虹科 | 傳感器融合：自動駕駛的關鍵技術

為了使車輛能夠自動駕駛，它們必須使用傳感器來感知周圍的環境:攝像頭、雷達、超聲波和激光雷達傳感器。

傳感器如何實現自動駕駛？

大眾甲殼蟲看起來很美，但是它認不出周圍的環境。對環境的感知和人類利用感官進行自動駕駛一樣重要。因此，現代車輛配備了各種傳感器，可以幫助它們檢測周圍的環境，并為駕駛員提供支持。

感知環境最重要的車輛傳感器是攝像頭、雷達、超聲波和激光雷達傳感器。除了相機，都是基于飛行時間的原理。

所有這些傳感技術有什么區別？它們的優缺點是什么？哪種距離傳感器最適合自動駕駛？激光雷達和雷達？未來的自動駕駛汽車是依靠單一傳感器，還是依靠傳感器融合技術？

飛行時間原理簡介；飛行時間根據信號擊中物體并反射回來所用的時間來間接測量距離和速度。這個原理可以在動物王國中找到，也稱為回聲定位，海豚和蝙蝠用它來定位。

用照相機感知色覺

攝像頭已經是新生產的車輛不可或缺的一部分:它們讓司機更容易控制駕駛和停車。此外，自適應巡航控制或車道偏離警告等系統都離不開攝像頭。除了安裝在汽車上，在不久的將來，攝像頭也將用于汽車上。他們將測試司機是否分心、沒有系安全帶或疲勞。這對下一階段的自動駕駛發展尤為重要。

攝像機拍攝的圖像生動地感知了周圍的環境。除了顏色，它們還可以提供紋理和對比度數據。它可以可靠地識別路標或交通標志，并準確地檢測和識別靜態物體和移動物體。由于攝像機只能在周圍環境亮度足夠的情況下探測物體，因此在惡劣的環境條件下(如雪或霧)和黑暗中，攝像機的可靠性受到限制。另外，攝像頭不提供距離信息(如果不加算法的話)。為了獲得3D圖像，至少需要兩個攝像頭，就像立體攝像機或者圖像識別軟件一樣，對計算性能要求很高。

深度討論:普通相機和立體相機

兩個不同的相機，有什么區別？

普通照相機(“眼睛”)具有照相機鏡頭和圖像傳感器來提供2D圖像。這些圖像是駕駛助手和識別交通標志的基礎。然而，距離測量是不可能的。距離只能使用復雜的學習算法來計算。

立體攝像機(兩只“眼睛”)更加昂貴和笨重。它主要由兩個攝像頭和兩個圖像傳感器組成。立體攝像機同時從不同角度拍攝兩幅圖像。通過校準它們來創建3D圖像，可以計算距離和速度。立體攝像機已經在一些生產車輛中用于為駕駛員輔助系統提供信息，例如自適應巡航控制和緊急制動輔助系統。

雷達-內置距離傳感器

由于所謂的“雷達陷阱”，雷達傳感器(無線電測距)獲得了廣泛的聲譽。近幾十年來，它們還被安裝在車輛上測量距離，或應用于緊急制動輔助系統，以提供可靠的數據，無論天氣條件如何。

雷達傳感器如何測量距離？雷達技術是基于飛行時間的原理。該傳感器以電磁波(無線電波)的形式發射短脈沖，幾乎以光速傳播。當波擊中物體時，它們會被反射回傳感器。發送和接收的時間間隔越短，物體越近。

因此，基于波傳播速度，可以計算到對象的距離，從而可以高精度地確定距離。通過串聯幾個測量值，車輛傳感器也可以確定速度。這項技術可以使用駕駛員輔助系統，如自適應巡航控制和自動制動輔助系統。

雷達傳感器既耐用又便宜，即使在惡劣的天氣條件下通常也能提供可靠的數據。然而，距離傳感器識別和區分物體的難度更大。原因是雷達數據的分辨率低，這意味著可以探測到物體，但無法對其進行分類。

深度討論:近程雷達和遠程雷達

現在大部分都是用兩種不同的雷達系統來覆蓋近程和遠程。

近程雷達:近程(最長30米)由近程雷達探測，通常基于24 GHz頻譜中的頻帶。它結構緊湊，干擾問題少，價格便宜。近距離雷達有助于停車操作、監控盲點和警告駕駛員發生碰撞。

遠程雷達:遠程雷達用于探測距離小于250米的物體和車輛，并測量其速度。這項技術使用76 GHz到77 GHz之間的頻率，性能更高。然而……由于分辨率較低，長距離的物體并不總是能夠被可靠地選擇。由于遠程雷達可以實現緊急制動輔助和自適應巡航控制(即使在高速上)，因此在實現接下來的自動駕駛(如高速公路駕駛)中發揮著重要作用。

超聲波——近距離專家

如今，大多數車輛都配備了停車輔助設備。例如，如果車輛接近停車柱，車載計算機上會顯示一個顏色條，并發出警告聲。為我們提供有關監控區域內柱子的確切位置以及車輛附近的信息。輔助系統可以通過幾個超聲波傳感器來實現，通常安裝在車輛周圍的安全處。

超聲波也是基于飛行時間的原理，發出人耳聽不到的頻率為20000Hz的聲波，探測車輛附近障礙物的距離。除了停車輔助，超聲波傳感器還用于監控盲點和緊急制動輔助系統。

超聲波傳感器經久耐用，可以在夜間和霧天提供可靠的距離數據。無論物體的材質或顏色如何，都可以檢測出來。然而，這些車輛傳感器的檢測范圍不到10米，這意味著該技術只能在近距離使用。

進一步討論:聲納

聲納通常與超聲波結合使用，即超聲波在海事領域的應用。

聲納(聲學導航和測距):聲納是一種利用聲波(通常是超聲波)進行定位的測量技術。主要用在水下，因為聲音傳播的損耗(尤其是高頻)比在空氣中小很多。根據水下聲速和物體反射時間可以計算出距離。

激光雷達——3D可靠的環境信息

與超聲波傳感器相比，激光雷達傳感器適合短距離和長距離使用。雖然激光雷達已經存在很多年了，但是直到本世紀初，它才越來越多的應用在汽車上。激光雷達被認為是實現更高自主駕駛的關鍵部分。

關鍵技術激光雷達:防撞是實現下一級自動駕駛的重要前提。這項技術需要可靠的高分辨率3D數據。只有激光雷達能在汽車高速行駛時為我們提供遠距離的環境信息。

激光雷達傳感器也是基于飛行時間的原理。但它們不發射無線電波或超聲波，而是發射激光脈沖，被物體反射后被光電探測器接收。激光雷達每秒發射高達100萬個激光脈沖，以捕捉高分辨率的3D點云數據。

這些所謂的點云非常細致，不僅可以識別物體，還可以進行分類。例如，行人可以和騎自行車的人區分開來。激光雷達傳感器具有遠距離、耐用的特點，因此可以提供可靠的數據，幾乎不受環境因素的影響，從而使車輛做出正確的駕駛決策。然而，在過去，激光雷達傳感器非常昂貴，主要是由于機械旋轉裝置的復雜設計。然而，由于其固態設計越來越受歡迎，高分辨率3D傳感器的成本已經大大降低。

進一步探索:機械激光雷達和固態激光雷達

兩種最受歡迎的激光雷達是機械激光雷達和固態激光雷達。

機械式激光雷達:激光二極管由電機和齒輪帶動旋轉，使激光脈沖導向整個環境，視場高達360。然而，手動設置既復雜又昂貴。所以即使是量產，對于量產車來說單價也太貴了。

固態激光雷達:這種設計基于半導體技術，沒有任何機械運動部件。因此，該系統更簡單、更緊湊且免維護。它們也更便宜，可以更好地批量生產。它們可以用于所有級別的量產車，并將在未來的自動駕駛研究中發揮決定性作用。

通過傳感器融合充分發揮優勢

安全是自動駕駛的重中之重，因此車輛必須始終準確感知它們的s……四舍五入。為了實現這一點，相機、雷達、超聲波和激光雷達傳感器可以作為輔助技術相互輔助。主要目的是利用各種車輛傳感器的優點來彌補其他傳感器的缺點，最終通過傳感器融合實現安全自動駕駛。

為了使車輛能夠自動駕駛，它們必須使用傳感器來感知周圍的環境:攝像頭、雷達、超聲波和激光雷達傳感器。

傳感器如何實現自動駕駛？

大眾甲殼蟲看起來很美，但是它認不出周圍的環境。對環境的感知和人類利用感官進行自動駕駛一樣重要。因此，現代車輛配備了各種傳感器，可以幫助它們檢測周圍的環境，并為駕駛員提供支持。

感知環境最重要的車輛傳感器是攝像頭、雷達、超聲波和激光雷達傳感器。除了相機，都是基于飛行時間的原理。

所有這些傳感技術有什么區別？它們的優缺點是什么？哪種距離傳感器最適合自動駕駛？激光雷達和雷達？未來的自動駕駛汽車是依靠單一傳感器，還是依靠傳感器融合技術？

飛行時間原理簡介；飛行時間根據信號擊中物體并反射回來所用的時間來間接測量距離和速度。這個原理可以在動物王國中找到，也稱為回聲定位，海豚和蝙蝠用它來定位。

用照相機感知色覺

攝像頭已經是新生產的車輛不可或缺的一部分:它們讓司機更容易控制駕駛和停車。此外，自適應巡航控制或車道偏離警告等系統都離不開攝像頭。除了安裝在汽車上，在不久的將來，攝像頭也將用于汽車上。他們將測試司機是否分心、沒有系安全帶或疲勞。這對下一階段的自動駕駛發展尤為重要。

攝像機拍攝的圖像生動地感知了周圍的環境。除了顏色，它們還可以提供紋理和對比度數據。它可以可靠地識別路標或交通標志，并準確地檢測和識別靜態物體和移動物體。由于攝像機只能在周圍環境亮度足夠的情況下探測物體，因此在惡劣的環境條件下(如雪或霧)和黑暗中，攝像機的可靠性受到限制。另外，攝像頭不提供距離信息(如果不加算法的話)。為了獲得3D圖像，至少需要兩個攝像頭，就像立體攝像機或者圖像識別軟件一樣，對計算性能要求很高。

深度討論:普通相機和立體相機

兩個不同的相機，有什么區別？

普通照相機(“眼睛”)具有照相機鏡頭和圖像傳感器來提供2D圖像。這些圖像是駕駛助手和識別交通標志的基礎。然而，距離測量是不可能的。距離只能使用復雜的學習算法來計算。

立體攝像機(兩只“眼睛”)更加昂貴和笨重。它主要由兩個攝像頭和兩個圖像傳感器組成。立體攝像機同時從不同角度拍攝兩幅圖像。通過校準它們來創建3D圖像，可以計算距離和速度。立體攝像機已經在一些生產車輛中用于為駕駛員輔助系統提供信息，例如自適應巡航控制和緊急制動輔助系統。

雷達-內置距離傳感器

由于所謂的“雷達陷阱”，雷達傳感器(無線電測距)獲得了廣泛的聲譽。近幾十年來，它們還被安裝在車輛上測量距離，或應用于緊急制動輔助系統，以提供可靠的數據，無論天氣條件如何。

雷達傳感器如何測量距離？雷達技術是基于飛行時間的原理。該傳感器以電磁波(無線電波)的形式發射短脈沖，幾乎以光速傳播。當波擊中物體時，它們會被反射回傳感器。發送和接收的時間間隔越短，物體越近。

因此，基于波傳播速度，可以計算到對象的距離，從而可以高精度地確定距離。通過串聯幾個測量值，車輛傳感器也可以確定速度。這項技術可以使用駕駛員輔助系統，如自適應巡航控制和自動制動輔助系統。

雷達傳感器既耐用又便宜，即使在惡劣的天氣條件下通常也能提供可靠的數據。然而，距離傳感器識別和區分物體的難度更大。原因是雷達數據的分辨率低，這意味著可以探測到物體，但無法對其進行分類。

深度討論:近程雷達和遠程雷達

現在大部分都是用兩種不同的雷達系統來覆蓋近程和遠程。

近程雷達:近程(最長30米)由近程雷達探測，通常基于24 GHz頻譜中的頻帶。它結構緊湊，干擾問題少，價格便宜。近距離雷達有助于停車操作、監控盲點和警告駕駛員發生碰撞。

遠程雷達:遠程雷達用于探測距離小于250米的物體和車輛，并測量其速度。這項技術使用76 GHz到77 GHz之間的頻率，性能更高。然而……由于分辨率較低，長距離的物體并不總是能夠被可靠地選擇。由于遠程雷達可以實現緊急制動輔助和自適應巡航控制(即使在高速上)，因此在實現接下來的自動駕駛(如高速公路駕駛)中發揮著重要作用。

超聲波——近距離專家

如今，大多數車輛都配備了停車輔助設備。例如，如果車輛接近停車柱，車載計算機上會顯示一個顏色條，并發出警告聲。為我們提供有關監控區域內柱子的確切位置以及車輛附近的信息。輔助系統可以通過幾個超聲波傳感器來實現，通常安裝在車輛周圍的安全處。

超聲波也是基于飛行時間的原理，發出人耳聽不到的頻率為20000Hz的聲波，探測車輛附近障礙物的距離。除了停車輔助，超聲波傳感器還用于監控盲點和緊急制動輔助系統。

超聲波傳感器經久耐用，可以在夜間和霧天提供可靠的距離數據。無論物體的材質或顏色如何，都可以檢測出來。然而，這些車輛傳感器的檢測范圍不到10米，這意味著該技術只能在近距離使用。

進一步討論:聲納

聲納通常與超聲波結合使用，即超聲波在海事領域的應用。

聲納(聲學導航和測距):聲納是一種利用聲波(通常是超聲波)進行定位的測量技術。主要用在水下，因為聲音傳播的損耗(尤其是高頻)比在空氣中小很多。根據水下聲速和物體反射時間可以計算出距離。

激光雷達——3D可靠的環境信息

與超聲波傳感器相比，激光雷達傳感器適合短距離和長距離使用。雖然激光雷達已經存在很多年了，但是直到本世紀初，它才越來越多的應用在汽車上。激光雷達被認為是實現更高自主駕駛的關鍵部分。

關鍵技術激光雷達:防撞是實現下一級自動駕駛的重要前提。這項技術需要可靠的高分辨率3D數據。只有激光雷達能在汽車高速行駛時為我們提供遠距離的環境信息。

激光雷達傳感器也是基于飛行時間的原理。但它們不發射無線電波或超聲波，而是發射激光脈沖，被物體反射后被光電探測器接收。激光雷達每秒發射高達100萬個激光脈沖，以捕捉高分辨率的3D點云數據。

這些所謂的點云非常細致，不僅可以識別物體，還可以進行分類。例如，行人可以和騎自行車的人區分開來。激光雷達傳感器具有遠距離、耐用的特點，因此可以提供可靠的數據，幾乎不受環境因素的影響，從而使車輛做出正確的駕駛決策。然而，在過去，激光雷達傳感器非常昂貴，主要是由于機械旋轉裝置的復雜設計。然而，由于其固態設計越來越受歡迎，高分辨率3D傳感器的成本已經大大降低。

進一步探索:機械激光雷達和固態激光雷達

兩種最受歡迎的激光雷達是機械激光雷達和固態激光雷達。

機械式激光雷達:激光二極管由電機和齒輪帶動旋轉，使激光脈沖導向整個環境，視場高達360。然而，手動設置既復雜又昂貴。所以即使是量產，對于量產車來說單價也太貴了。

固態激光雷達:這種設計基于半導體技術，沒有任何機械運動部件。因此，該系統更簡單、更緊湊且免維護。它們也更便宜，可以更好地批量生產。它們可以用于所有級別的量產車，并將在未來的自動駕駛研究中發揮決定性作用。

通過傳感器融合充分發揮優勢

安全是自動駕駛的重中之重，因此車輛必須始終準確感知它們的s……四舍五入。為了實現這一點，相機、雷達、超聲波和激光雷達傳感器可以作為輔助技術相互輔助。主要目的是利用各種車輛傳感器的優點來彌補其他傳感器的缺點，最終通過傳感器融合實現安全自動駕駛。

標簽：世紀海豚大眾現代遠程

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