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由北斗导航说到智能汽车自驾系统

2020-7-5 11:22| 发布者: 南召修电视| 查看: 11| 评论: 0

摘要: 2020年6月23日9时43分,我国在四川西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭,成功发射北斗系统第五十五颗导航卫星,即北斗三号最后一颗全球组网卫星,至此北斗三号全球卫星导航系统星座部署比原计划提前半年全面完成。 ...
2020年6月23日9时43分,我国在四川西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭,成功发射北斗系统第五十五颗导航卫星,即北斗三号最后一颗全球组网卫星,至此北斗三号全球卫星导航系统星座部署比原计划提前半年全面完成。

此次发射的卫星属地球静止轨道卫星,经过一系列在轨测试入网后,我国将进行北斗全系统联调联试,在确保系统运行稳定可靠、性能指标优异的基础上,择机面向用户提供全天时、全天候、高精度全球定位导航授时服务,以及星基增强、短报文通信、精密单点定位等特色服务。
北斗的军事和战略意义这里就不说了,单从经济建设方面讲一讲,北斗定位系统对我国新基建的影响。首先新基建包括:5G基建、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网等七大领域。其中自动驾驶是人工智能的重要组成部分,更涵盖了人工智能几乎所有的技术类型。设计涵盖了“芯片”“高精地图与导航”“算法”“仿真”“雷达与多传感器融合”等诸多领域。
而智能汽车的定义是“通过搭载先进传感器等装置,运用人工智能等新技术,具有自动驾驶功能,逐步成为智能移动空间和应用终端的新一代汽车。”在这个定义中,“搭载先进传感器”是智能汽车的重要标签。
传感器
说到传感器,激光雷达、毫米波雷达和摄像头是公认的自动驾驶的三大关键传感器技术。
激光雷达

激光雷达测距原理
从技术上看,激光雷达以激光作为载波,激光是光波波段电磁辐射,波长比微波和毫米波短得多,与其他两者相比具备强大的空间三维分辨能力。是自动驾驶和辅助驾驶领域中,激光雷达是实现环境感知的核心传感器之一;在用于道路信息检测的传感器中,激光雷达在探测距离、精准性等方面,相比毫米波雷达具有一定的优势。
此前以摄像头作为传感器的特斯拉自动驾驶汽车接连出现几起安全事故后,有关研究人员指出,完全的无人驾驶无法脱离激光雷达“眼睛”的庇护。
优点
1. 全天候工作,不受白天和黑夜的光照条件的限制。
2. 激光束发散角小,能量集中,有更好的分辨率和灵敏度。
3. 可以获得幅度、频率和相位等信息,且多普勒频移大,可以探测从低速到高速的目标。
4. 抗干扰能力强,隐蔽性好;激光不受无线电波干扰,能穿透等离子鞘,低仰角工作时,对地面的多路径效应不敏感。
5. 激光雷达的波长短,可以在分子量级上对目标探测且探测系统的结构尺寸可做的很小。
缺点
激光受大气及气象影响大;激光束窄,难以搜索和捕获目标。另外,激光雷达目前面临着技术和成本困扰,受制于种种因素,打造一款能够量产使用的车规级激光雷达难度巨大。
谷歌、奥迪、福特和百度等公司研发的无人驾驶汽车基本都采用了激光雷达。目前,自动驾驶逐渐向产品化、商业化过渡,而且很多车企已经意识到,将完全自动驾驶汽车的部署瞄准自动驾驶出租车这一领域,有可能为最终自动驾驶乘用车的量产铺平道路。

国家智能网联汽车测试区—— — 百度自动驾驶正在进行路测,车顶搭载了禾赛 Pandar 40P 激光雷达
在国外机械式激光雷达市场起步较早,技术较为成熟。相比美国、德国、以色列等开发的激光雷达,虽然国内主攻研发用于无人驾驶汽车的激光雷达的企业并不多,但也有几家创业企业开发的多款核心器件实现了自主开发,自建产线进行机械式激光雷达稳定量产,供应链也有优势的竞争力的产品迅速打入国内外市场,处于世界先进水平。
毫米波雷达
毫米波,其波长为1~10mm,频率为30~300GHz的电磁波。毫米波雷达工作原理与激光雷达类似,通过天线向外发射毫米波,并接收目标反射信号,通过对信号进行对比和处理,最终完成对目标的分类识别。

毫米波雷达主要由收发天线、前端收发组件、信号处理器及算法三个部分组成。
天线
主要用于发射和接收毫米波,由于毫米波波长只有几个毫米,而天线长度为波长1/4时,天线的发射和接收转换效率最高,因此天线尺寸可以做的很小,同时还可以使用多根天线来构成阵列。
目前主流天线方案是采用微带阵列,即在印刷电路PCB板上,铺上微带线,形成“微带贴片天线”,以满足低成本和小体积的需求。
前端收发组件MMIC
这是毫米波雷达的核心部分,主要负责毫米波信号的调制、发射、接收以及回波信号的解调。
收发组件包含了放大器、振荡器、开关、混频器等多个电子元器件,常采用单片微波集成电路(MonolithicMicrowave Integrated Circuit,MMIC)。MMIC,属于半导体集成电路的一种技术,能降低系统尺寸、功率和成本,还能嵌入更多的功能。
信号处理器以及算法
通过芯片嵌入不同的算法,对信号进行处理,实现对探测目标的分类识别。
毫米波的频率介于微波和红外线之间,因此兼有这两种波谱的优点:
1. 与微波相比,具有体积小、质量轻和分辨率高的优点;
2. 与红外、激光相比,穿透烟、雾、灰尘能力强,传输距离远,具有全天候全天时的特点;
3. 性能稳定,不受目标物体形状和颜色的干扰
毫米波雷达很好弥补了红外、激光、摄像头等其他传感器在车载应用中所不具备的使用场景。
争议
大气层中的水汽、氧气等会对电磁波有吸收作用,针对于毫米波的应用主要集中在“大气窗口”和“衰减峰”频率上。
“大气窗口”是指毫米波通过大气层时,衰减比较小、透射率高的波段,主要集中在35GHz、45GHz、94GHz、140GHz、220GHz五个频段附近。
“衰减峰”指的是毫米波衰减出现极大值的波段,集中在60GHz、120GHz、180GHz三个频段附近。
“大气窗口”频段适用于点对点通信,目前已被低空空地导弹和地基雷达采用,而“衰减峰”频段多被一些隐蔽网络所选用,以满足网络安全的要求。
因此,车载毫米波雷达主要集中在24GHz和77GHz这2个频段。其中,24GHz的波长是1.25cm,严格意义来讲,它应该被称为厘米波。24GHz是最早被划分出来作为民用的频段,也是汽车最早就一直使用的频段雷达。77GHz的波长是3.9mm,是真正意义上的毫米波。由于天线尺寸随着载波频率上升而变小,所以77GHz波段的毫米波雷达系统尺寸也会比24GHz更紧凑。
77GHz毫米波雷达正逐步取代24GHz,成为汽车领域主流的传感器。
应用
为了满足不同距离范围的探测需要,一辆汽车上会安装多颗短程(SRR)、中程(MRR)和长程(LRR)毫米波雷达。
其中24GHz雷达主要实现近程(Short Range Radar)和中程探测(Middle Range Radar),可用于汽车盲点监测、车道偏离预警、泊车辅助等功能。
而77GHz雷达主要实现远程探测(Long Range Radar),可用于自动紧急制动、自适应巡航、前向碰撞预警等主动安全领域的功能。

以为奔驰S级轿车为例,其搭载6个毫米波雷达,包括5个短程雷达和1个长程雷达,分别安装在汽车不同部位,以实现泊车辅助、主动巡航控制、制动辅助等功能。
摄像头
得益于图像算法以及比激光雷达和毫米波雷达等传感器更低廉的价格,摄像头更易于普及应用,比如特斯拉采用的Autopilot 2.0的硬件系统中就包含8个摄像头。
类型
车载摄像头的前置摄像头的类型主要包括单目和双摄,其中双目摄像头拥有更好的测距功能,但需要装在两个位置,成本较单目贵50%左右。
环视摄像头的类型是广角镜头,在车四周装配4个进行图像拼接实现全景图,加入算法可实现道路线感知;而后视摄像头的类型是广角或鱼眼镜头,主要为倒车后置镜头。

前视摄像头一般为广角镜头,分为中程摄像头和长程摄像头,安装在车内后视镜上或者前挡风玻璃上较高的位置,以实现较远的有效距离。用于距离中等或更远的场合,如在90米到250米的距离上。能够自动检测行人,骑行者、摩托车、路边黄线、桥梁桥墩、马路牙子交通标识和信号等。
缺点
目前单一的摄像头自动驾驶系统还有一定的缺憾,主要表现在当获取的图像受与外界环境干扰或者混淆时,即使是有图像算法也容易出现误判结果。比如强光条件下,白色的道路线甚至是汽车,会干扰到自驾系统的判断分析;另外,道路线条或者标识出现漆掉时,也会造成判断错误。
总结
在自动驾驶分级中,共分5级,级别越高,人类参与驾驶的程度就越低。以特斯拉的AutoPilot为例,业界划归范围处于L2~L3之间,属于高级辅助驾驶;这种高级辅助驾驶可以帮助人类提升驾驶体验,但依然需要人类在驾驶中处于主导地位。
另外,比亚迪汉也搭载了华为的5G技术,早期将搭载DiPilot智能驾驶辅助系统(包含自动紧急制动辅助系统、前向碰撞预警系统、自适应巡航、单车道集成式巡航、交通拥堵辅助、车道偏离预警系统、车道保持系统、盲区检测、自动泊车、全景影像、遥控驾驶等)。未来通过OTA升级,华为5G技术将应用于比亚迪汉的更多功能。
2025年L3、L4/5渗透率分别有望达到15%、5%,2030年国内自动驾驶出行服务收入规模有望突破万亿。鉴于目前三大传感器还没有明确的阵营,很有可能将激光雷达或者毫米波雷达作为未来L4~L5级自动驾驶的核心传感器之一,将逐步由现在的机械旋转式向成本更低、可靠性更高的全固态化、芯片化的方向发展。同时辅以摄像头及其AI图像分析进行综合探测路况;不管怎么说,单一传感器模式下的自动驾驶系统还达不到综合路况的要求,车用雷达也正在朝着高性能、低成本、芯片化、固态化的方向发展。


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