智能驾驶系统传感器布置位置及方式探究

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色、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、物体分类等。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。

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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）。

表1 高级辅助驾驶系统传感器分类

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。

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。

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。

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。

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ADASL1/L2/L3，下面介绍详细的子功能。

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（77 GHz）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）。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

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/HWAML（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

根据超声波雷达短距离探测目标物的特点（表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

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。

表7 环视摄像头部分参数

图4 环视摄像头方案布局

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。

图5 传感器布置融合示意

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)。

图7 前摄像头布置示意

3.2  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。

3.3  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。

图8 超声波雷达布置位置要求

AVM环视系统，共需在车身前后左右布置4个摄像头。前方摄像头安装在前格栅附近区域。后方摄像头安装在后背门牌照灯或附近区域。左右侧摄像头需要安装在后视镜壳底部，需要在左右后视镜中预留一个摄像头的孔位，以便于左右摄像头的安装。摄像头布置时应进行光学校核，保证相邻摄像头影像有足够的重合，并且在摄像头1°的组装误差范围内应能保证图像拼接无黑边，盲区不能超过企业标准所要求。为防止拍摄影像的改变，而导致全景影像无法拼接，摄像头应具有防旋转的定位结构。

前后摄像头布置要求：车辆满载时，离地高度≥600mm；偏离中心平面距离≤50mm，建议置于中心平面；视轴与车辆XZ平面平行；视轴与车辆Z轴夹角建议45°到75°，光轴与地面线交点距车身最外侧1000～2000mm；盲区视野≤200mm；摄像头垂直视野在3000mm处可完整看到直立于地面3000mm高的物体。如图9为环视摄像头（前）布置要求。

图9 环视摄像头（前）布置要求

左右摄像头（后视镜上）布置要求：摄像头前视图，视角与垂直线之间夹角建议20～25°；视角与垂直线之间夹角建议1.5～5°；安装高度大于900mm；车身突出距离大于100mm；视野需覆盖车辆前后各10m位置，且10m的视野线与后视镜壳体下边缘距离大于1mm，前后5m的视野线与光轴面夹角均小于85°，且5m的视野线与后视镜壳体下边缘最小距离大于1.2mm；摄像头外突小于5mm（可调节）。