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汽車?yán)走_(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭等感知元件的整車方案集成研究
2020-08-30 20:22:24· 來源：《上海汽車》
為了實(shí)現(xiàn)無人駕駛汽車的功能要求，需要在整車上集成多個(gè)種類的感知元件，用于感知車輛周邊環(huán)境。文章對(duì)無人駕駛汽車的主要感知元件進(jìn)行介紹，并結(jié)合不同種類感知
為了實(shí)現(xiàn)無人駕駛汽車的功能要求，需要在整車上集成多個(gè)種類的感知元件，用于感知車輛周邊環(huán)境。文章對(duì)無人駕駛汽車的主要感知元件進(jìn)行介紹，并結(jié)合不同種類感知元件的工作特性和限定條件，分析了各種感知元件在整車集成時(shí)需要注意的事項(xiàng)，為將來的批量設(shè)計(jì)和制造無人駕駛汽車提供參考。
無人駕駛技術(shù)是各大汽車企業(yè)乃至互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)爭(zhēng)相布局的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，各大汽車企業(yè)紛紛制定了無人駕駛的路線目標(biāo)，包括寶馬、奧迪、大眾、特斯拉、谷歌、百度等在內(nèi)的多家汽車企業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)新貴都在這一領(lǐng)域投入大量資源。
從目前的發(fā)展情況來看，L4級(jí)無人駕駛技術(shù)還沒有真正地進(jìn)入商用階段，各企業(yè)對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)也眾說紛紜。
總的來看，傳統(tǒng)汽車企業(yè)主要通過繼續(xù)發(fā)展車聯(lián)網(wǎng)和ADAS系統(tǒng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)無人駕駛; 互聯(lián)網(wǎng)公司主要在人工智能和GPS 地圖領(lǐng)域兩方面發(fā)力。但不管最終選擇的是哪種發(fā)展路線，都需要在汽車上集成感知元件來感知周邊環(huán)境信息。
本文將主要闡述目前無人駕駛技術(shù)應(yīng)用的重要感知元件，介紹其常用布置位置，在批量車型設(shè)計(jì)過程中需要考慮的周邊環(huán)境和技術(shù)因素，以及對(duì)整車系統(tǒng)集成的影響。
無人駕駛汽車的主要感知元件
無人駕駛系統(tǒng)分為 3 個(gè)層級(jí): 感知層、決策層和執(zhí)行層。無人駕駛汽車的雷達(dá)和攝像頭屬于感知層的范疇，系統(tǒng)通過它們實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛周圍環(huán)境的感知識(shí)別，為后續(xù)的駕駛員行動(dòng)規(guī)劃和路線規(guī)劃等決策活動(dòng)提供支持。常用的感知元件包括毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭和超聲波雷達(dá)等。
從目前大多數(shù)無人駕駛汽車的技術(shù)方案來看，激光雷達(dá)對(duì)周圍環(huán)境的三維空間感知完成了60% ～ 75% 的環(huán)境信息獲取，其次是相機(jī)獲取的圖像信息，再次是毫米波雷達(dá)獲取的定向目標(biāo)距離信息，以及 GPS 定位及慣性導(dǎo)航獲取的無人車位置及自身姿態(tài)信息，最后是其他超聲波傳感器、紅外線傳感器等其他光電傳感器獲取的各種信息。
奧迪 A8 在上市之時(shí)宣稱已經(jīng)達(dá)到了 L3 級(jí)的無人駕駛級(jí)別。為了實(shí)現(xiàn) L3 級(jí)別功能，整車配備了多種不同功能的感知元件。
真正高度自動(dòng)化駕駛的起步級(jí)別應(yīng)該是 L4 級(jí)無人駕駛。各大主流汽車企業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)致力實(shí)現(xiàn)的也是 L4 級(jí)及其以上級(jí)別的無人駕駛。典型 L4 級(jí)無人駕駛車輛布置的感知元件如圖 1 所示。
圖1 無人駕駛感知元件示意圖
整車集成感知元件的要求
毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、攝像頭和超聲波雷達(dá)原理各有不同，在整車集成的過程中，需要結(jié)合不同感知元件的工作特點(diǎn)和限制條件，綜合考慮整車性能方面的要求，開展合適的整車集成方案工作。總體來說，在整車系統(tǒng)集成時(shí)，應(yīng)當(dāng)主要考慮以下 4 點(diǎn)。
(1)根據(jù)感知元件的工作性能和技術(shù)參數(shù)，確定模塊的固定位置和固定方式;
(2)考慮與周邊零件的匹配，滿足感知元件的探測(cè)范圍要求、感知元件對(duì)周邊零件的相關(guān)技術(shù)要求以及造型要求;
(3)需要根據(jù)雷達(dá)的工作特性和局限性，考慮布置或預(yù)留清洗和加熱功能，保持感知元件和整車系統(tǒng)在異常工況下的功能;
(4)盡管無人駕駛技術(shù)的最終目標(biāo)是消除交通事故，但在實(shí)際駕駛過程中，很難避免交通事故的發(fā)生。為了盡可能保護(hù)感知元件，降低汽車輕微(低速) 碰撞后的維修成本，還需考慮在低速碰撞過程中對(duì)感知元件的保護(hù)。
我國(guó)對(duì)于低速碰撞的法規(guī)要求是 GB 17354 －1998《汽車前后端保護(hù)裝置》，根據(jù)該法規(guī)規(guī)定，碰撞實(shí)驗(yàn)時(shí)整車分別處于“整備質(zhì)量”和“加載試驗(yàn)車質(zhì)量”狀態(tài)，碰撞擺錘的基準(zhǔn)高度為445mm，擺錘的形狀如圖2所示。在布置感知元件的時(shí)候，需要考慮到該法規(guī)的約束條件。
圖2 GB 17354-1998擺錘輪廓
此外，整車集成感知元件時(shí)還需要考慮周邊零件造型、零件縫道匹配、線束布置方案等多方面因素，必須綜合進(jìn)行考量才能獲得最合適的整車集成方案。
毫米波雷達(dá)的整車集成方案
毫米波雷達(dá)是工作頻率在 30 ～ 300 GHz( 波長(zhǎng)為 1 ～ 10 mm) 的雷達(dá)。裝備汽車的毫米波雷達(dá)的主要功能在于，識(shí)別行駛過程中遇到的物體和障礙物，感知前方物體的距離、相對(duì)速度等信息，還可以同時(shí)簡(jiǎn)單識(shí)別出道路上的不同物體。
和激光雷達(dá)相比，毫米波雷達(dá)的波長(zhǎng)更大，在大氣中傳播時(shí)的衰減更小，受自然光和熱輻射源的影響也小，因此毫米波雷達(dá)的環(huán)境適用性要明顯優(yōu)于激光雷達(dá)。
遠(yuǎn)距離雷達(dá)和中距離雷達(dá)是無人駕駛汽車的典型配置，實(shí)現(xiàn)探測(cè)目標(biāo)方位及相對(duì)速度、保持車距以及緊急制動(dòng)等功能。它們都屬于毫米波雷達(dá)，工作頻率為77 GHz。
遠(yuǎn)距離雷達(dá)和中距離雷達(dá)通常安裝在前保險(xiǎn)杠蒙皮靠近中間區(qū)域，允許感知元件在車身寬度方向上有一定偏差，但此時(shí)需要相應(yīng)調(diào)整無人駕駛系統(tǒng)的匹配參數(shù)。
由于毫米波雷達(dá)的識(shí)別精度低于激光雷達(dá)，所以可以將雷達(dá)固定在保險(xiǎn)杠橫梁等與白車身剛性連接的零件上，也可以通過塑料支架將雷達(dá)固定在保險(xiǎn)杠蒙皮上。
中/遠(yuǎn)距離雷達(dá)的探測(cè)范圍內(nèi)，一般不允許有汽車零件遮擋，否則會(huì)影響雷達(dá)的工作性能。如果出于造型和美觀考慮，一定要在雷達(dá)前方布置遮擋零件，則遮擋零件( 包括油漆層) 材料的介電常數(shù)和厚度必須滿足雷達(dá)波穿透率的要求。
除此以外，在雷達(dá)的探測(cè)范圍內(nèi)不能出現(xiàn)諸如卡扣、格柵等影響雷達(dá)工作性能的結(jié)構(gòu)或造型元素。
在考慮雷達(dá)固定位置和探測(cè)范圍的時(shí)候，需要考慮各零件的安裝誤差、熱力幾何變形以及零件因長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)和重力作用產(chǎn)生的移動(dòng)量。
如保險(xiǎn)杠蒙皮在整個(gè)生命周期內(nèi)的自然下沉量，其大小與保險(xiǎn)杠蒙皮采用的固定結(jié)構(gòu)有關(guān)。在設(shè)計(jì)雷達(dá)前方零件如格柵開口的過程中需要對(duì)這些因素加以注意。
在車輛發(fā)生輕微碰撞之后，為了盡可能保證雷達(dá)的功能不受到影響，減小維修成本，需要采取特定的安全措施對(duì)雷達(dá)加以保護(hù)，常見的安全保護(hù)措施有:
(1)盡量將雷達(dá)靠后布置，使得雷達(dá)在輕微碰撞過程中，碰撞物的侵入量不足以撞上雷達(dá); 或者也可以將雷達(dá)布置在保險(xiǎn)杠橫梁的后部，以此進(jìn)行一定程度的保護(hù);
(2)在固定雷達(dá)的支架上加裝保護(hù)結(jié)構(gòu)，使得雷達(dá)在碰撞過程中可以得到緩沖保護(hù);
(3)在固定雷達(dá)的支架上設(shè)計(jì)潰縮結(jié)構(gòu)，可以使支架在受力時(shí)潰縮，避免雷達(dá)遭受更嚴(yán)重的損傷;
(4)考慮到國(guó)家法規(guī) GB 17354 － 1998 的要求，雷達(dá)的布置位置應(yīng)盡可能在高度方向上避開擺錘的突出部分，如圖 3 所示。
圖3 中/遠(yuǎn)距離雷達(dá)布置示意圖
為了給無人駕駛提供輔助功能，幫助進(jìn)行盲點(diǎn)檢測(cè)、車道變更輔助、碰撞預(yù)警等功能，無人駕駛車輛的四角位置需要布置短距離雷達(dá)( SＲＲ) ，監(jiān)測(cè)車輛側(cè)向的交通狀況。短距離雷達(dá)的工作原理也屬于毫米波雷達(dá)范疇。
短距離雷達(dá)的布置位置是在整車前后保險(xiǎn)杠區(qū)域的側(cè)面部位，整車集成過程中需要考慮的因素和中 /遠(yuǎn)距離雷達(dá)類似。
激光雷達(dá)的整車集成方案
激光雷達(dá)通過點(diǎn)云來建立周邊環(huán)境的 3D 模型，可以檢測(cè)出包括車輛、行人、樹木、路沿等細(xì)節(jié)。激光雷達(dá)用來描繪周圍環(huán)境的幾個(gè)主要參數(shù)，包括線數(shù)、點(diǎn)密度、水平垂直視角、檢測(cè)距離、掃描頻率、精度等。
除了位置和距離信息，激光雷達(dá)還提供返回所掃描物體的密度信息，后續(xù)算法據(jù)此可以判斷掃描物體的反射率，再進(jìn)行下一步處理。
大多數(shù)無人駕駛汽車在車頂安裝有激光雷達(dá)，如谷歌和百度無人駕駛汽車都在車頂裝備有64線激光雷達(dá)。以谷歌無人駕駛汽車為例，其車頂激光雷達(dá)是由 Velodyne公司設(shè)計(jì)提供的，型號(hào)為 HDL － 64E，其水平視野范圍為 360°，垂直視野范圍為 28.6°。
與毫米波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)的探測(cè)精度更高，目標(biāo)分類和識(shí)別能力更強(qiáng)，但是激光雷達(dá)受天氣等周邊環(huán)境的影響較大，雨雪霧天氣都會(huì)導(dǎo)致激光雷達(dá)的性能變差，如表 1 所示。在整車布置過程中需要考慮到這些因素。
表1 毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)主要性能對(duì)比
因?yàn)榧す饫走_(dá)的探測(cè)精度高，所以對(duì)雷達(dá)本身的位置變化也相對(duì)敏感。以 Velodyne HDL －64E 激光雷達(dá)為例，出廠時(shí)對(duì)每束激光校準(zhǔn)參數(shù)都已進(jìn)行標(biāo)定，但在使用時(shí)，一般還需對(duì)該校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行重新標(biāo)定。
為了減少無人駕駛汽車的標(biāo)定和維護(hù)成本，需要盡可能將激光雷達(dá)與整車剛性連接，減少使用過程中的相對(duì)位移量。
為保證車頂激光雷達(dá)能夠均勻探測(cè)到整車周圍的環(huán)境，雷達(dá)應(yīng)該布置在整車車頂?shù)闹行膮^(qū)域，其安裝高度應(yīng)該由雷達(dá)的探測(cè)范圍和車身輪廓共同決定，要求激光雷達(dá)的探測(cè)范圍內(nèi)不能有車身零件的遮擋，雷達(dá)的探測(cè)盲區(qū)應(yīng)該小于無人駕駛整車系統(tǒng)標(biāo)定的要求值，如圖 4 所示。
車頂激光雷達(dá)應(yīng)該通過支架等方式固定到白車身較為堅(jiān)固的部位，如側(cè)圍加強(qiáng)板等零件，以保證固定結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，并且盡量減少整車生命周期內(nèi)激光雷達(dá)的位移量。
圖4 車頂激光雷達(dá)的安裝高度示意圖
激光雷達(dá)的環(huán)境適應(yīng)性比較弱，所以需要為雷達(dá)配置相應(yīng)附加功能，盡可能保證激光雷達(dá)在不同工況下的工作性能。例如，為提高激光雷達(dá)在揚(yáng)塵環(huán)境下的工作穩(wěn)定性，需要配備清洗功能。
又如，為提高雷達(dá)在冰雪天氣下的穩(wěn)定性，防止雷達(dá)自身積雪結(jié)冰，需要配備加熱功能。如果激光雷達(dá)自身的零件系統(tǒng)不能集成這些功能，那在整車集成的過程中，就需要考慮這些功能元件的布置空間和安裝固定方式。
車頂激光雷達(dá)在行駛過程中，遭遇碰撞的情況相對(duì)較少，一般只會(huì)出現(xiàn)在高空墜物、區(qū)域限高或者車輛翻滾的情況下。設(shè)計(jì)過程中可以根據(jù)車輛實(shí)際的應(yīng)用條件，考慮布置相應(yīng)的保護(hù)措施。
有些無人駕駛汽車會(huì)在整車前后保險(xiǎn)杠區(qū)域布置激光雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別、車道識(shí)別和視野補(bǔ)充等功能。如圖 5 所示。
圖5 Junior無人駕駛車輛和感知元件
保險(xiǎn)杠區(qū)域的激光雷達(dá)工作原理以及布置原則和車頂激光雷達(dá)類似，對(duì)于整車集成工作來說，有 3 個(gè)特殊的情況需要注意。
(1)保險(xiǎn)杠區(qū)域的激光雷達(dá)不能直接固定在塑料件上，而是應(yīng)該通過( 金屬) 支架的形式固定到保險(xiǎn)杠橫梁或者白車身上。這是因?yàn)椋ｋU(xiǎn)杠在整個(gè)生命周期中會(huì)有 5 mm 以上的相對(duì)位移量，這種數(shù)量級(jí)的位移量可能會(huì)導(dǎo)致激光雷達(dá)的校準(zhǔn)參數(shù)需要多次重新標(biāo)定;
(2)考慮到塑料件生命周期的下沉量以及零件熱力變形，在整車集成過程中，需要根據(jù)激光雷達(dá)的探測(cè)范圍參數(shù)，妥善設(shè)計(jì)雷達(dá)周邊零件和雷達(dá)的匹配關(guān)系，如開口和縫道尺寸、公差等;
(3)保險(xiǎn)杠區(qū)域的激光雷達(dá)遭遇碰撞的概率相對(duì)較高，為了降低汽車輕微碰撞后的維護(hù)成本，應(yīng)當(dāng)采用和毫米波雷達(dá)類似的安全保護(hù)措施。
攝像頭的整車集成方案
攝像頭能夠獲取環(huán)境彩色景象信息，是無人車獲取環(huán)境信息的第二大來源。以奧迪 A8 為例，整車一共配備有 4 個(gè)全景攝像頭和一個(gè)前視攝像頭。全景攝像頭分別布置在整車前后和兩側(cè)外后視鏡，前視攝像頭則布置在內(nèi)后視鏡的基座位置。
全景攝像頭系統(tǒng)工作過程中，由 4 個(gè)以上的攝像頭對(duì)整車周邊進(jìn)行同時(shí)成像，然后再進(jìn)行圖像矯正和拼接，以獲得全景圖像( 見圖 6) 。通過全景攝像頭系統(tǒng)，整車可以獲得車輛周圍環(huán)境的全景圖像，并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別。
圖6 攝像頭信號(hào)拼接圖
前部的全景攝像頭的位置通常處在前保險(xiǎn)杠蒙皮( 包括格柵) 靠近中間區(qū)域( 見圖 7) ，后部全景攝像頭則可布置在后蓋或后保險(xiǎn)杠的中間區(qū)域。允許攝像頭在車身寬度方向上有一定偏差，但此時(shí)需要整車圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)匹配，避免出現(xiàn)圖像畸變等失效現(xiàn)象。
圖7 奧迪A8前部全景攝像頭
布置全景攝像頭時(shí)，要求攝像頭的探測(cè)盲區(qū)應(yīng)該小于無人駕駛整車系統(tǒng)標(biāo)定的要求值。如果攝像頭周邊有發(fā)光元件如外部氛圍燈，也要考慮避開攝像頭的探測(cè)區(qū)域，否則可能影響圖像后期處理的質(zhì)量。
前后部的全景攝像頭應(yīng)當(dāng)固定在保險(xiǎn)杠蒙皮或者后蓋零件上。由于全景攝像頭的工作特點(diǎn)，一般攝像頭必須固定在靠近車身邊緣的區(qū)域。
在滿足探測(cè)區(qū)域要求的前提下，應(yīng)當(dāng)讓攝像頭盡量靠后布置，降低攝像頭在低速碰撞時(shí)受損的可能性。
大部分無人駕駛車型的側(cè)面全景攝像頭都集成在外后視鏡上( 見圖 8) ，這種方式使得側(cè)面全景攝像頭的布置不至于影響太多的車身零件，同時(shí)也能滿足攝像頭的工作要求。
有些概念車型甚至將外后視鏡取消，直接用全景攝像頭替代。在圖像處理技術(shù)不斷發(fā)展的情況下，這種功能集成的趨勢(shì)是有很大可能實(shí)現(xiàn)的。
圖8 奧迪A8側(cè)面全景攝像頭
除了全景攝像頭之外，前視攝像頭也是無人駕駛汽車的重要感知元件。通過前視攝像頭，汽車不僅能夠探測(cè)和識(shí)別道路上的車輛、行人等交通參與者，同時(shí)還能識(shí)別交通標(biāo)志、隔離帶、信號(hào)燈等交通信息。
絕大多數(shù)車型的前視攝像頭都集成在內(nèi)后視鏡的基座上，攝像頭處于車身正中位置。和激光雷達(dá)一樣，攝像頭也會(huì)受到天氣等環(huán)境因素的影響，在整車集成過程中，需要根據(jù)實(shí)際情況，考慮是否增加相應(yīng)的清洗和加熱功能。
攝像頭模塊自身可以集成加熱和清洗功能。如果攝像頭模塊的零件系統(tǒng)沒有集成這些功能，那在整車集成的過程中，就需要根據(jù)實(shí)際使用情況，考慮這些功能元件的布置空間和安裝固定方式。
前視攝像頭的清洗和加熱功能可以通過前風(fēng)窗玻璃系統(tǒng)的相應(yīng)功能元件來實(shí)現(xiàn)。
超聲波雷達(dá)的整車集成方案
超聲波感知元件是利用超聲波的特性研制而成的感知元件。超聲波在空氣中傳播時(shí)能量會(huì)有較大的衰減，難以得到準(zhǔn)確的距離信息，一般不單獨(dú)用于環(huán)境感知，或者僅僅用于對(duì)感知精度要求不高的場(chǎng)合，如倒車?yán)走_(dá)的探測(cè)任務(wù)中。
超聲波雷達(dá)已經(jīng)在汽車行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，無人駕駛汽車的超聲波雷達(dá)與傳統(tǒng)車型的功能相似，主要是停車輔助等功能。因此，整車集成和注意事項(xiàng)也和傳統(tǒng)車型一致，本文不再贅述。
結(jié)語
目前市場(chǎng)上還沒有出現(xiàn)真正投入商用的 L4級(jí)以上無人駕駛汽車，各大主流企業(yè)的無人駕駛車輛都還處在試驗(yàn)階段。
未來隨著無人駕駛及其相關(guān)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，感知元件的種類、數(shù)量和工作參數(shù)都有可能發(fā)生變化。相應(yīng)地，整車集成方案也應(yīng)當(dāng)隨之進(jìn)行調(diào)整。
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