智能网联汽车技术基础最新版课件-项目二 智能网联汽车环境感知技术

1、环境感知系统整体认知
（2）周边物体：
图2-1-2 Tesla Model S 行车时的环境感知
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周边物体主要包括车辆、行人、地面 上可能影响车辆通过性、安全性的其他各 种移动或静止物体、各种交通标志、交通 信号灯等。如图2-1-2所示，Tesla Model S 行车时，通过中间摄像头的感知，实现 了对前方环境中的车辆、交通标识、车辆 、行人及行车路径的识别。
按载荷平台分类
机载激光雷达和车载激光雷达
按探测方式分类
直接探测激光雷达和 相干探测激光雷达
2、激光雷达原理及应用认知
（1）按扫描方式分类
智能网联汽车环境感知技术
车载激光雷达根据其扫描方式的不同，可分为机械激光雷达和固态激光雷达 。机械激光雷达外表上最大的特点就是有机械旋转机构，如图2-2-2所示。我们 看到的智能网联测试车车顶上较复杂的圆柱形装置，即为机械式激光雷达。
1、环境感知系统整体认知
信息采集单元
视觉传感器 激光雷达 毫米波雷达 超声波雷达 车载自主网络 导航定位装置
信息处理单元
道路识别 车辆识别 行人识别 交通标志识别 交通信号灯识别
图2-1-3 环境感知系统组成
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信息传输单元 显示系统 报警系统 传感器网络
车载自主网络
1、环境感知系统整体认知
理论知识
一、环境感知系统的定义 二、环境感知系统的组成 三、环境感知传感器的类型
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1、环境感知系统整体认知
一、环境感知系统的定义
智能网联汽车环境感知技术
智能网联汽车环境感知系统相当于人的感官神经，利用车载视觉传感器、激 光雷达、毫米波雷达、超声波雷达以及V2X通信技术等获取智能网联汽车周围环境 信息，包括车辆、行人、道路、环境等，以上信息经过车载ECU处理后传输给车 载控制单元，为智能网联汽车的安全行驶提供及时、准确和可靠的决策依据。
2、激光雷达原理及应用认知
智能网联汽车环境感知技术
图2-2-4单线激光雷达
但是，单线雷达只能平面式扫描，不 能测量物体高度，有一定局限性。目前， 主要应用于服务机器人身上，如扫地机器 人。在智能车上，单线激光雷达主要用于 规避障碍物、地形测绘等领域。
2、激光雷达原理及应用认知
图2-2-5多线激光雷达
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多线激光雷达扫描一次可产生多条扫 描线，主要应用于障碍物的雷达成像，相 比单线激光雷达在维度提升和场景还原上 有了质的改变，可以识别物体的高度信息 ，目前市场上多线产品包括4线、8线、16 线、32线、64线等。如图2-2-5所示，为 多线激光雷达扫描的不同类型障碍物的点 云图，包括汽车、人、墙、树木、公交车 和小货车等。
1、环境感知系统整体认知
智能网联汽车环境感知对象主要包括以下几个方面：
（1）行车路径
环境感知对象
（2）周边物体 （3）驾驶状态
（4）驾驶环境
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1、环境感知系统整体认知
智能网联汽车环境感知技术
（1）行车路径：是指车辆可行驶的道路区域，可分为结构化路径和非结构化路径。
a.结构化道路
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表2-1-1 环境感知各传感器性能对比表
优势 劣势 远距离探测能力
视觉传感器
超声波雷达
红外线传感器
激光雷达
毫米波雷达
成本适中。可以分 辨出障碍物的距离 和大小，并区分障
碍物类型。
与人眼一样，会受 到视野范围的影响
。
结构简单、价格便 宜、体积小巧。
会受到天气和温度 变化的影响。最大 测量距离一般只有
2、激光雷达原理及应用认知
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图2-2-2 机械激光雷达
2、激光雷达原理及应用认知
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但这种雷达调试、装配工艺复杂，生产周期长，成本居高不下，并且机械部件寿命不长（约 1000-3000小时），难以满足苛刻的车规级要求（至少1万小时以上）。另外，机械式激光雷达 由于光学结构固定，适配不同车辆往往需要精密调节其位置和角度。因此，激光雷达量产商都在 着手开发性能更好、体积更小、集成化程度更高，并且成本更低的激光雷达。
2、激光雷达原理及应用认知
图2-2-3 固态激光雷达
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固态激光雷达由于不存在旋转的机 械结构，其结构简单、尺寸小，如图22-3所示，所有的激光探测水平和垂直 视角都是通过电子方式实现的，并且装 配调试可以实现自动化，能够量产，成 本大幅降低，设备的耐用性也有效地提 高了，固态激光雷达是必然的技术发展 路线。
2、激光雷达原理及应用认知
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（2）按雷达线数分类
根据线数的多少，激光雷达分为单线激光雷达与多线激光雷达。单线激光雷 达扫描一次只产生一条扫描线，其所获得的数据为2D数据，因此无法区别有关目 标物体的3D信息，如图2-2-4所示。由于单线激光雷达比多线激光雷达在角频率 和灵敏度更快，所以，在测试周围障碍物的距离和精度上都更加精确。
智能网联汽车环境感知技术
三、环境感知传感器的类型
智能网联汽车环境感知传感器主要包括：视觉传感器、激光雷达、毫米波雷 达、超声波雷达和红外传感器。GPS、惯性元件具有环境感知功能，但是主要用 于智能网联汽车的定位与导航系统，本章不做介绍。环境感知各传感器的性能特 点见表2-1-1。
1、环境感知系统整体认知
2、激光雷达原理及应用认知
图2-2-1 Velodyne 激光雷达点云图
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激光雷达采集到的物体信息呈现 出一系列分散的、具有准确角度和距 离信息的点，被称为点云。如图2-2-1 所示，为激光雷达工作过程中的点云 图。
2、激光雷达原理及应用认知
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与传统雷达使用无线电波相比，LiDAR使用激光射线，其射线波长一般在 600~1000nm，远远低于传统雷达所使用的波长。因此，LiDAR在测量物体距离 和表面形状可达到更高的精准度，一般精准度可以达到厘米级。由于激光的传播 受外界环境影响较小，LiDAR能够检测的距离一般可达100m以上。
几米。
低成本。夜间不受 影响。
会受天气条件限制 。只能探测到近距 离的物体。难以识
别出行人。
测距精度高、方向 性强、响应时间快 、不受地面杂波干
扰。 成本很高。不能全 天候工作，遇浓雾 、雨、雪等极端天
气无法工作。
不受天气情况和夜 间的影响。可以探 测到远距离（100 米以上）的物体。 成本较高。行人的 反射波较弱，难以 探测，需与视觉传 感器互补使用。
2、激光雷达原理及应用认知
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二、车载激光雷达的类型
（1）按扫描方式分类
车载激光雷达的类型
（2）按雷达线数分类
（3）其他分类方式
机械激光雷达
固态激光雷达
单线激光雷达
多线激光雷达
按照功能用途分类
激光测距雷达、 激光测速雷达、 激光成像雷达、 大气探测雷达、 跟踪雷达等
按激光发射波形分类 连续型激光雷达和脉冲型激光雷达
结构化道路一般是指高速公路、 城市干道等结构化较好的公路，这类 道路具有清晰的道路标志线，道路的 背景环境比较单一，道路的几何特征 也比较明显，针对它的路径识别主要 包括：行车线、行车路边缘、道路隔 离物。
1、百度文库境感知系统整体认知
b.非结构化道路
智能网联汽车环境感知技术
非结构化道路一般是指城市非主干 道、乡村街道等结构化程度较低的道路 ，这类道路没有车道线和清晰的道路边 界，再加上受阴影和水迹等的影响，道 路区域和非道路区域难以区分，针对它 的路径识别主要包括：路面环境状况的 识别和可行使路径的确认。
智能网联汽车技术基础
项目二 智能网联汽车环境感知技术
任务一 环境感知系统整体认知
任务二 激光雷达原理及应用认知
任务三 任务四 任务五 任务六
毫米波雷达原理及应用认知 超声波雷达原理及应用认知 视觉传感器原理及应用认知 多传感器融合技术认知
1
环境感知系统整体认知
学习目标
智能网联汽车环境感知技术
1. 掌握智能网联汽车环境感知的定义和组成 2. 熟悉环境感知的对象和方法 3. 了解常见环境感知传感器的类型、特点及在智能网联汽车上的应用
智能网联汽车环境感知技术
从表中可以看出，单一传感器都有其局限性，通过单一传感器的感知难以提供智能网联汽车行 驶环境的全面描述。为了克服单一传感器的数据可靠性低、有效探测范围小等局限性，保证在任何 时刻都能为车辆运行提供完全可靠的环境信息，在智能网联汽车中使用传感器融合技术进行环境感 知。利用多传感器信息融合技术对检测到的数据进行分析、综合、平衡，根据各个传感器信息在时 间或空间的冗余或互补特性进行容错处理，扩大系统的时频覆盖范围，增加信息维数，避免单个传 感器的工作盲区，从而得到所需要的环境信息。
2、激光雷达原理及应用认知
智能网联汽车环境感知技术
三、车载激光雷达的基本组成
激光雷达由发射光学系统、接收光学系统、主控及处理电路板、探测器接收 电路模块、激光器及驱动模块组成。图2-2-6、图2-2-7为不同类型的激光雷达内 部结构图。
2
激光雷达原理及应用认知
学习目标
1. 掌握激光雷达的概念和分类 2. 熟悉激光雷达的基本组成和工作原理 3. 了解激光雷达的应用场景
智能网联汽车环境感知技术
理论知识
一、激光雷达的概念 二、车载激光雷达的类型 三、车载激光雷达的基本组成 四、车载激光雷达的工作原理 五、车载激光雷达的应用场景
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2、激光雷达原理及应用认知
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一、激光雷达的概念
激光雷达（Light Detection and Ranging，LiDAR），是一种光学遥感传感 器，它通过向目标物体发射激光，然后根据接收-反射的时间间隔确定目标物体的 实际距离，根据距离及激光发射的角度，通过几何变化推导出物体的位置信息。 激光雷达能够确定物体的位置、大小、外部形貌甚至材质。
2、激光雷达原理及应用认知
智能网联汽车环境感知技术
（3）其他分类方式
此外，激光雷达按照功能用途，可以分为激光测距雷达、激光测速雷达、激 光成像雷达、大气探测雷达和跟踪雷达等；按照按激光发射波形分类可分为连续 型激光雷达和脉冲型激光雷达；按载荷平台分类可分为机载激光雷达，车载激光 雷达等；按探测方式分类可分为直接探测激光雷达和相干探测激光雷达。
2、激光雷达原理及应用认知
智能网联汽车环境感知技术
但是，固态激光雷达在不良天气条件下检测性能较差，不能实现全天候工作。且机械激光雷 达能进行360゜范围的扫描，固态式激光雷达一般为120゜范围的向前扫描。根据技术路线不同， 固态激光雷达又分为光学相控阵OPA（Optical Phased Array）激光雷达、微机电系统MEMS（ Micro-Electro Mechanical Systems）激光雷达和3D Flash激光雷达。
学习小结
智能网联汽车环境感知技术
1. 智能网联汽车环境感知系统利用车载视觉传感器、雷达以及V2X通信技术等获取智能网联汽车 周围环境信息，并将这些信息传输给车载控制单元，为智能网联汽车的安全行驶提供及时、准确 、可靠的决策依据。 2. 环境感知系统包括信息采集单元、信息处理单元及信息传输单元三大模块。 3. 智能网联汽车环境感知对象主要包括：行车路径、周边物体、驾驶状态、驾驶环境。 4. 环境感知系统常用的传感器包括：视觉传感器、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达和红外线 传感器。
强
弱
一般
强
强
夜间工作能力
弱
强
强
强
强
全天候工作能力
弱
弱
弱
弱
强
受气候影响
大
小
大
大
小
1、环境感知系统整体认知
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表2-1-1 环境感知各传感器性能对比表（续表）
烟雾环境工作能力
弱
一般
弱
弱
强
雨雪环境工作能力
一般
强
弱
一般
强
温度稳定性
强
弱
一般
强
强
车速测量能力
弱
一般
弱
弱
强
1、环境感知系统整体认知
1、环境感知系统整体认知
智能网联汽车环境感知技术
（3）驾驶状态：包括驾驶人自身状态、车辆自身行驶状态的识别。 （4）驾驶环境：驾驶环境检测主要包括路面状况、道路交通拥堵情况、天气状 况的识别。
1、环境感知系统整体认知
智能网联汽车环境感知技术
二、环境感知系统的组成
环境感知系统包括信息采集单元、信息处理单元及信息传输单元三大模块，具体组成见图2-13。其中，信息采集单元包括：视觉传感器、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达、车载自组网络 、导航定位装置等；信息处理单元包括：道路识别、车辆识别、行人识别、交通标志识别、交通信 号灯识别；信息传输单元包括：显示系统、报警系统、传感器网络、车载自组网络等。