2021年第6期
何班本
文翊
李瑞翩
（东风汽车公司技术中心，武汉430056）
能摄像头、前向和侧向毫米波雷达（77GHz /22GHz ）、超声波雷达以及环视摄像头，简要阐述各传感器性能特点。然后，以目前某量产供应商方案为例，详细介绍不同传感器性能参数，包括探测距离、探测范围和对外部布置环境的要求。介绍不同传感器独自搭载车辆上可实现的功能和对不同驾驶辅助级别、不同功能组合下的不同传感器的融合策略。最后，介绍如何将不同传感器合理安装到车辆上，根据需要达到的性能要求和探测范围冗余性，提出具体实施方案，并对其布置要求进行细化解析说明。
主题词：自动驾驶雷达摄像头传感器布置
中图分类号：U463.6
文献标识码：A
DOI:10.19822/jki.1671-6329.20200240
Research on Sensors ’Layout Strategy of ADAS
He Banben,Wen Yi,Liu Shuai
（Dongfeng Motor Corp.Technical Center,Wuhan 430056）
【Abstract 】Firstly,this paper aims to introduce the importance of sensors ’placement in advanced driver assistance systems,and proposes the types of sensors for advanced driver assistance systems,including forward-looking smart cameras,forward and lateral millimeter-wave radars (77GHz and 22GHz),ultrasonic radars,and surround-view cameras.Furthermore,the main purpose of this thesis refers to briefly describe the performance characteristics of each sensor and take the current production supplier ’s program as an example to introduce the performance parameters of different sensors
in detail,including detection distance,detection range,and requirements for the external layout environment.After that the functions realized by each sensor alone,and the fusion strategies of different sensors for different driving assistance levels and different function combinations are introduced,lastly rationally installation of different sensors on the vehicle is proposed and the layout requirements are explained according to the required performance requirements,detection range
redundancy and specific implementation schemes.
Key words:Autopilot,Radar,Camera,Sensor,Layout
高级驾驶辅助系统传感器布置策略研究
【欢迎引用】何班本，文翊，李瑞翩.高级驾驶辅助系统传感器布置策略研究[J].汽车文摘,2021(6):50-55.
【Cite this paper 】He B,Wen Y,Li R.Research on Sensors ’Layout Strategy of ADAS [J].Automotive Digest (Chinese),2021(6):50-55.
缩略语
ADAS Advanced Driving Assistance System AEB-C Autonomous Emergency Braking-Car
LDW Lane Departure Warning LKA Lane Keeping Assist TSR Traffic sign recognition
ACC Adaptive Cruise Control FCW Forward Collision Warning TJA
Traffic Jam Assist
ICA
Intelligent Cruise Assist
BSD
Blind Spot Detection
LCW
Lane Change Warning RCTA Rear Cross Traffic Alert DOW Door Open Warning
FCTA Front Cross Traffic Alert HWA-ML Highway Assist Multi Lane ALC Active Lane Change
TLC Trigger Lane Change
ELK Emergency Lane Keeping ESA Emergency Steering Assist
JA
Junction Assistant
50
1引言
随着科技的进步、自动驾驶技术的快速发展，目前越来越多汽车配备了高级驾驶辅助系统或辅助驾驶系统，自动驾驶汽车在SAE J3016TM自动驾驶等级中被归类为五级自动驾驶[1]。自动驾驶运用了多种传感器（超声波雷达、毫米波雷达、智能摄像头、高清/标清摄像头、激光雷达等），王田等[2]对自动驾驶感知系统中的摄像头、激光雷达、毫米波雷达等主要传感器进行了功能介绍。袁秀珍[3]围绕自动驾驶汽车传感器技术产业开展分析，阐述了重要组成的硬件应用，如激光雷达、摄像头、超声波传感等。在实现自动驾驶的开发价值链中，传感器的零件开发主要集中在国内外汽车零部件供应商，而整车功能集成则在由主机厂完成。张燕咏等[4]提出一种基于多模态融合的自动驾驶感知融合算法，很多工程师往往将开发精力集中在算法开发与系统设计，但是经常出现的情况是，成功运用的传感器硬件和软件策略，在部分主机厂车型上效果很好，但是在另外部分主机厂的运用上效果一般，甚至达到反面效果。这是因为
在自动驾驶研发中，每一个环节的考虑必不可少。作为闭环开发，好的算法是基于传感器前端感知的精准探测，各类不同的硬件传感器，对于传感器探测性能提出了不同程度的要求，而对于探测性能影响尤为重要的一点就是传感器的布置位置和布置方式。本文依据自动驾驶中运用较多的传感器的探测性能特点，对布置方式做一个简单介绍。
2高级驾驶辅助系统传感器介绍
高级驾驶辅助系统（Advanced Driving Assistance System,ADAS）是利用传感器，在汽车行驶过程中实时感应周围的环境，收集数据，感知融合并对感知数据进行决策分析，最后对车辆进行控制和对驾驶员进行预警。
摄像头能获取包括物体颜、外形、材质等丰富的环境信息，并且2D计算机视觉已取得很多进展，该领域有许多先进的算法用于信号灯检测[5]、物体分类[6]等。毫米波雷达能够获取精准的距离信息，穿透能力强，能够抵抗天气和环境变化的影响，可实现远距离感知探测[7]。
目前量产的自动驾驶汽车上的传感器种类有4种，数量为22个（表1）。
前视智能摄像头：常用有单、双和三目，主要应用
于中远距离场景，能识别清晰的车道线、交通标识、障碍物和行人，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[8]。
表1高级驾驶辅助系统传感器分类
毫米波雷达：主要有用于中短测距的24GHz雷达和长测距的77GHz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[9]。
超声波雷达：主要应用于短距离场景下，发送超声波与接收反射超声波信号，并把探测结果发送给控制器。超声波的能量消耗较缓慢，穿透性强，测距的方法简单，成本低。但是它在速度很高情况下测量距离有一定的局限性，当汽车高速行驶时，使用超声波测距无法跟上汽车的车距实时变化，误差较大。超声波散射角大，方向性较差，在测量较远距离的目标时，其回波信号会比较的弱，影响测量精度。但是，在短距离测量中，超声波测距传感器具有非常大的优势。
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。随着技术的不断发展进步，摄像头的像素也在逐步提升，从最开始的30万像素，提升到目前的100万像素，未来3年内200万像素的摄像头将会普及。
3传感器实现功能配置组合
高级驾驶辅助系统的不同传感器之间的组合，可以实现不同的功能，上述介绍的22个传感器全部搭载到整车，可实现ADAS L1/L2/L3，下面介绍详细的子功能。
3.1前向智能摄像头和前向毫米波雷达
前向智能摄像头实现AEB-C（自动紧急制动-车）、LDW（车道偏离预警）、LKA（车道保持辅助）、TSR （交通标志识别），实现L1级驾驶辅助。道路实际情况探测精准（如车道线、隧道、匝道、限速等），但是距
传感器
前视智能摄像头
前向毫米波雷达（77GHz）
侧向毫米波雷达（24GHz）
超声波雷达
环视摄像头
数量
1
1
4
12
4
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汽车文摘
2021年第6期
离探测不精准。其代表性能参数见表2。
表2
Mobileye EYEQ3部分性能参数
前向毫米波雷达（77GHz ）实现ACC （自适应巡航）、AEB-C （自动紧急制动-车）、FCW （前向碰撞预警），实现L1级驾驶辅助。距离探测精准，但是无法预测实际情况（如车道线、隧道、匝道、限速等）[10]
。其代表性能参数见表3。
表3
AC1000部分性能参数
前向智能摄像头和前向毫米波雷达融合，实现ACC 、AEB-C/P 自动紧急制动-车/人）、LDW 、LKA 、TSR 、TJA （交通拥堵辅助）、ICA （智能巡航辅助），能实现L2级驾驶辅助(图1)。距离和道路信息均是融合后的数据，探测精准。单雷达、单摄像头以及融合方案的对比见表4。
表4单雷达、单摄像头以及融合方案的对比
图1
前向智能摄像头和前向毫米波雷达融合
3.2侧向毫米波雷达（角雷达）
侧向毫米波雷达（24GHz ）实现盲区监测功能，有
2种实现方式。后侧方面2个毫米波雷达，实现BSD
（盲区监测）、LCW （变道碰撞预警）、RCTA （后方交通穿行预警）和DOW （开门预警）功能；后侧2个毫米波雷达+前侧2个毫米波雷达，除了实现以上功能外，还能实现FCTA （前方交叉路口预警），支持L2级以上的高级驾驶辅助功能。随着科技进步，侧向毫米波雷达性能也在逐步提升，见表5。
表5
侧向毫米波雷达部分参数和发展
侧向毫米波雷达（4个）、前向毫米波雷达（1个）、前向智能摄像头（1个）组合使用，可实现L2+（或L3-）级自动驾驶。在L2级自动驾驶上，增加TJA/HWA-ML （高速公路驾驶辅助—多车道）、ALC （主动变道辅助）
、TLC （触发式变道辅助）、ELK （紧急车道保持）、ESA （紧急转向辅助）、JA （十字路口辅助）、全方位预警（含BSD/DOW/RCTA/FCTA/LCW ）(图2)。可高速公路工况下，实现自动驾驶功能。
图2前向摄像头、前向毫米波雷达、角雷达融合
3.3超声波雷达
根据超声波雷达短距离探测目标物的特点（表
Field of View/(°)Imager Resolution/Pixel Frame Rate/frames/s Speed Range/km·h -1Detection Distance/m Curvature Radius/m
Lane width accuracy/cm
Horizontal:52Vertical:391280×96036
up to 250up to 120125
Accuracy<5
Field of View/(°)
Range FoV/m
Range Separation/m Range accuracy/m Velocity/km·h -1Velocity accuracy/km·h -1Cycle time/ms
Number of point targets per cycle
AEB Mode:±35°at2m/±27°at5m/±24°at10m/±16°at20m/±9°
at40m
ACC Mode:±12.5Vertical:±5200
0.75AEB Mode:±0.2；ACC Mode:±
0.5
220±0.240Up to 30
方案
汽车传感器技术特点
技术不足
单雷达
(1)对金属敏感，对
车辆探测准确；
(2)抗天气干扰能力强；
(3)对于障碍物速
度追踪准确。
(1)无法识别车道线；(2)行人识别不稳定；(3)误报和误动作概率高。单摄像头
(1)可识别车道线和道路边界；
(2)可识别障碍物类型。(1)对远距离障碍物的位置和速度识别教差；(2)对于异型车的识别较差；(3)对天气、光照较为敏感。
雷达+
摄像头
融合优
点：(1)提供
传感器冗余化；
(2)不同特性组合，提高准确性。频段/GHz 功能视离/m 视角/(°)精度/(°)天线
第一代2016以前24451003
1发4收
第二代2016-201924/7770
12012发4收第三代2019以后
24/77/7970
1600.15
3发4收
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汽车文摘
6），超声波雷达根据不同数量组合，可实现PDC （倒车
雷达）、APA （自动泊车辅助）和BSD （盲区监测）功能。后保险杠上安装4个超声波雷达，可实现PDC 功能，有些车辆在前保险杠上同时安装4个超声波雷达（前后共8个超声波雷达），倒车时探测前方障碍物。在前后保险杠侧面安装4个超声波雷达，可实现近距离盲区监测功能，同时结合前后8个超声波雷达，共12个超声波雷达，能实现APA 功能。如果车辆侧面安装有毫米波角雷达，实现BSD 功能，则侧面的超声波雷达就不用安装。BSD 安装超声波雷达的主要要因是其成本优势。超声波雷达不同组合及功能见图3。
表6
超声波雷达部分参数及特点
图3超声波雷达方案布局
3.4
环视摄像头
AVM （全景式监控影像系统）通过前后左右4个
图像传感器（环视摄像头）
采集车辆周边环境数据，将
影像通过CVBS （标清）/LVDS （高清）传递给全景影像控制器。如果仅在后方装1个摄像头，可实现倒车影像功能。如果同时在前后左右安装4个摄像头，通过对4个摄像头输入图像进行畸变校正及裁剪，实现4个视图及2D 俯视图效果集成，3D 旋转效果（高清方案）集成，最终通过MP5进行显示。环视摄像头部分重要参数见表7，其布置在整车示意见图4。
4传感器整车布置融合
高级驾驶辅助系统的不同传感器之间的组合布置，需要考虑到覆盖范围和冗余性。不同传感器的感知范围均有各自的优点和局限性，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。覆盖范围：车体360°均需覆盖，根据重要性，前方的探测距离要长
（120m ），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2个或2个以上的传感器覆盖，以便相互校验，如图5所示为布置方案。
表7
环视摄像头部分参数图4环视摄像头方案布局
图5
传感器布置融合示意
4.1
前向智能摄像头和前向毫米波雷达布置融合前雷达安装位置根据雷达性能参数要求、车身造
型，设定合理的布置位置。雷达离地高度（雷达天线轴到地面的距离）推荐50cm ，30cm 到120cm 之间都可接受。离地高度接近30cm 可能会有过多的地面反射信号干扰直接信号接收和降低探测的风险。雷达与保护盖之间的距离大于15mm （2倍波长，可以避免复杂近场对雷达波束的影响），小于40mm （以避免过大的雷达波相交面）。雷达横向位置坐标在-30cm 到30cm 之间。雷达如果安装前盖板，对盖板也有特殊要求，比如曲率半径＞600mm 、波束与盖板相交部分厚度均一、型面需要经过仿真测试、材质需要进行材
探测距离/m 测距精度/m 系统功耗/W 报警区域/m×m
可靠性天气影响
0.2~3±0.01≈3
3×3无法识别速度会受雨雪霜冻影响
有效像素//Pixel×/Pixel
输出信号/制式镜头水平视野范围/(°)镜头垂直视野范围/(°)中心水平解析度/TVline 中心垂直解析度/TVline
信噪比/dB 图像输出稳定时间/s
640×480PAL
170±5139±5350350460.5640×480NTSC
195＋5/-10143＋5/-10
350300460.51280×960数字信号195±5130±560055036.5
1.0
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料电性能测试、非喷涂件等。毫米波雷达波束与周边结构间距＞5mm，与车辆角度-俯仰角、偏航角、侧倾角为0°，雷达FOV与牌照框距离15mm以上，避免安装牌照后影响雷达探测等等要求。如图6
所示。
图6前向毫米波雷达布置示意
前摄像头最好的垂直安装位置是在挡风玻璃的
中心，高度在1200mm以上为佳，可以允许偏移挡风
玻璃中心线在10cm以内。偏航角、侧倾角、俯仰角最
好为0°附近（±3°）。支架应该安装在干净的玻璃区
域，视角区域不能被绢印或者印刷遮挡。摄像头视窗
与雨刮轨迹线间距大于30mm，镜头模块与挡风玻璃
的之间间隙应该保证最小1mm。开口应该由投影在
挡风玻璃各层的视角决定，摄像头支架和罩盖上应设
计通风孔（开孔面积大于120mm2），保证空气流通。
支架安装在挡风玻璃的位置公差通常是±1mm（定位）
和±2.5°（旋转）(图7)。
4.2侧向毫米波雷达（角雷达）布置融合
角雷达根据其性能参数要求、车身造型，设定合
理的布置位置，车身要预留布置空间。角雷达布置
高度要求：过低泥水污物影响雷达，太高离车辆近处
的盲区会变大（可能会导致±20°以外无视野），推荐
高度在400mm到1000mm之间。要达到盲区最小
化，雷达与车辆纵轴线的夹角要在30°到45°之间为
宜，雷达与车辆水平面夹角最好控制在90°。雷达
FOV视野内无金属，棱线，多层结构或材质，FOV与
覆盖件的最大角度为70°，覆盖件要求平整，曲率要
求大于350mm
。
图7前摄像头布置示意
4.3超声波雷达布置融合
为了实现APA功能，整车上要布置12个超声波
雷达，布置数量较多。超声波雷达传感器安装支架
上，通过与保险杠蒙皮的粘接固定上。为了最大限度
满足探测要求，超声波雷达布置位置提供了具体要
求，见图8。布置具体要求有：避免将雷达布置在凹陷
于汽车保保杠的表面、避免拍照干涉雷达探测区域、
远离热源排气管、大功率灯具等等。
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