前言:无人驾驶汽车的研究越来越多,各环境感知传感器的分布位置也不同,到底这些传感器要遵循一个什么样的布置原则?
智能驾驶汽车环境感知传感器主要有超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达、单/双/三目摄像头、环视摄像头以及夜视设备。目前,处于开发中的典型智能驾驶车传感器配置如表 1所示。
表 1 智能驾驶汽车传感器配置
环视摄像头:主要应用于短距离场景,可识别障碍物,但对光照、天气等外在条件很敏感,技术成熟,价格低廉;
摄像头:常用有单、双、三目,主要应用于中远距离场景,能识别清晰的车道线、交通标识、障碍物、行人,但对光照、天气等条件很敏感,而且需要复杂的算法支持,对处理器的要求也比较高;
超声波雷达:主要应用于短距离场景下,如辅助泊车,结构简单、体积小、成本低;
毫米波雷达:主要有用于中短测距的 24 GHz 雷达和长测距的 77 GHz 雷达 2 种。毫米波雷达可有效提取景深及速度信息,识别障碍物,有一定的穿透雾、烟和灰尘的能力,但在环境障碍物复杂的情况下,由于毫米波依靠声波定位,声波出现漫反射,导致漏检率和误差率比较高;
激光雷达:分单线和多线激光雷达,多线激光雷达可以获得极高的速度、距离和角度分辨率,形成精确的 3D 地图,抗干扰能力强,是智能驾驶汽车发展的最佳技术路线,但是成本较高,也容易受到恶劣天气和烟雾环境的影响。
不同传感器的感知范围均有各自的优点和局限性(见图 1),现在发展的趋势是通过传感器信息融合技术,弥补单个传感器的缺陷,提高整个智能驾驶系统的安全性和可靠性。
图 1  环境感知传感器感知范围示意图
全新奥迪A8配备自动驾驶系统的传感器包括
-12个超声波传感器,位于前后及侧方
-4个广角360度摄像头,位于前后和两侧后视镜
-1个前向摄像头,位于内后视镜后方
-4个中距离雷达,位于车辆的四角
-1个长距离雷达,位于前方
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1个红外夜视摄像头,位于前方
-1个激光扫描仪Laser Scanner,位于前方
传感器的布置原则
无人车传感器的布置,需要考虑到覆盖范围和冗余性。
覆盖范围:车体360度均需覆盖,根据重要性,前方的探测距离要长(100m),后方的探测距离稍短(80m),左右侧的探测距离最短(20m)。为了保证安全性,每块区域需要两个或两个以上的传感器覆盖,以便相互校验,如下图所示[1]:
图2: 一种典型的传感器全覆盖、多冗余配置示意图
Host Vehicle是无人车实体,ESR,RSDS是毫米波,UTM、LUX、HDL是激光,Camera是工业相机。从图中也可以看出,各个方向上均有多个传感器配置。为了简洁,图中的Camera只画出了前方的,实际上前后左右Camera配置了很多个,使得系统的冗余度更高。
具体安装在车上,是这样样子的:
汽车雷达图3:传感器在无人车上的实际安装,大部分传感器都是隐藏式安装(车前保、后保内),唯一的特例,三维激光安装在车顶上。
前后探测距离的差异,主要是考虑一些特殊场景下的安全问题。
例如,车辆刚驶出高速公路服务区,准备自动变道:初始车速 V1=60km/h;变道过程约需要 t = 3 s;变道完成时与后方车辆的车间时距 τ ≥ 2 s (注 1)左后方来车车速 V2 = 120 km/h;为保证变道安全,本车与左后方车辆的初始安全距离至少为
(V2-V1)×(t+τ)=(120km/h-60km/h)×(3s+2s) ≈ 83m
注1:目前自动变道无相关的法规要求, 故参考 GB /T20608-2006《智能运输系统自适应巡航控制系统性能要求与检测方法》中, 第5.2.2 条对自适应巡航的车间时距做出规定:τ_min 为可供选择的最小的稳态车间时距, 可适用于各种车速 v 下的 ACC 控制。τ_min ( v) 应大于或等于 1 s,并且至少应提供一个在 1.5 ~ 2.2 s 区间内的车间时距 τ。在自动变道场景的计算中,为保证安全,选取 τ = 2 s 进行计算。