張宏賓

摘 要：近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與科技發(fā)展日新月異，現(xiàn)代人在網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)與科學(xué)技術(shù)的幫助下，生活越來(lái)越便利，我國(guó)現(xiàn)在居民的汽車(chē)擁有總量在不斷上升，漸漸的人們不再滿(mǎn)足于擁有普通汽車(chē)，還想要不需要人工駕駛的汽車(chē)，而傳感器技術(shù)的出現(xiàn)讓無(wú)人駕駛汽車(chē)成為現(xiàn)實(shí)。本文將圍繞無(wú)人駕駛汽車(chē)的發(fā)展現(xiàn)狀，談?wù)剛鞲衅骷夹g(shù)是如何在無(wú)人駕駛汽車(chē)中發(fā)揮作用的。

關(guān)鍵詞：傳感器技術(shù);無(wú)人駕駛汽車(chē);應(yīng)用

引 言

隨著經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，人們的購(gòu)買(mǎi)力普遍提升，路面上的汽車(chē)越來(lái)越多，交通越來(lái)越擁擠，交通事故發(fā)生的概率也大大提高，為此，人們開(kāi)始思索如果能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人駕駛，會(huì)不會(huì)大大減少交通事故，緩解交通問(wèn)題？早在二十世紀(jì)五十年代，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始了對(duì)于無(wú)人駕駛汽車(chē)的研究，我國(guó)的國(guó)防科技大學(xué)在1992年研制出了我國(guó)的第一輛無(wú)人汽車(chē)，如今我國(guó)的無(wú)人駕駛出租車(chē)已經(jīng)進(jìn)入了測(cè)試階段，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)無(wú)人駕駛汽車(chē)將會(huì)投入運(yùn)營(yíng)，而傳感器技術(shù)，就是無(wú)人駕駛汽車(chē)的核心技術(shù)。

一、傳感器技術(shù)與無(wú)人駕駛汽車(chē)

隨著工業(yè)的發(fā)展，傳感器在工業(yè)領(lǐng)域的用途越來(lái)越廣泛，如汽車(chē)、機(jī)械、自動(dòng)化、交通信息等，尤其是近幾年無(wú)人駕駛汽車(chē)發(fā)展迅速，傳感器技術(shù)的進(jìn)步對(duì)無(wú)人駕駛汽車(chē)的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。在無(wú)人駕駛汽車(chē)中，傳感器代替駕駛員實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、道路避障、導(dǎo)航和無(wú)線(xiàn)通信功能。傳感器與無(wú)人駕駛汽車(chē)有著密不可分的聯(lián)系，國(guó)內(nèi)外將傳感器技術(shù)的發(fā)展作為無(wú)人駕駛汽車(chē)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)，無(wú)人駕駛技術(shù)的發(fā)展受限于傳感器技術(shù)的發(fā)展。無(wú)人駕駛汽車(chē)中的傳感器技術(shù)傳感器在無(wú)人駕駛汽車(chē)中相當(dāng)于人類(lèi)的神經(jīng)感知系統(tǒng)，傳感器、導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS 定位系統(tǒng)是無(wú)人駕駛汽車(chē)的三個(gè)重要組成部分。目前無(wú)人駕駛汽車(chē)中最常應(yīng)用的傳感器技術(shù)包括攝像頭、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)和激光雷達(dá)[1]。

二、無(wú)人駕駛汽車(chē)中常用傳感器簡(jiǎn)介

（一）攝像頭

無(wú)人駕駛汽車(chē)用所運(yùn)用到的傳感器技術(shù)又可以分為視覺(jué)傳感器和激光雷達(dá)傳感器，攝像頭就是無(wú)人駕駛汽車(chē)中的視覺(jué)傳感器，攝像頭就相當(dāng)于是傳統(tǒng)駕駛方式中駕駛員的眼睛，傳統(tǒng)駕駛方式下，是駕駛員通過(guò)眼睛獲取信息來(lái)判斷外界的天氣，周?chē)?chē)的運(yùn)行軌跡和周邊車(chē)輛運(yùn)行速度，從而保證汽車(chē)的安全行駛，為了保證無(wú)人駕駛汽車(chē)能夠更加安全的運(yùn)行，攝像頭必須要盡量具備高質(zhì)量的成像質(zhì)量和較高水平的圖形輸出速度。無(wú)人駕駛汽車(chē)中常用到的攝像頭包括單目相機(jī)、雙目相機(jī)和全景相機(jī)。

首先我們來(lái)看一下單目相機(jī)在無(wú)人駕駛汽車(chē)中的應(yīng)用。單目相機(jī)的工作原理是通過(guò)利用光學(xué)系統(tǒng)與成像器材結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)圖像輸出，它可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)光積分時(shí)間，自動(dòng)平衡畫(huà)質(zhì)和實(shí)時(shí)輸出圖像，滿(mǎn)足無(wú)人駕駛汽車(chē)的需要。

接著我們來(lái)看一下雙目相機(jī)?？茖W(xué)家們從人類(lèi)有兩只眼睛中得到靈感，利用人來(lái)兩只眼睛的視差原理并結(jié)合成像設(shè)備從不同位置獲取被測(cè)物體的兩幅圖像發(fā)明了雙目相機(jī)，應(yīng)用在無(wú)人駕駛汽車(chē)中，雙目相機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)h(huán)境的三維成像，之后就可以利用其他設(shè)備將雙目相機(jī)所獲取的成像信息進(jìn)一步處理，使得無(wú)人駕駛汽車(chē)獲取到更立體的圖像，讓無(wú)人駕駛更安全。

最后我們來(lái)看一下全景相機(jī)，全景相機(jī)目前已經(jīng)是無(wú)人駕駛汽車(chē)對(duì)于視覺(jué)傳感器的首要選擇，它由六個(gè)完全相同的相機(jī)組成，所以它可以實(shí)現(xiàn)360度全景同時(shí)成像，同時(shí)將六個(gè)相機(jī)所成的像拼接在一起并進(jìn)行矯正，它還能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行識(shí)別處理，為無(wú)人駕駛汽車(chē)提供更清晰和全面的圖像信息。

（二）毫米波雷達(dá)傳感器

毫米波雷達(dá)傳感器屬于無(wú)人駕駛汽車(chē)中常被運(yùn)用到的雷達(dá)傳感器中的一種，顧名思義，毫米波雷達(dá)傳感器主要是利用毫米波來(lái)工作，毫米波的波長(zhǎng)比厘米波短，但是比光波長(zhǎng)（毫米波波長(zhǎng)：1～10mm;厘米波波長(zhǎng)：1～10cm;光波波長(zhǎng)0.3～3微米），它既有厘米波微波制導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)，又有光電制導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)，毫米波雷達(dá)具有體積小、容易集成和空間分辨率高的特點(diǎn)，同時(shí)，它還可以輕易穿透煙霧和灰塵，所以在無(wú)人駕駛汽車(chē)中運(yùn)用毫米波雷達(dá)，可以讓汽車(chē)在大霧天氣和沙塵暴天氣等極端天氣下正常行駛，保證汽車(chē)的安全性。常被用于汽車(chē)防撞的24GHz雷達(dá)傳感器和77GHz雷達(dá)傳感器都屬于毫米波傳感器[2]。

（三）超聲波雷達(dá)傳感器

超聲波雷達(dá)傳感器也是無(wú)人駕駛汽車(chē)中常用的一種傳感器，超聲波雷達(dá)也叫倒車(chē)?yán)走_(dá)，也被人們稱(chēng)之為泊車(chē)輔助裝置。無(wú)論是普通汽車(chē)還是無(wú)人駕駛汽車(chē)，都能運(yùn)用到這種雷達(dá)傳感器，它的作用是在汽車(chē)駐車(chē)或者是倒車(chē)時(shí)對(duì)汽車(chē)進(jìn)行安全輔助，在普通汽車(chē)中，它可以通過(guò)聲音等較為直觀的方式告知駕駛員周?chē)恼系K物分布情況，這樣駕駛員就不必再倒車(chē)時(shí)左右張望來(lái)分散駕駛注意力，同時(shí)還可以幫助駕駛員注意到一些駕駛員視野外的死角，從而減少事故的發(fā)生率。在無(wú)人駕駛汽車(chē)中，雖然不用將周?chē)系K物情況等信息告知駕駛員，但是必須要通過(guò)超聲波雷達(dá)來(lái)將相關(guān)信息反饋給汽車(chē)的及時(shí)控制系統(tǒng)，從而保證汽車(chē)的倒車(chē)安全。超聲波傳感器的工作原理是利用超聲波裝置發(fā)出超聲波，聲波遇到障礙物會(huì)將聲波反射回來(lái)，從而計(jì)算出車(chē)體與障礙物之間的距離，讓無(wú)人駕駛的汽車(chē)在沒(méi)有駕駛員的情況下，同樣能和周?chē)?chē)輛以及周邊障礙物保持一定的距離，而且從一定程度上來(lái)說(shuō)，應(yīng)用超聲波傳感器的無(wú)人駕駛汽車(chē)要比有人駕駛汽車(chē)更安全，因?yàn)槌暡ㄒ话闱闆r來(lái)講是不會(huì)出錯(cuò)的，但是卻有很多的因素可以影響駕駛員駕駛，比如駕駛員的情緒、駕駛員的身體狀況以及精神狀態(tài)等等。

（四）激光雷達(dá)傳感器

激光雷達(dá)傳感器是未來(lái)自動(dòng)駕駛的核心傳感器技術(shù)之一，因?yàn)榧す饫走_(dá)不僅功能強(qiáng)大，而且它的造價(jià)成本在未來(lái)也有希望大幅度降低，激光雷達(dá)最早是應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，它通過(guò)發(fā)射激光就可以確定目標(biāo)的位置和速度等信息，激光雷達(dá)的工作原理是向目標(biāo)發(fā)射激光束，然后再接受反射回來(lái)的激光束，之后將發(fā)出去的信息與反射回來(lái)的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，在其他系統(tǒng)的幫助下，就可以確定目標(biāo)信息了，像是障礙物距離、方位、速度、高度等信息都可以獲得，獲得這些信息后，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)、追蹤、躲避等目的。激光雷達(dá)主要由四部分組成，即激光發(fā)射臺(tái)、光學(xué)接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)和信息處理系統(tǒng)，在無(wú)人駕駛汽車(chē)中，激光器首先會(huì)將電脈沖轉(zhuǎn)變成光的形式發(fā)射出去，然后光接收機(jī)再將反射回來(lái)的光還原為電脈沖，最后顯示器再將反射回來(lái)的電脈沖呈現(xiàn)出來(lái)，激光雷達(dá)可以為自動(dòng)駕駛汽車(chē)提供高分辨率的輻射強(qiáng)度幾何圖形、距離圖像和速度圖像，它的測(cè)距測(cè)速和三維建模功能都十分強(qiáng)大，如果你在路上看到一輛自動(dòng)駕駛的汽車(chē)，車(chē)頂有一個(gè)不斷旋轉(zhuǎn)的柱形物體，那就是無(wú)人駕駛汽車(chē)的激光雷達(dá)傳感器，它在通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)來(lái)獲得周?chē)臻g的各種數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)繪制車(chē)輛周?chē)h(huán)境的三維空間地圖[3]。

三、傳感器融合技術(shù)

無(wú)人駕駛汽車(chē)中的視覺(jué)傳感器相當(dāng)于駕駛員的眼睛，而超聲波雷達(dá)傳感器和激光雷達(dá)傳感器等雷達(dá)傳感器就相當(dāng)于駕駛員的觸覺(jué)以及神經(jīng)，只有將多種傳感器技術(shù)聯(lián)合運(yùn)用，才能讓無(wú)人駕駛汽車(chē)的性能更好，駕駛過(guò)程更安全，所以，無(wú)人駕駛汽車(chē)中的傳感器融合技術(shù)同樣很重要。傳感器的融合要利用好計(jì)算機(jī)技術(shù)，因?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)可以將多個(gè)傳感器手機(jī)的信息進(jìn)行整合與處理，將數(shù)據(jù)分析整合后可以得到更精準(zhǔn)而全面的信息，從而達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)上的最優(yōu)效果[4]。各種傳感器的性能存在差異，比如毫米波雷達(dá)的分辨率比激光雷達(dá)的分辨率要低，所以在信息整合的時(shí)候，就可以舍棄毫米波的數(shù)據(jù)信息，采用激光雷達(dá)的分辨率信息，提高傳感器的融合技術(shù)，可以發(fā)揮各種傳感器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，從而為無(wú)人駕駛汽車(chē)提供更精確的信息數(shù)據(jù)，達(dá)到一加一大于二的效果。

四、當(dāng)前傳感器在無(wú)人駕駛汽車(chē)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及應(yīng)用案例

（一）特斯拉的無(wú)人駕駛

特斯拉的無(wú)人駕駛汽車(chē)中，陀螺儀可以識(shí)別汽車(chē)行駛的方向，GPS天線(xiàn)可以通過(guò)發(fā)射信號(hào)與接受信號(hào)來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)定位，車(chē)頂有3D激光檢測(cè)儀，特斯拉的激光雷達(dá)是16線(xiàn)的，用于檢測(cè)道路上前方車(chē)輛和行人的速度、方向和距離，檢測(cè)周邊建筑物的方向和距離，車(chē)體前方還會(huì)配置攝像頭，同樣是用來(lái)檢測(cè)道路障礙物的，車(chē)頭正前方裝有毫米波傳感器，用于檢測(cè)100米以外的障礙物，100米以?xún)?nèi)的它檢測(cè)不到，所以會(huì)由其他傳感器負(fù)責(zé)，特斯拉中也裝有倒車(chē)?yán)走_(dá)，專(zhuān)門(mén)用來(lái)檢測(cè)近處的障礙物，無(wú)人駕駛的同時(shí)，車(chē)輛必須由多臺(tái)電腦進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。以上就是特斯拉無(wú)人駕駛汽車(chē)中的基本傳感器技術(shù)的應(yīng)用[5]。

（二）無(wú)人駕駛公交車(chē)

2020年，中國(guó)首輛無(wú)人駕駛公交車(chē)在山東濟(jì)南進(jìn)行了首次公開(kāi)測(cè)試，無(wú)人駕駛公交車(chē)同普通公交車(chē)看起來(lái)并沒(méi)有什么差別，雖然配有司機(jī)座位，不過(guò)司機(jī)的作用不是用來(lái)駕駛，而是監(jiān)測(cè)公交車(chē)的安全運(yùn)行，司機(jī)座位后方是一個(gè)白色的箱狀物體，相當(dāng)于整個(gè)公交車(chē)的大腦，車(chē)頭上配有幾個(gè)傳感器，來(lái)感知路上的信息，并將信息傳輸?shù)桨咨珯C(jī)器內(nèi)，機(jī)器再通過(guò)計(jì)算來(lái)給公交車(chē)做出指令[6]。此外，公交車(chē)中還應(yīng)用了車(chē)聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，使得車(chē)與人、車(chē)與路、車(chē)與云之間更夠進(jìn)行無(wú)線(xiàn)信息交互，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)、路、人和云的協(xié)同，無(wú)人駕駛的公交車(chē)相比普通公交車(chē)，更加的平穩(wěn)和快捷，尤其是在拐彎和遇到障礙物的時(shí)候，公交車(chē)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)狀況，并迅速做出反應(yīng)，使車(chē)輛能夠始終平穩(wěn)運(yùn)行。目前我國(guó)的無(wú)人駕駛公交車(chē)主要是在一些特定區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，不過(guò)也有小批量在天津投入了運(yùn)營(yíng)，這意味著中國(guó)重汽在智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化道路上已經(jīng)取得了重大突破，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，隨著技術(shù)的不斷更新與發(fā)展，無(wú)人駕駛公交車(chē)將完全占領(lǐng)市場(chǎng)。

（三）無(wú)人駕駛技術(shù)與5G的結(jié)合

人們預(yù)測(cè)華為的5G技術(shù)將會(huì)是中國(guó)超越美國(guó)的重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)，5G技術(shù)可以同多個(gè)領(lǐng)域聯(lián)合發(fā)揮作用，而5G技術(shù)與傳感器技術(shù)的聯(lián)合使用，將使我國(guó)的無(wú)人駕駛汽車(chē)獲得很大程度的發(fā)展。5G技術(shù)的應(yīng)用甚至可以讓北京的醫(yī)生可以在北京的手術(shù)室內(nèi)為西部偏遠(yuǎn)地區(qū)的病人做手術(shù)，還能達(dá)到一個(gè)面對(duì)面的效果，那么通過(guò)遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)完全的無(wú)人駕駛就更容易實(shí)現(xiàn)了，5G通過(guò)聯(lián)合傳感器技術(shù)，無(wú)人駕駛汽車(chē)能夠更加準(zhǔn)確的識(shí)別路線(xiàn)，實(shí)時(shí)對(duì)其他車(chē)輛、行人、障礙物和突發(fā)狀況做出反應(yīng)，及時(shí)控制車(chē)輛躲避可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)。5G技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程控制讓以前人們不敢想的事情成為可能[7]。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，無(wú)人駕駛技術(shù)設(shè)計(jì)多個(gè)領(lǐng)域技術(shù)的研究，其中傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛的必備技術(shù)，傳感器技術(shù)可以清晰的感知車(chē)輛外環(huán)境和周?chē)挛锏男畔?，并將這些信息準(zhǔn)確的反饋給無(wú)人駕駛的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)分析與計(jì)算后，就可以指示車(chē)輛做出正確的反應(yīng)對(duì)策，當(dāng)前我國(guó)在傳感器技術(shù)的依托下，無(wú)人駕駛技術(shù)已經(jīng)獲得了很好的發(fā)展，隨著5G技術(shù)的應(yīng)用，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，我國(guó)將實(shí)現(xiàn)車(chē)輛完全自動(dòng)駕駛。

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