自動(dòng)駕駛的兩個(gè)重要傳感器介紹

隨著汽車自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于MEMS傳感器的需求也在快速增長(zhǎng)，這些傳感器被應(yīng)用去汽車的安全、性能相關(guān)的領(lǐng)域，本文將會(huì)介紹對(duì)于自動(dòng)駕駛非常重要的激光雷達(dá)和視覺(jué)圖像傳感器。

市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)IHS Markit預(yù)計(jì)2016年該領(lǐng)域市場(chǎng)規(guī)模為28億美元，2015年～2022年期間，汽車應(yīng)用的MEMS市場(chǎng)的復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)6.9％，2022年將增長(zhǎng)至32億美元。

過(guò)去幾年，MEMS傳感器在強(qiáng)制安全系統(tǒng)中獲得了穩(wěn)定的市場(chǎng)，如電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)和胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在2015年期間的新款汽車中已經(jīng)獲得普及。獲益的MEMS供應(yīng)商包括陀螺儀、壓力傳感器、加速度計(jì)以及前排和側(cè)面安全氣囊傳感器等。此外，汽車引擎應(yīng)用的MEMS器件也正在穩(wěn)定增長(zhǎng)，主要來(lái)自于日益增長(zhǎng)的引擎管理和尾氣處理應(yīng)用。據(jù)麥姆斯咨詢消息，這些領(lǐng)域的MEMS出貨量到2019年將達(dá)到13.4億顆，2013年時(shí)這一數(shù)字為10.8億顆。

激光雷達(dá)

LiDAR系統(tǒng)使用的是旋轉(zhuǎn)激光束。寶馬、谷歌、日產(chǎn)和蘋(píng)果的無(wú)人駕駛試驗(yàn)車用的就是這項(xiàng)技術(shù)。但要想在量產(chǎn)車上應(yīng)用，價(jià)格必須大幅下降。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，再過(guò)幾年這個(gè)目標(biāo)就能實(shí)現(xiàn)。

激光雷達(dá)工作原理（圖片來(lái)自Velodyne）

激光雷達(dá)的工作原理是通過(guò)發(fā)射和接收激光束來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在其內(nèi)部，每一組組件都包含一個(gè)發(fā)射單元與接收單元。上圖的Velodyne使用了旋轉(zhuǎn)鏡面的設(shè)計(jì)。

這套發(fā)射/接收組件和旋轉(zhuǎn)鏡面結(jié)合在一起，能掃描至少一個(gè)平面。鏡面不只反射二極管發(fā)出去的光，而且也能把反射回來(lái)的光再反射給接收器。通過(guò)旋轉(zhuǎn)鏡面，能夠?qū)崿F(xiàn) 90到180度的視角，并且大大降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造的復(fù)雜度，因?yàn)殓R面是這里面唯一的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

脈沖光以前被用于探測(cè)距離。探測(cè)距離的原理是基于光返回的時(shí)間，激光二極管發(fā)出脈沖光，脈沖光照射到目標(biāo)物后反射一部分光回來(lái)，在二極管附近安裝一個(gè)光子探測(cè)器，它可以探測(cè)出返回來(lái)的信號(hào)，通過(guò)計(jì)算發(fā)射和探測(cè)的時(shí)間差就可以計(jì)算出目標(biāo)物的距離。脈沖距離測(cè)量系統(tǒng)一旦被激活就能收集到大量的點(diǎn)云。

如果點(diǎn)云中有目標(biāo)物，目標(biāo)物就會(huì)在點(diǎn)云中呈現(xiàn)出一個(gè)陰影。通過(guò)這個(gè)陰影可以測(cè)量出目標(biāo)物的距離和大小。通過(guò)點(diǎn)云可以生成周圍環(huán)境的3D圖像。點(diǎn)云密度越高，圖像越清晰。

視覺(jué)圖像傳感器

現(xiàn)在一個(gè)很廣泛的應(yīng)用是將2D激光雷達(dá)與視覺(jué)傳感器相結(jié)合，不過(guò)相比于激光雷達(dá)，視覺(jué)傳感器低成本的特性，也讓其成為了在自動(dòng)駕駛解決方案中不可或缺的存在。

通過(guò)視覺(jué)傳感器的圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行感知，對(duì)于自動(dòng)駕駛而言，除了知道在什么位置存在什么物體/行人之外，進(jìn)而像車輛發(fā)出減速剎車等指令來(lái)避免事故這一功能之外，是以圖像識(shí)別為基礎(chǔ)，能夠理解當(dāng)前的駕駛場(chǎng)景，并學(xué)會(huì)處理突發(fā)事件。

視覺(jué)傳感器工作流程如果說(shuō)激光雷達(dá)的難度在于如何讓其性能能夠滿足自動(dòng)駕駛導(dǎo)航的需求，那么攝像頭的難度則在于從感知拔高到認(rèn)知的這一過(guò)程。

以人眼來(lái)進(jìn)行類比的話，人類駕駛員在看到行人或車輛之后，會(huì)基于看到的景象對(duì)行人或車輛的下一步行動(dòng)有個(gè)預(yù)判，并根據(jù)預(yù)判來(lái)控制車輛。自動(dòng)駕駛車同樣需要這個(gè)「預(yù)判」的過(guò)程，而攝像頭就起到觀察的作用。自動(dòng)駕駛汽車必須能夠?qū)噧?nèi)人員、車外行人、車附近人們的行為進(jìn)行觀察、理解、建模、分析和預(yù)測(cè)。