自動駕駛汽車的傳感器該如何布置？
無人駕駛汽車的研究越來越多，各環(huán)境感知傳感器的分布位置也不同，到底這些傳感器要遵循一個(gè)什么樣的布置原則？請看本文介紹。
傳感器介紹
智能駕駛汽車環(huán)境感知傳感器主要有超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、單／雙／三目攝像頭、環(huán)視攝像頭以及夜視設(shè)備。目前，處于開發(fā)中的典型智能駕駛車傳感器配置如表 1所示。
表 1 智能駕駛汽車傳感器配置
環(huán)視攝像頭：主要應(yīng)用于短距離場景，可識別障礙物，但對光照、天氣等外在條件很敏感，技術(shù)成熟，價(jià)格低廉；攝像頭：常用有單、雙、三目，主要應(yīng)用于中遠(yuǎn)距離場景，能識別清晰的車道線、交通標(biāo)識、障礙物、行人，但對光照、天氣等條件很敏感，而且需要復(fù)雜的算法支持，對處理器的要求也比較高；超聲波雷達(dá)：主要應(yīng)用于短距離場景下，如輔助泊車，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低；毫米波雷達(dá)：主要有用于中短測距的 24 GHz 雷達(dá)和長測距的 77 GHz 雷達(dá) 2 種。毫米波雷達(dá)可有效提取景深及速度信息，識別障礙物，有一定的穿透霧、煙和灰塵的能力，但在環(huán)境障礙物復(fù)雜的情況下，由于毫米波依靠聲波定位，聲波出現(xiàn)漫反射，導(dǎo)致漏檢率和誤差率比較高；激光雷達(dá)：分單線和多線激光雷達(dá)，多線激光雷達(dá)可以獲得極高的速度、距離和角度分辨率，形成精確的 3D 地圖，抗干擾能力強(qiáng)，是智能駕駛汽車發(fā)展的最佳技術(shù)路線，但是成本較高，也容易受到惡劣天氣和煙霧環(huán)境的影響。
不同傳感器的感知范圍均有各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性（見圖 1），現(xiàn)在發(fā)展的趨勢是通過傳感器信息融合技術(shù)，彌補(bǔ)單個(gè)傳感器的缺陷，提高整個(gè)智能駕駛系統(tǒng)的安全性和可靠性。
圖 1 環(huán)境感知傳感器感知范圍示意圖
全新奧迪A8配備自動駕駛系統(tǒng)的傳感器包括：
12 個(gè)超聲波傳感器，位于前后及側(cè)方，4 個(gè)廣角 360 度攝像頭，位于前后和兩側(cè)后視鏡，1 個(gè)前向攝像頭，位于內(nèi)后視鏡后方，4 個(gè)中距離雷達(dá)，位于車輛的四角，1 個(gè)長距離雷達(dá)，位于前方，1 個(gè)紅外夜視攝像頭，位于前方，1 個(gè)激光掃描儀 Laser Scanner，位于前方。
傳感器的布置原則
無人車傳感器的布置，需要考慮到覆蓋范圍和冗余性。
覆蓋范圍：車體360度均需覆蓋，根據(jù)重要性，前方的探測距離要長（100m），后方的探測距離稍短（80m），左右側(cè)的探測距離最短（20m）。為了保證安全性，每塊區(qū)域需要兩個(gè)或兩個(gè)以上的傳感器覆蓋，以便相互校驗(yàn)，如下圖所示［1］：
圖2：一種典型的傳感器全覆蓋、多冗余配置示意圖
Host Vehicle是無人車實(shí)體，ESR，RSDS是毫米波，UTM、LUX、HDL是激光，Camera是工業(yè)相機(jī)。從圖中也可以看出，各個(gè)方向上均有多個(gè)傳感器配置。為了簡潔，圖中的Camera只畫出了前方的，實(shí)際上前后左右Camera配置了很多個(gè)，使得系統(tǒng)的冗余度更高。
具體安裝在車上，是這樣樣子的：
圖3：傳感器在無人車上的實(shí)際安裝。
大部分傳感器都是隱藏式安裝（車前保、后保內(nèi)），唯一的特例，三維激光安裝在車頂上。
前后探測距離的差異，主要是考慮一些特殊場景下的安全問題。
例如，車輛剛駛出高速公路服務(wù)區(qū)，準(zhǔn)備自動變道：初始車速 V1＝60km／h；變道過程約需要 t ＝ 3 s；變道完成時(shí)與后方車輛的車間時(shí)距 τ ≥ 2 s （注 1）左后方來車車速 V2 ＝ 120 km／h；為保證變道安全，本車與左后方車輛的初始安全距離至少為
（V2－V1）×（t＋τ）＝（120km／h－60km／h）×（3s＋2s） ≈ 83m
注1：目前自動變道無相關(guān)的法規(guī)要求， 故參考 GB ／T20608－2006《智能運(yùn)輸系統(tǒng)自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)性能要求與檢測方法》中， 第5．2．2 條對自適應(yīng)巡航的車間時(shí)距做出規(guī)定：τ＿min 為可供選擇的最小的穩(wěn)態(tài)車間時(shí)距， 可適用于各種車速 v 下的 ACC 控制。τ＿min （ v） 應(yīng)大于或等于 1 s，并且至少應(yīng)提供一個(gè)在 1．5 ～ 2．2 s 區(qū)間內(nèi)的車間時(shí)距 τ。在自動變道場景的計(jì)算中，為保證安全，選取 τ ＝ 2 s 進(jìn)行計(jì)算。
一般后向 24 GHz 毫米波雷達(dá)的探測距離為 60 m 左右，如果車后安裝一臺24GZ毫米波雷達(dá)，60～83 m 是危險(xiǎn)距離。若前后車距在此范圍內(nèi)，開始變道時(shí)，系統(tǒng)誤判為符合變道條件。隨著左后方車輛高速接近，自動變道過程中安全距離不足，本車中途終止變道，返回本車道繼續(xù)行駛。這種情況會干擾其他車輛的正常駕駛，存在安全隱患，也會給本車的乘員帶來不安全感（見圖 4）。
圖 4：自動變道場景
要解決這個(gè)極端場景下智能駕駛汽車自動變道的安全問題，可以考慮增加一個(gè) 77 GHz 后向毫米波雷達(dá)，它的探測距離可以達(dá)到 150 m 以上，完全能滿足這個(gè)場景中 83 m 的探測距離要求。當(dāng)然，可以采用探測距離達(dá)到 100 m 以上的 8 線激光雷達(dá)或攝像頭（ 如 Tesla 車型） 解決 24 GHz 毫米波雷達(dá)探測距離不足的問題， 還可以通過控制算法設(shè)定車輛必須加速到一定車速才允許自動變道。
而前車安全距離要保證至少100米左右，也保證了車輛有足夠的制動時(shí)間。
冗余度：誰都不希望把自己的生命交付給一個(gè)／種傳感器，萬一它突然失效了呢？所謂的冗余度，也可以劃分為硬件冗余，或軟件冗余。
如圖1中，前方的障礙物有4類傳感器覆蓋，這樣最大程度上保證前方障礙物檢測不會漏檢或者虛警。這屬于硬件冗余。
再比如車道線檢測。現(xiàn)階段大量的對車道線的檢測均是基于視覺（此處不討論基于激光的傳感器），對它的冗余則遵循3選2，或少數(shù)服從多數(shù)的選擇。通過多支算法來保證識別的正確性。
算法設(shè)計(jì)上用到Sensor Fusion，下圖是CMU的多傳感器融合的障礙物檢測／跟蹤框架［2］：
圖5：CMU的障礙物檢測、跟蹤框架。
主要分為兩層，Sensor Layer負(fù)責(zé)收集各個(gè)傳感器測量，并將其抽象為公共的障礙物特征表示；Fusion Layer接收障礙物特征表示，輸出最終的障礙物結(jié)果（位置、速度、類別等）。
除了要保證覆蓋和冗余度，當(dāng)然在實(shí)際安裝中，還要符合每個(gè)傳感器和車輛的安裝條件。比如把激光雷達(dá)放置在高處，增大了掃描的面積。
智能駕駛車輛的傳感器中，以需要考慮因素較多的毫米波雷達(dá)布置為例進(jìn)行介紹。
毫米波雷達(dá)的布置
毫米波雷達(dá)的位置
（1）正向毫米波雷達(dá)
正向毫米波雷達(dá)一般布置在車輛中軸線，外露或隱藏在保險(xiǎn)杠內(nèi)部。雷達(dá)波束的中心平面要求與路面基本平行，考慮雷達(dá)系統(tǒng)誤差、結(jié)構(gòu)安裝誤差、車輛載荷變化后，需保證與路面夾角的最大偏差不超過 5°。
另外，在某些特殊情況下，正向毫米波雷達(dá)無法布置在車輛中軸線上時(shí)，允許正 Y 向最大偏置距離為 300 mm，偏置距離過大會影響雷達(dá)的有效探測范圍。
（2）側(cè)向毫米波雷達(dá)
側(cè)向毫米波雷達(dá)在車輛四角呈左右對稱布置，前側(cè)向毫米波雷達(dá)與車輛行駛方向成 45° 夾角，后側(cè)向毫米波雷達(dá)與車輛行駛方向成 30° 夾角，雷達(dá)波束的中心平面與路面基本平行，角度最大偏差仍需控制在 5° 以內(nèi)。
圖 6：毫米波雷達(dá)位置
（3）毫米波雷達(dá)的布置高度
毫米波雷達(dá)在 Z 方向探測角度一般只有 ±5°，雷達(dá)安裝高度太高會導(dǎo)致下盲區(qū)增大，太低又會導(dǎo)致雷達(dá)波束射向地面，地面反射帶來雜波干擾，影響雷達(dá)的判斷。因此，毫米波雷達(dá)的布置高度（即地面到雷達(dá)模塊中心點(diǎn)的距離），一般建議在 500（滿載狀態(tài)）～800 mm（空載狀態(tài)）之間（見圖 6）。
表面覆蓋材料
毫米波雷達(dá)大多數(shù)情況都是隱藏布置，采用某些不合適的表面覆蓋材料會屏蔽毫米波或引起波束畸變、駐波變差，使雷達(dá)失效或靈敏度降低。因此選用的覆蓋物材料有如下要求。
（1）優(yōu)先選用 PC、PP、ABS、TPO 等電解質(zhì)傳導(dǎo)系數(shù)小的材料，這些材料中不能夾有金屬和碳纖維。如果材料表面有低密度金屬涂層（如車漆），雖對雷達(dá)性能影響不是很大，但必須經(jīng)過測試才可使用。
（2）覆蓋物的表面必須平滑且厚度均勻，不能出現(xiàn)料厚突變或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況，且厚度最好是雷達(dá)半波長的整數(shù)倍，以減少對雷達(dá)波的扭曲和衰減。
另外，覆蓋物與雷達(dá)面的距離也不能太大，否則雷達(dá)容易把覆蓋物誤判為障礙物。在實(shí)際布置中，一般把雷達(dá)和覆蓋物之間的距離控制在 50～150 mm，如果在造型設(shè)計(jì)階段就把毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)輸入給造型設(shè)計(jì)師，經(jīng)過造型優(yōu)化，最小距離可控制在 15 mm 左右。
毫米波雷達(dá)布置其他參考因素
圖 7：毫米波雷達(dá)布置示例
除以上毫米波雷達(dá)本身要求外，在布置時(shí)，還需要兼顧考慮其他因素，如：雷達(dá)區(qū)域外造型的美觀性、對行人保護(hù)的影響、設(shè)計(jì)安裝結(jié)構(gòu)的可行性、雷達(dá)調(diào)試的便利性、售后維修成本等問題 ［5］。以下是一些示例（見圖 7）。
智能駕駛車輛只能實(shí)現(xiàn)部分場景的自動駕駛，為了能適應(yīng)更多場景，一方面，可以配置性能更好或數(shù)量更多的環(huán)境感知傳感器；另一方面，從降低整車成本考慮，還可以從傳感器的布置優(yōu)化方向入手，充分發(fā)揮傳感器的性能。
