【摘" 要】本文主要分析智能網(wǎng)聯(lián)汽車的自動駕駛功能在應(yīng)對復(fù)雜的外部交通環(huán)境時，采用的各類智能傳感器技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)優(yōu)勢與局限性，著重分析超聲波雷達、毫米波雷達、激光雷達、視覺傳感器、衛(wèi)星通信技術(shù)、V2X技術(shù)、5G通信技術(shù)在智能汽車感應(yīng)近程交通狀況與遠程交通狀況信息時的重要作用，并分析單車智能在行車安全中的缺陷及解決方法。

【關(guān)鍵詞】智能網(wǎng)聯(lián)汽車；雷達；視覺傳感器；衛(wèi)星通信技術(shù)；V2X技術(shù) ；5G通信技術(shù)

中圖分類號：U463.6" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2022 ）12-0001-03

Application Scenario Analysis of Environmental-aware Technology for Intelligent Connected Vehicle*

LU Ren-ding

（Changzhou College of Information Technology，Changzhou 213164，China）

【Abstract】This paper analyzes the advantages and limitations of various kinds of intelligent sensor technology and network communication technology used by Intelligent Connected Vehicles when realizing autonomous driving function and coping with complex external traffic environment. The importance of ultrasonic radar，millimeter wave radar，lidar，vision sensor，satellite communication technology，V2X technology and 5G communication technology is emphatically analyzed when intelligent vehicles sense short-range traffic conditions and long-range traffic conditions，the defects and solutions of individual vehicle intelligence in driving safety are analyzed.

【Key words】intelligent connected vehicle；radar；vision sensor；satellite communications technology；V2X technology；5G communication technology

1" 前言

智能網(wǎng)聯(lián)汽車終極目標是實現(xiàn)汽車的自動駕駛，汽車在自動駕駛過程中，需要感知異常復(fù)雜的各類交通目標，包括車輛自身位置及狀態(tài)、道路、車輛、行人、各種靜態(tài)或動態(tài)障礙物、交通標志物及交通信息等。為了實現(xiàn)這一目標，智能網(wǎng)聯(lián)汽車必須配備具有高精尖技術(shù)含量的各類智能環(huán)境傳感器及感知網(wǎng)絡(luò)，本文嘗試從兩大類不同的實際使用場景出發(fā)，分析智能網(wǎng)聯(lián)汽車主要智能傳感器及無線通信技術(shù)的使用特性及適用范圍。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車在智能輔助駕駛或自動駕駛過程中，需要探測感知的主要數(shù)據(jù)包括3種：汽車近程外部環(huán)境信息、汽車自身定位及運動參數(shù)數(shù)據(jù)、車載網(wǎng)絡(luò)通信感知的遠程外部環(huán)境信息，準確獲取這3種數(shù)據(jù)信息為汽車實現(xiàn)智能輔助駕駛甚至自動駕駛提供有力的保障。

2" 汽車近程外部環(huán)境感知技術(shù)

智能網(wǎng)聯(lián)汽車近程感知范圍大概在300m范圍之內(nèi)，一般情況下，只要能實時并準確獲取300m范圍內(nèi)所有對汽車行駛安全產(chǎn)生威脅的障礙物信息以及交通信號和道路信息，就能實現(xiàn)安全智能駕駛，在這種實際應(yīng)用場景下，一般采用雷達系統(tǒng)和視覺感知系統(tǒng)聯(lián)合感知。其中雷達感知系統(tǒng)主要功能為探測障礙物的方位及距離信息，目前市場主流的雷達感知系統(tǒng)分為三大類，即超聲波雷達、毫米波雷達、激光雷達。這三類雷達的探測距離、探測精度、成本各不相同，因其各自的優(yōu)勢，在車載雷達市場都占據(jù)了一席之地。

2.1" 超聲波雷達

如圖1所示，常用的車載超聲波雷達[1]傳感器信號頻率大約為40kHz左右，其實質(zhì)為一個將聲音信號與交變電信號相互轉(zhuǎn)化的一種裝置，其結(jié)構(gòu)組成為聲波信號發(fā)射器、聲波信號接收器及信號處理芯片。其原理非常簡單，汽車與障礙物的距離為發(fā)射聲波與接收聲波時間間隔乘以聲音在空氣中傳播速度再除以2。

超聲波電功率小，探測距離短，一般在5～10m范圍內(nèi)，但是超聲波傳感器最大的優(yōu)點是成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單小巧且抗干擾能力很強，對色彩、光照、電磁場不敏感，可有效識別透明障礙物及漫反射差的障礙物，在夜間、灰塵煙霧、強電磁干擾及有毒惡劣環(huán)境中工作可靠?；谝陨咸攸c及成本考慮，超聲波傳感器特別適用于自動泊車輔助雷達系統(tǒng)及停車距離控制雷達系統(tǒng)。

2.2" 毫米波雷達

毫米波本質(zhì)是波長1～10mm（頻率30～300GHz）的電磁波，傳播速度是光速，如圖2所示，毫米波雷達[2]主要分為脈沖式毫米波雷達與調(diào)頻連續(xù)式毫米波雷達，前一種用來測量汽車與障礙物距離，其測距原理與超聲波雷達類似，后一種采用多普勒效應(yīng)測量障礙物目標的速度。目前主流的毫米波頻段為24GHz與77GHz。其中，77G毫米波雷達相比24G毫米波雷達具有更高能量，其探測距離更遠，24G毫米波雷達一般應(yīng)用于汽車尾探測和側(cè)探測，探測距離大約60m，77G毫米波雷達一般用于汽車前探測，探測距離大約200m，當然，77G毫米波雷達的成本更高。毫米波雷達探測距離遠，成本適中，比激光雷達成本低很多，且與超聲波雷達類似，抗電磁干擾能力強，惡劣交通環(huán)境適應(yīng)性強，因此，毫米波雷達特別適用于高速行駛汽車的安全控制，具體應(yīng)用實例為車載自適應(yīng)巡航系統(tǒng)、車輛自動緊急制動、車輛向前碰撞預(yù)警、車輛變道輔助、駕駛員視覺盲區(qū)監(jiān)測、行人等移動障礙物監(jiān)測。

2.3" 激光雷達

顧名思義，如圖3所示，激光雷達[3]是一種發(fā)射激光束探測障礙物距離、位置、速度等特征量的雷達系統(tǒng)，分為單線與多線激光雷達，機械式激光雷達或固態(tài)激光雷達，其最強大之處為以汽車為中心，采用激光束掃描的技術(shù)手段建立周圍300m范圍內(nèi)所有障礙物的三維坐標位置信息，且具有較高分辨率，即距離分辨率約0.1m，速度分辨率約為10m/s，角度分辨率可達0.1mard，并且可以同時追蹤多個目標，最終生成多目標運動特性三維點陣圖像，如圖4所示。這種精確且無障礙物遺漏的探測手段是毫米波雷達無法比擬的。激光雷達結(jié)合高精度地圖與GPS或北斗系統(tǒng)，對行駛車輛定位都有無可比擬的定位精度與穩(wěn)定性。但其缺點也很明顯，激光雷達體積大，成本遠遠高于毫米波雷達，且由于激光特性，極易受到天氣狀態(tài)、灰塵煙霧等環(huán)境因素的影響，大大限制了車載激光雷達的使用。

2.4" 3種雷達的特點

前述3種雷達在各自的成本及探測性能方面都各具特點及優(yōu)勢，可以在保證汽車合理的成本條件下做到優(yōu)勢互補。超聲波雷達以其低廉的成本和強大的抗干擾能力在汽車10m范圍障礙物探測中起到極其重要作用，例如車載泊車系統(tǒng)；毫米波雷達在高速行駛汽車百米以上距離兼具成本較低及障礙物探測靈敏特性；激光雷達在障礙物探測精度及靈敏度方面最具優(yōu)勢，如果能進一步降低成本，將是未來智能汽車行車安全的最佳保障。但是不可否認，3種雷達系統(tǒng)雖然在障礙物探測方面各具優(yōu)勢，但缺點也非常明顯，即無法識別交通標志及交通信號燈，而視覺傳感器可以有效解決雷達系統(tǒng)的這個缺陷，在圖像識別領(lǐng)域獨具優(yōu)勢。

2.5" 視覺傳感器

視覺傳感器[4]實質(zhì)是光學(xué)成像裝置，即攝像頭，品類多樣，一般按照其監(jiān)測方位來劃分，分為前視攝像頭、后視攝像頭、側(cè)視攝像頭、內(nèi)視攝像頭。如圖5所示，視覺傳感器在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的主要功能為車道線識別、輔助雷達系統(tǒng)進行障礙物監(jiān)測、交通標志及地面標志識別、交通信號燈識別、汽車可通行空間檢測。

綜上所述，為了有效識別復(fù)雜的交通環(huán)境信息，在汽車300m范圍內(nèi)近程外部環(huán)境感知技術(shù)市場，綜合考慮成本及性能因素，目前主流的智能網(wǎng)聯(lián)汽車配置方案為“激光雷達加攝像頭”與“毫米波雷達加攝像頭”兩種方案。

3" 汽車遠程外部環(huán)境感知技術(shù)

前述車載雷達系統(tǒng)與視覺傳感器主要針對汽車300m近程范圍內(nèi)障礙物及行車相關(guān)交通信息的探測，但是幾公里之外的遠程交通狀況無法感知，如幾公里之外的交通事故或遠程路段山體滑坡等信息。此時，智能網(wǎng)聯(lián)汽車需要獲知兩種信息，第一種是汽車自身的定位信息及運動參數(shù)信息，第二種是通過通信技術(shù)獲取的遠程緊急交通狀況信息。智能汽車只有在獲取自身精準定位的前提下，通過通信技術(shù)獲得的遠程緊急交通狀況信息才對行車安全具有實際指導(dǎo)意義。

目前汽車定位信息感知主要通過衛(wèi)星系統(tǒng)如GPS或北斗BDS衛(wèi)星系統(tǒng)獲得，但衛(wèi)星信號易被汽車行車過程中的高樓大廈或地下隧道屏蔽，此時需要慣性導(dǎo)航位置感知裝置IMU[5]對暫時失去衛(wèi)星定位信息的汽車進行航跡推算，與激光雷達配合，能實時推算出汽車當前的位置、速度、姿態(tài)等運動參數(shù)信息，能有效提高汽車定位精度。如圖6所示，目前市場主流的汽車定位方案即為“導(dǎo)航衛(wèi)星加IMU慣導(dǎo)裝置”，但此解決方案也存在弱點，即如果汽車衛(wèi)星定位信號被屏蔽時間過長，較長時間依靠IMU來推算汽車定位數(shù)據(jù)，會出現(xiàn)定位數(shù)據(jù)累計誤差。

智能汽車獲取遠程緊急交通狀況信息的有效技術(shù)手段為5G通信、云平臺服務(wù)器及V2X通信技術(shù)[6]。如圖7所示，V2X技術(shù)主要指V2V和V2I，V2V技術(shù)指的是車輛與車輛之間建立臨時局域網(wǎng)共享交通信息，V2I技術(shù)指的是路側(cè)雷達傳感器或路側(cè)攝像頭為智能網(wǎng)聯(lián)汽車實時或者極微延遲地提供汽車本身受地理環(huán)境因素所無法獲取的交通信息，如前方拐彎路段的障礙物運動參數(shù)，華為5G高速帶寬為V2X技術(shù)的實現(xiàn)提供了良好的通信基礎(chǔ)。5G通信技術(shù)與城市交通管理中心云平臺服務(wù)器結(jié)合，能及時向智能汽車傳送遠程的交通緊急狀況信息，使智能汽車能合理規(guī)劃路徑并有效規(guī)避危險，解決了車載雷達與視覺系統(tǒng)無法獲取遠程交通緊急狀況信息的缺陷。此技術(shù)的本質(zhì)為突破單車智能信息處理能力即算力有限，獲取交通信息渠道有限、獲取交通狀況信息不全面，對復(fù)雜交通狀況缺乏預(yù)判性與先見性的局限性，利用國家先進的網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施，完成單車智能與群體智能融合，達成“聰明的車”與“智慧的路”相結(jié)合的目標，真正實現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車自動駕駛功能，并進一步促進交通智能管理能力的提升。

4" 結(jié)論

文章對比分析了各類雷達傳感器、視覺傳感器、各類無線通信技術(shù)在汽車外部近程環(huán)境感知與遠程環(huán)境感知中各自的優(yōu)勢與缺陷，論證了在各種復(fù)雜交通狀況中，必須因地制宜地采用不同傳感器與通信技術(shù)的有機結(jié)合才能有效解決智能駕駛汽車的障礙物識別與行車安全問題。同時闡明了單車智能的局限性，強調(diào)了車路協(xié)同系統(tǒng)與智能交通網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)對自動駕駛汽車行車安全的重要作用。

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（編輯" 章" 子）