未來有望成為毫米波雷達(dá)主流，而在國內(nèi)，加快開發(fā)國產(chǎn)的77GHZ毫米波雷達(dá)芯片并盡快車載應(yīng)用，將是我國汽車毫米波雷達(dá)產(chǎn)業(yè)的機(jī)遇。
超聲波雷達(dá)
在上圖特斯拉的Autopilot系統(tǒng)中，除使用到了毫米波雷達(dá)，其實還用到了超聲波雷達(dá)。據(jù)了解，在特斯拉裝備的自動駕駛輔助套件中，同時用到了攝像頭、超聲波雷達(dá)和毫米波雷達(dá)三種傳感器。其中，超聲波主要用于泊車測距、輔助剎車等，量程較短。
采用超聲波雷達(dá)測距時，超聲波發(fā)射器先向外面某一個方向發(fā)射出超聲波信號，在發(fā)射超聲波時刻的同時開始進(jìn)行計時，超聲波通過空氣進(jìn)行傳播，傳播途中遇到障礙物就會立即反射回來，超聲波接收器在收到反射波的時刻立即停止計時。計時器通過記錄時間，就可以測算出從發(fā)射點到障礙物之間的距離。
超聲波雷達(dá)在汽車上的應(yīng)用
在倒車輔助過程中，超聲波傳感器通常需同控制器和顯示器結(jié)合使用，從而以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除駕駛員泊車、倒車和起動車輛時前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除視野死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛安全性。
使用效果上，超聲波雷達(dá)穿透性強(qiáng)，測距的方法簡單，成本低。不過，由于超聲波是一種機(jī)械波，其使用效果會受傳播介質(zhì)的影響，例如受天氣情況的影響，在不同的天氣情況下，超聲波的傳輸速度不同，而且傳播速度較慢。另外，當(dāng)汽車高速行駛時，使用超聲波測距無法跟上汽車的車距實時變化，誤差較大，影響測量精度。
生物傳感器
汽車科技的快速發(fā)展，讓汽車技術(shù)迭代加速，一些新的技術(shù)、產(chǎn)品也由此而生，如生物識別。所謂生物識別技術(shù)是指通過人類生物特征進(jìn)行身份認(rèn)證的一種技術(shù)，這些生物特征通常包括指紋識別、虹膜識別、視網(wǎng)膜識別、面部識別、DNA識別等具有唯一性的、可以測量或自動識別驗證、遺傳性或終身不變的特點。其中，指紋識別和面部識別目前已應(yīng)用在自動駕駛汽車上，生物傳感器也由此得來。
生物傳感器是一種對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行檢測的儀器，由于其感應(yīng)對象是人體特征，而人體特征具有不可復(fù)制的唯一性，可以說比其他很多方法能更好地保證行車安全，同時還可解放駕駛者雙手、增加駕駛樂趣。
2017 CES上，大陸集團(tuán)就推出了這么一項車載生物特征識別技術(shù)。據(jù)了解，通過該面部識別技術(shù)乘員可對座椅位置、后視鏡角度、音樂播放、溫度調(diào)節(jié)以及導(dǎo)航等多種車載功能進(jìn)行個性化設(shè)置。且只有在駕駛員通過指紋傳感器完成身份驗證后，駕駛員才能啟動發(fā)動機(jī)，大大提升了車輛安全性。而除了大陸，博世、FCA集團(tuán)的克萊斯勒也都有類似的技術(shù)。
小結(jié)：以上幾種傳感器都是目前自動駕駛系統(tǒng)研發(fā)過程中，應(yīng)用比較廣泛的傳感器。從功能上來看，它們各有自己的優(yōu)缺點，能分別從不同的方面保證自動駕駛汽車行車安全。不過，其中部分技術(shù)目前在國內(nèi)尚不是很成熟，產(chǎn)品需要依賴進(jìn)口，這就要求國內(nèi)相關(guān)企業(yè)加速產(chǎn)品、技術(shù)研發(fā)，提升自身產(chǎn)品競爭力的同時，還可以推動國內(nèi)自動駕駛汽車技術(shù)的快速發(fā)展。
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