傳感器融合才是自動駕駛的正道之光

2020-11-25 百姓評車

10月21日,特斯拉CEO埃隆 · 馬斯克(Elon Musk)發推特表示,特斯拉的全自動駕駛(Full Self-Driving,以下簡稱 FSD)beta 版軟體已向小部分客戶推送。而在早些時候的10月11日,百度也宣布旗下的無人駕駛計程車服務百度Apollo在北京正式開放運營。

10月以來,連續兩波關於自動駕駛技術的落地將人們對自動駕駛的熱情推向了一個高潮。而且今年對自動駕駛來說其實是一個比較重要的年份,因為如果從2010年穀歌自動駕駛項目上線開始算,今年剛好就是自動駕駛技術商業化的第十年。

十年走來,作為人工智慧最接近生活的應用場景,自動駕駛一直被人們寄予厚望。而到今天,隨著大數據、AI、5G等技術的突破和應用,百度、Uber、滴滴、文遠知行,越來越多的自動駕駛技術從實驗室走向了道路。

對於輔助駕駛系統(ADAS)和自動駕駛汽車(AV),可能永遠不會有一種單一、最有效的方法來實現傳感技術。這個神奇的數字可能是六個,因為每個汽車製造商都會以六個基本考慮因素來決定如何以自己的方式實現,這將導致每個人創建自己的獨特方法來將傳感器集成到未來的車輛中。

國內外部分綜合實力較強的汽車零部件公司在自動駕駛汽車傳感器上進行多產品布局,可以為下遊客戶提供綜合性的自動駕駛解決方案,形成較強的競爭力。這些公司包括國外的博世、大陸集團、法雷奧、海拉、德爾福、富士通天、奧託立夫等公司和國內的德賽西威、華域汽車和保隆科技等公司。

越來越多的傳感器被部署在整車中,以主動解決安全問題。今天,我們的汽車中到底有多少個傳感器?要進一步提高自主性,還需要多少個傳感器?這個問題的答案是如果考慮到ADAS的傳感器-超聲波、雷達、用於感應的攝像頭、用於觀察的攝像頭和LiDAR,估計車輛具有10至20個傳感器,具體取決於車輛的類型 。

傳感器將是解決高度自動化水平的關鍵,並且傳感器的數量和類型預計將增加。

自動駕駛的環境監測傳感器主要包括攝像頭和雷達兩類:首先,攝像頭通過圖像識別技 術實現距離測量、目標識別等功能;其次,雷達利用發射波和反射波之間的時間差、相位差 獲得目標物體的位置和速度等數據,按所使用的不同類型的波,雷達可以分為毫米波雷達、雷射雷達、超聲波雷達三類。

攝像頭:自動駕駛的眼睛

攝像頭方面,按視野覆蓋位置可分為前視、環視(側視+後視)及內視攝像頭,其 中前視攝像頭最為關鍵,可以實現車道偏離警示系統(LDW)、前向碰撞預警系統(FCW)、 行人識別警示(PCW)等功能。前視攝像頭又有單目攝像頭、雙目攝像頭,乃至多目攝像 頭等不同的解決方案。雖然雙目或多目攝像頭具有更高的測距精度和更廣的視角,但由於 其成本較高以及對精度和計算晶片的高要求,使得其仍未能大規模量產,目前以 Mobileye的單目攝像頭解決方案是市場的主流。

車載攝像頭產業鏈主要涉及上遊材料、中遊元件和下遊產品三個主要環節。上遊材料中光學鏡片、濾光片和保護膜等用於製造鏡頭組,晶圓用於製造 CMOS 晶片和 DSP 信號處理器;在中遊鏡頭組、CMOS 晶片和膠合材料等組裝成模組,並和 DSP 信號處理器封裝成攝像頭產品。在產業鏈的這一層,上遊供應商已經可以向下遊整車或一級供應商客戶供應完整的攝像頭產品。

在車載攝像頭產業鏈中,攝像頭和軟體算法一起,構成車載攝像頭解決方案,應用於自動駕駛汽車中。車載攝像頭產業鏈較長,上下遊擁有眾多環節,每個環節都涉及國內外眾多廠商和公司。

相較於消費電子等所用的攝像頭,車規級的攝像頭對防震、穩定性、持續聚焦特性、熱補償性、雜光強光抗幹擾性等都有較高的要求,因此其模組組裝工藝複雜,技術堡壘較高。從全球攝像頭供應市場來看,目前國外公司松下、法雷奧、富士通天、大陸、麥格納等廠商佔據較大份額,前五大產商市場份額合計在 59%左右,集中度相對較高。

雷達:自動駕駛的大腦

在雷達方面,主要分為三類:1、毫米波雷達:介於微波和紅外線之間,頻率範圍 10GHz —200GHz,波長為毫米級;2、雷射雷達:介於紅外線和可見光之間,頻率大致為 100000GHz,波長為納米級;3、超聲波雷達:頻率高於 20000Hz。根據公式:光速=波 長*頻率,頻率越高,波長越短。波長越短,意味著解析度越高;而解析度越高,意味著在 距離、速度、角度上的測量精度更高。

我們平時用的倒車雷達是超聲波雷達,發出的是聲波,只能達到聲速。超聲波雷達體積小、價格低,但探測精度差、範圍小,並且在高速運動時影響很大,在自動駕駛中的應用並不多。

應用多的是毫米波雷達,發出的是電磁波,以光速傳播。主要的毫米波雷達有24GHz和77GHz兩種。24GHz頻率低、帶寬窄,精度相對較低,主要用於盲點監測、自動泊車等。而77GHz精度高很多,可以更準確的探測距離,並且天氣等對他的影響很小。和攝像頭融合就能夠很好的完成對環境的感知。

但毫米波雷達可以感知距離,可無精準法感知物體的具體形狀,或者前方兩個人的間距等,探測的噪點也很多。比如空無一物的道路上,因為一些起伏或者路面的顆粒等,也會形成反射幹擾毫米波雷達的判斷。

雷射雷達可以很好的解決這些問題,他的精度可以達到釐米級。雷射雷達上每一個雷射發生器代表一線,常用機械旋轉式雷射雷達有10線、64線、128線等。雷射雷達實際上是一種工作在光學波段(特殊波段)的雷達,它的優點非常明顯。

第一,是具有極高的解析度:雷射雷達工作於光學波段,頻率比微波高2~3個數量級以上,因此,與微波雷達相比,雷射雷達具有極高的距離解析度、角解析度和速度解析度。

第二,抗幹擾能力強:雷射波長短,可發射發散角非常小(μrad量級)的雷射束,多路徑效應小(不會形成定向發射,與微波或者毫米波產生多路徑效應),可探測低空/超低空目標。

第三,獲取的信息量豐富:可直接獲取目標的距離、角度、反射強度、速度等信息,生成目標多維度圖像。第四,可全天時工作:雷射主動探測,不依賴於外界光照條件或目標本身的輻射特性。它只需發射自己的雷射束,通過探測發射雷射束的回波信號來獲取目標信息。

但是,因受價格跟體積的限制,目前來看雷射雷達還非常少地裝配在量產車上,馬斯克在多個場合中抨擊雷射雷達「笨重」,「醜陋」,「完全沒有必要」。這個也是雷射雷達的一大缺點,現階段大家很難把其體積縮小,在車頂上的位置比較突兀,這直接影響了量產化的進行,所以現在我們還沒有看到雷射雷達系統安裝在量產車上。

最後一種超聲波雷達目前已經成為稀鬆平常的汽車部件,支撐起自動泊車等駕駛輔助功能,未來還將為完全自動駕駛「出力」。它的工作原理主要是以1-3釐米精度測算0.2-5m範圍內障礙物,充當「汽車之眼」。超聲波雷達可以分為模擬式、四線式數位、二線式數位、三線式主動數位,它們的信號抗幹擾能力依次提升,技術難度與價格總體遞進。

特斯拉的Autopilot推出以來,對超聲波雷達的依賴性一直非常高,始終堅持使用4+4+4的超聲波雷達布局。早期版本中,特斯拉在泊車輔助中使用前後8顆雷達,在輔助駕駛中使用全部12顆雷達。特斯拉表示,與攝像頭監控車道標記不同,超聲波雷達可以監控周圍區域,並掃清車輛或其他物體等盲點。

特斯拉「偏愛」超聲波雷達其實是有原因的,上文講到雷射雷達雖好,但是成本太高,暫時無法大規模在走量的車型上裝配,這也導致了高級別自動駕駛技術的推廣受到限制。

而超聲波雷達價格低廉。目前,單個超聲波雷達售價大約為數十元,一套倒車雷達系統的雷達硬體成本不到200元,一套自動泊車系統的雷達硬體成本在500元左右。相比之下,毫米波雷達的售價仍然在千元級別,雷射雷達的售價高達數十萬元。較為低廉的價格,將車企與超聲波雷達緊緊捆綁,並促進了車載超聲波雷達市場的繁榮。

據P&S Intelligence數據,2019年,全球車載超聲波雷達市場規模為34.6億美元(約合243.9億元);該機構預測,2020年至2030年,全球車載超聲波雷達市場規模將保持5.1%複合年增長率,並於2030年達到61億美元(約合429.8億元)。

不過,超聲波雷達並非自動駕駛技術的突破口,其受到物理特性限制,車載超聲波雷達的探測範圍局限在數米內,也無法精準描述障礙物位置;此外,處於相同頻段的多個雷達,為避免回波「打架」大多採取時分復用,信息採集速度被拖慢;其探測精度易受到車速、振動、溫溼度等影響,在抗幹擾、標定等方面充滿挑戰。總之,超聲波雷達是「輔料」而非「主食」,其與毫米波雷達、攝像頭乃至雷射雷達相配合,方能支撐起更高級別輔助駕駛功能。

集成才是傳感器未來之路

顯然,傳感器將是解決高度自動化水平的關鍵,並且傳感器的數量和類型預計將增加。越來越多的傳感器只是冰山一角。傳感器會生成大量數據,而系統則受到處理能力的嚴重限制。

那麼傳感器是不是越多越好呢?有些人可能會這樣想,但是出於成本或集成方面的原因,汽車中的傳感器數量不會無限增加。預計自動化傳感器的數量將在某個時候達到平穩,主要區別在於軟體級別和企業有效處理大量數據的能力。特斯拉等一些OEM仍未使用LiDAR,而是押注傳感器和AI計算的結合以實現高自動化水平。

就像人類的感覺一樣,傳感器必須在戰略上定位,以連續反饋汽車周圍的信息。但是傳感器的放置位置存在技術限制。例如,前照燈中的冷凝水可能會阻止雷射雷達工作。在下雪或寒冷的天氣中,霜凍可能導致傳感器故障。紅外傳感器無法穿透玻璃,也不能放在擋風玻璃後面。

目前來看,自動駕駛有三種主流解決方案,一是基於視覺主導,採用GPS地圖和AI人工智慧進行自動駕駛。基於視覺主導的當前主要是特斯拉模式,特斯拉通過所有特斯拉汽車的攝像頭採集環境數據,將圖像處理和機器學習結合起來通過從而不依靠預先記錄的地圖。特斯拉汽車在行駛中採集數據學習並與所有特斯拉汽車分享學習到的東西,從而實現類似於人眼睛的方式查看地形然後通過人工智慧進行分析指導自動駕駛汽車做出決策。

二是基於雷射雷達主導,視覺輔導,採用高精地圖和人工智慧進行自動駕駛。這是當前主流傳統主機廠通用,奔馳,福特以及眾多自動駕駛公司包括Waymo,谷歌等採用的自動駕駛方式。這些車輛取決於預先記錄的周圍環境的3D高解析度地圖,該地圖是使用配備雷射雷達的車輛預先捕獲繪製的。然後,車輛可以使用地圖,使用自己的雷射雷達設備定位確定環境是否已發生變化,然後在地圖區域中巡航時進行控制。

三是基於車聯網主導,多種傳感器融合的人工智慧自動駕駛。車聯網,需要龐大的基礎設施投資以及需要所有運行的自動駕駛都處於同一平臺內。與前兩種策略相比,這是一個更為廣闊的生態系統,通過投資建設更智能的道路,可以降低車輛自主性的複雜性和不確定性。這就要求汽車製造商,V2X供應商和市政當局共同協作,並創建車輛的基礎設施和標準,以使車輛能夠順利導航並降低錯誤門檻。

顯然前兩種解決方案是基於目前傳統道路情況、汽車情況、法律法規情況之下的現實方案。雖然說特斯拉的方案只要它一家採用,但是特斯拉在電動車市場的體量也是非常大的,很難說基於視覺主導的自動駕駛方案就一定比基於雷射雷達的方案更差。

不過有一點肯定的是,第三種基於車聯網的方案是未來自動駕駛發展的必經之路。在車聯網主導之下,必然會需要大量的傳感器,這些傳感器將互相配合,與汽車本體組成一個完整的自動駕駛系統。因此,傳感器的發展前景幾乎可以用一片坦途來形容。

百姓評車

2019年全球自動駕駛車產量約為幾千輛,預計在2032年以前將增加到40萬輛的年產量,累計總產量達到10億輛。與自動駕駛車生產相關的總收益屆時也將達到600億美元,其中的40%將來自於車輛本身,28%來自於感測硬體,28%來自於運算硬體,剩餘的4%則來自於整合。這意味著在接下來的15年內將圍繞著自動駕駛車輛技術建構起完整的產業生態。

對此,Yole Développement的分析師預期2024年傳感器營收分別是:光達將達到4億美元,雷達為6千萬美元,攝影機為1.6億美元,IMU為2.3億美元,GNSS裝置為2千億美元,但不同類型傳感器之間的分配情況在未來15年內或許會再發生變化。感測硬體的總營收將在2032年達到170億美元,相較之下,運算硬體營收應該會落在相同數量級範圍內。無論如何這都是一個體量巨大的市場,沒有人願意自動放棄這塊蛋糕。

相關焦點

  • 特斯拉不贊成傳感器融合,自動駕駛汽車怎麼辦?
    唯有傳感器融合說到高級駕駛輔助系統(ADAS)和自動駕駛汽車(AV),一切都與傳感器有關,都需要攝像頭、雷達和LiDAR、超聲波等傳感器來查看周圍環境。視聽設備還需要計算能力和人工智慧(AI)來分析多維(有時是多源)數據流,以便為車輛提供實時的整體和統一視圖。
  • 哪種類型的傳感器才能實現真正自動駕駛?
    哪種類型的傳感器才能實現真正自動駕駛? 圍繞自動駕駛車輛新技術應用的一個重要問題,是哪種類型的傳感器或傳感器組合能夠提供最佳的價格和性能。 這個問題很複雜,因為只有在用於控制車輛的系統能力得到表徵之後,才能按要求選擇用於執行特定任務的傳感器。自動駕駛車輛按定義可以包括三種主要系統組件。
  • LIDAR : 自動駕駛汽車的關鍵傳感器
    Homer 配備了一系列的傳感器,來理解世界並進行導航,其中的關鍵設備是 LIDAR (light detection and ranging 的縮寫)。在這篇博文中,你將會學習到更多關於 LIDAR 的知識,包括它在自動駕駛汽車空間中的起源,以及它是如何從眾多傳感器中脫穎而出的。請盡情享受這篇文章!
  • 自動駕駛中雷射雷達和傳感器技術的應用
    來源: 傳感器技術 雷射雷達和與之競爭的傳感器技術(相機、雷達和超聲波)加強了對傳感器融合的需要,也對認真謹慎地選擇光電探測器、光源和MEMS振鏡提出了更高的要求。 傳感器技術、成像、雷達、光探測技術及測距技術(雷射雷達)、電子技術和人工智慧的進步,使數十種先進的駕駛員輔助系統(ADAS)得以實現,包括防撞、盲點監測、車道偏離預警和停車輔助等。通過傳感器融合實現這些系統的同步運行,可以讓完全自動駕駛的車輛監視周圍環境,並警告駕駛員潛在的道路危險,甚至採取獨立於駕駛員的躲避行動以防止碰撞。
  • 自動駕駛傳感器種類及布置方案
    自動駕駛汽車是一個集環境感知、規劃決策、運動控制、多級輔助駕駛等功能於一體的綜合系統,它集中運用了計算機、現代傳感、信息融合、V2X通訊、人工智慧及自動控制等技術,自動駕駛的關鍵技術依次可以分為環境感知、行為決策、路徑規劃和運動控制四大部分。而自動駕駛關鍵的環境感知用來採集周圍環境的基本信息,也是自動駕駛的基礎。
  • 自動駕駛之高精度定位
    定位(Location)和導航(Navigation)技術是負責實時提供載體(如自動駕駛車輛)的運動信息,包括載體的位置、速度、姿態、加速度、角速度等。自動駕駛往往採用的是多傳感器融合定位的方式。因此,在自動駕駛領域,RTK GPS的輸出一般都要與IMU,汽車自身的傳感器(如輪速計、方向盤轉角傳感器等)進行融合。  IMU的全稱是inertial measurement unit,即慣性測量單元,通常由陀螺儀、加速劑和算法處理單元組成,通過對加速度和旋轉角度的測量得出自體的運動軌跡。
  • 自動駕駛相關的三大重要傳感器介紹
    自動駕駛相關的三大重要傳感器介紹 周碧俊 發表於 2018-08-01 10:23:00 自動駕駛車輛想要在路上安全行駛,首要的是能夠準確感知周圍環境,如車輛、行人
  • Roadstar.ai 自動駕駛樣車上路,深度融合技術路線能否超越Waymo?
    走上「正確的道路」實現自動駕駛有多種技術路徑,比如以攝像頭為主的方案(特斯拉、AutoX),和以64線雷射雷達為主的方案(Waymo、百度)。Roadstar.ai解決自動駕駛技術瓶頸的方案是多傳感器深度融合。衡量表示,它不以某一種傳感器為主,而是包括了多個雷射雷達之間的融合,多個攝像頭之間的融合,以及雷射雷達與攝像頭、毫米波雷達的融合。
  • 【深度】詳解自動駕駛汽車三大主流傳感器主要功能
    然而,關於自動駕駛技術路線之爭也是一個備受爭議的話題。然而,關於自動駕駛技術路線之爭也是一個備受爭議的話題。一個方面是人們相信自動駕駛汽車將通過增加道路安全,降低基礎設施成本以及增強兒童、老人和殘疾人的出行自理能力來確保美好的未來。
  • 才是自動駕駛的最佳計算架構
    由此,面向自動駕駛技術的汽車半導體產業有呈現三足鼎立之勢——英偉達公司(NVIDIA)憑藉車載計算平臺 Drive PX 2 佔得先機,英特爾公司合縱連橫窮追不捨,但更不容小覷的是作為目前智慧型手機產業兩大樞紐節點之一的高通公司的實力。
  • 遠紅外線傳感器對完全自動駕駛車輛有何影響?
    據外媒報導,遠紅外線傳感器在性能表現方面逐步展露頭角,本文將從雷射雷達傳感器的不足之處、遠紅線傳感器的性能優勢等方面展開,預計該產品將助推完全自動駕駛車輛的應用及推廣。若無法在各種氣候條件下確保傳感器功能的正常運轉並提升其精度,為車輛的安全運營保駕護航,自動駕駛車輛的大規模上市及推廣應用將無法實現。
  • 成像雷達傳感器在自動駕駛汽車中的應用解析
    ,以及它們各自如何滿足先進駕駛輔助系統(ADAS)和自動駕駛的感測需求仍然存在一些困惑。 最近,我和我的一個朋友進行了一次有趣的討論,他知道我在研究用於ADAS系統和自動駕駛車輛(AVs)中雷達的TI毫米波(mmWave)傳感器。 每當他讀到自動駕駛汽車在不同駕駛環境下(比如障礙物檢測)運行情況的文章時都會不失時機地取笑我。其中一次的對話如下: Matt:「如果那輛車搭載有LIDAR的話,就能輕鬆識別出車道中間的物體。」
  • 在汽車中最重要的三大傳感器以及傳感器融合的好處
    自動駕駛離不開感知層、控制層和執行層的相互配合。攝像頭、雷達等傳感器獲取圖像、距離、速度等信息,扮演眼睛、耳朵的角色。 控制模塊分析處理信息,並進行判斷、下達指令,扮演大腦的角色。車身各部件負責執行指令,扮演手腳的角色。而環境感知是這一切的基礎, 因此傳感器對於自動駕駛不可或缺。
  • 實現越野自動駕駛,路虎這大腦皮層到底有多高級?
    不知道是自動駕駛點背還是怎麼回事,這幾個月,自動駕駛發生的事故是一茬接著一茬,老外現在談起自動駕駛都有點恐懼了,前不久特斯拉又跟美國警車來了次「驚魂」接觸。按捷豹路虎的盤算來看,這次他們雖然是頭一遭接觸自動駕駛,但自信心還是肥腸有的,不僅是要一舉實現最高LV5的自動駕駛水平,更是要實現越野地形全覆蓋,搞一個自動越野的噱頭,確實是計劃通啊。不過,話雖然說得這麼幹脆利落,但實施起來可能並不那麼順利。要真信了那才是中了捷豹路虎的邪!
  • 定位ADAS及自動駕駛車輛 威力登推出Velarray LiDAR傳感器
    蓋世汽車訊 據外媒報導,威力登雷達(Velodyne LiDAR)發布了新款固定雷射固態雷達傳感器——Velarray LiDAR(Light Detection and Ranging,光探測和測距),該產品是一款耐用的車用小型雷達傳感器,價格划算,性能卓越。
  • 自動駕駛的5個級別是什麼?需要使用哪幾種物聯網傳感器?
    來源:物聯之家網(iothome.com)原標題:《L1—L5自動駕駛汽車中的三種物聯網傳感器》毫無疑問,自動駕駛是一項複雜而有爭議的技術。要了解自動駕駛汽車的安全性,重要的是弄清楚它們是如何工作的,以及哪種類型的自動駕駛車輛傳感器可以幫助它們行駛,並識別道路上的物體以防止發生車禍。但是首先,讓我們來看一下自動駕駛汽車的不同級別。
  • 超聲傳感器實現精確測距20米 對自動駕駛汽車意味著什麼
    原標題:超聲傳感器實現精確測距20米 對自動駕駛汽車意味著什麼 測距20米超聲波技術,讓價廉物美的超聲波不再只用在倒車雷達上,還將大幅度降低自動駕駛環境感知技術的硬體成本。近日,在重慶市科學技術委員會、重慶市九龍坡區人民政府、重慶高新區主辦的中國創新創業大賽第二屆國際新能源及智能汽車大賽重慶賽區複賽及決賽上,重慶博創聲遠科技有限公司開發的「無人駕駛汽車超聲波傳感器」,因其精確測距可達20米,引得了眾多評委和企業的注意。 自動駕駛,感知傳感器非常關鍵,目前自動駕駛汽車測距與避障,主要採用傳感器超聲波、毫米波、攝像頭和雷射三種方式。
  • 沒有這些「硬核」,自動駕駛只能是空中樓閣
    汽車要實現自動駕駛首先要看得見、看得清、看得遠,更要看得懂。環境感知系統通過各種傳感器去搜集汽車周邊信息,常用的傳感器包括了攝像頭、雷射雷達、毫米波雷達、超聲波雷達等。而由於每一種傳感器都各具優缺點,傳感器融合技術成為當下環境感知的手段。
  • 福特在傳感器上放出臭蟲,保持傳感器清潔對自動駕駛汽車至關重要
    開發一款能夠自動駕駛的汽車需要的遠不止一些複雜的人工智慧、最先進的圖形晶片和昂貴的傳感器。至少,如果你想讓汽車在各種條件下安全可靠的自動駕駛,它是可以做到的。正如我們人類需要透過窗戶看到外面的世界以適應周圍的環境一樣,照相機、雷達和雷射雷達也需要一覽無餘的視野。
  • 自動駕駛的另一個突圍方向
    因此,在剛剛過去的五月,由 Thrun 創立的在線教育公司 Udacity(優達學城)與梅賽德斯-奔馳北美研發中心(簡稱 MBRDNA)聯手製作的傳感器融合工程師納米學位課程正式上線——這是一門關於如何將雷射雷達和視覺採集設備等自動駕駛領域的重要傳感器,進行數據融合,讓車輛更好的理解周圍環境的課程。