超聲波雷達(dá)

超聲波雷達(dá)又名倒車?yán)走_(dá)。常見的超聲波雷達(dá)有兩種。第一種是安裝在汽車前后保險(xiǎn)杠上的，也就是用于測(cè)量汽車前后障礙物的倒車?yán)走_(dá)，這種雷達(dá)業(yè)內(nèi)稱為UPA；第二種是安裝在汽車側(cè)面的，用于測(cè)量側(cè)方障礙物距離的超聲波雷達(dá)，業(yè)內(nèi)稱為APA。作為無人車上成本最低的傳感器，挖掘超聲波雷達(dá)的潛力是工程師們不斷在琢磨的事。

UPA和APA的探測(cè)范圍和探測(cè)區(qū)域都太相同，如下圖所示。圖中的汽車配備了前后向共8個(gè)UPA，左右側(cè)共4個(gè)APA。

UPA超聲波雷達(dá)

UPA超聲波雷達(dá)的探測(cè)距離一般在15～250cm之間，主要用于測(cè)量汽車前后方的障礙物。

如圖所示，為單個(gè)UPA的探測(cè)范圍示意圖。

APA超聲波雷達(dá)

APA超聲波雷達(dá)的探測(cè)距離一般在30～500cm之間。APA的探測(cè)范圍更遠(yuǎn)，因此相比于UPA成本更高，功率也更大。

如圖為單個(gè)APA的探測(cè)范圍示意圖。

APA的探測(cè)距離優(yōu)勢(shì)讓它不僅能夠檢測(cè)左右側(cè)的障礙物，而且還能根據(jù)超聲波雷達(dá)返回的數(shù)據(jù)判斷停車庫位是否存在。

超聲波雷達(dá)的應(yīng)用

本文標(biāo)題提到超聲波雷達(dá)是被低估的傳感器，因?yàn)樗�除了檢測(cè)障礙物外，還可以做很多事。

應(yīng)用1：泊車庫位檢測(cè)

自動(dòng)泊車功能需要經(jīng)歷兩個(gè)階段：1．識(shí)別庫位；2．倒車入庫

識(shí)別庫位功能就是依賴安裝在車輛側(cè)方的APA，如下場(chǎng)景。

汽車緩緩駛過庫位時(shí)，汽車右前方的APA傳感器返回的探測(cè)距離與時(shí)間的關(guān)系可判斷當(dāng)前空間有無車位。有了庫位檢測(cè)功能，進(jìn)而開發(fā)自主泊車功能就不是難事了。

應(yīng)用2：高速橫向輔助

特斯拉Model S在AutoPilot 1．0時(shí)代就實(shí)現(xiàn)了高速公路的巡航功能，為了增加高速巡航功能的安全性和舒適性，特斯拉將用于泊車的APA超聲波雷達(dá)，也用在了高速巡航上。

先看一段Model S應(yīng)用APA的視頻，視頻左下角的圖像是一個(gè)朝汽車后向的攝像機(jī)，右側(cè)的圖像是朝向行駛方向的視角。

在視頻中可以看出，當(dāng)左側(cè)駛過的汽車?yán)碜攒囕^近時(shí)，Model S在確保右側(cè)有足夠空間的情況下，自主地向右微調(diào)，降低與左側(cè)車輛的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。

車載攝像機(jī)

車載攝像機(jī)的大致原理是：首先，采集圖像進(jìn)行處理，將圖片轉(zhuǎn)換為二維數(shù)據(jù)；然后，進(jìn)行模式識(shí)別，通過圖像匹配進(jìn)行識(shí)別，如識(shí)別車輛行駛環(huán)境中的車輛、行人、車道線、交通標(biāo)志等；接下來，依據(jù)物體的運(yùn)動(dòng)模式或使用雙目定位，以估算目標(biāo)物體與本車的相對(duì)距離和相對(duì)速度。

攝像機(jī)根據(jù)鏡頭和布置方式的不同主要有以下四種：?jiǎn)文繑z像機(jī)、雙目攝像機(jī)、三目攝像機(jī)和環(huán)視攝像機(jī)。

單目攝像機(jī)模組只包含一個(gè)攝像機(jī)和一個(gè)鏡頭。由于很多圖像算法的研究都是基于單目攝像機(jī)開發(fā)的，因此相對(duì)于其他類別的攝像機(jī)，單目攝像機(jī)的算法成熟度更高。但是單目有著兩個(gè)先天的缺陷。

一是它的視野完全取決于鏡頭。

焦距短的鏡頭，視野廣，但缺失遠(yuǎn)處的信息。反之亦然。因此單目攝像機(jī)一般選用適中焦距的鏡頭。

二是單目測(cè)距的精度較低。

攝像機(jī)的成像圖是透視圖，即越遠(yuǎn)的物體成像越小。近處的物體，需要用幾百甚至上千個(gè)像素點(diǎn)描述；而處于遠(yuǎn)處的同一物體，可能只需要幾個(gè)像素點(diǎn)即可描述出來。這種特性會(huì)導(dǎo)致，越遠(yuǎn)的地方，一個(gè)像素點(diǎn)代表的距離越大，因此對(duì)單目來說物體越遠(yuǎn)，測(cè)距的精度越低。

雙目攝像機(jī)

由于單目測(cè)距存在缺陷，雙目攝像機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。雙目攝像機(jī)，是通過對(duì)兩幅圖像視差的計(jì)算，直接對(duì)前方景物（圖像所拍攝到的范圍）進(jìn)行距離測(cè)量，而無需判斷前方出現(xiàn)的是什么類型的障礙物。依靠?jī)蓚�(gè)平行布置的攝像頭產(chǎn)生的“視差”，找到同一個(gè)物體所有的點(diǎn)，依賴精確的三角測(cè)距，就能夠算出攝像頭與前方障礙物距離，實(shí)現(xiàn)更高的識(shí)別精度和更遠(yuǎn)的探測(cè)范圍。使用這種方案，需要兩個(gè)攝像頭有較高的同步率和采樣率，因此技術(shù)難點(diǎn)在于雙目標(biāo)定及雙目定位。

相比單目，雙目的解決方案沒有識(shí)別率的限制，無需先識(shí)別可直接進(jìn)行測(cè)量；直接利用視差計(jì)算距離精度更高；無需維護(hù)樣本數(shù)據(jù)庫。但因?yàn)闄z測(cè)原理上的差異，雙目視覺方案在距離測(cè)算上相比單目以及毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)，其硬件成本和計(jì)算量級(jí)的加倍，也是另一個(gè)難關(guān)。

雖然雙目能得到較高精度的測(cè)距結(jié)果和提供圖像分割的能力，但是它與單目一樣，鏡頭的視野完全依賴于鏡頭。而且雙目測(cè)距原理對(duì)兩個(gè)鏡頭的安裝位置和距離要求較多，這就會(huì)給相機(jī)的標(biāo)定帶來麻煩。

三目攝像機(jī)

由于單目和雙目都存在某些缺陷，因此廣泛應(yīng)用于無人駕駛的攝像機(jī)方案為三目攝像機(jī)。三目攝像機(jī)其實(shí)就是三個(gè)不同焦距單目攝像機(jī)的組合。

特斯拉 AutoPilot 2．0安裝在擋風(fēng)玻璃下方的三目攝像機(jī)

如下圖，可以看出三個(gè)攝像頭的感知范圍由遠(yuǎn)及近，分別為前視窄視野攝像頭（最遠(yuǎn)感知250米）、前視主視野攝像頭（最遠(yuǎn)感知150米）及前視寬視野攝像頭（最遠(yuǎn)感知60米）。

對(duì)攝像機(jī)來說，感知的范圍要么損失視野，要么損失距離。三目攝像機(jī)能較好地彌補(bǔ)感知范圍的問題。因此在業(yè)界被廣泛應(yīng)用。

那么測(cè)距精度的問題怎么辦？

正是由于三目攝像機(jī)每個(gè)相機(jī)的視野不同，因此近處的測(cè)距交給寬視野攝像頭，中距離的測(cè)距交給主視野攝像頭，更遠(yuǎn)的測(cè)距交給窄視野攝像頭。這樣一來每個(gè)攝像機(jī)都能發(fā)揮其最大優(yōu)勢(shì)。

三目的缺點(diǎn)是需要同時(shí)標(biāo)定三個(gè)攝像機(jī)，因而工作量更大一些。其次軟件部分需要關(guān)聯(lián)三個(gè)攝像機(jī)的數(shù)據(jù)，對(duì)算法要求也很高。