作者： Paul McLellan，Cadence楷登PCB及封裝資源中心

本文將聚焦于無人駕駛車輛的關(guān)鍵部件之一——傳感器。

在Cadence汽車峰會(huì)上，Uhnder的首席執(zhí)行官M(fèi)anju Hegde對(duì)傳感器進(jìn)行了精彩的概述，重點(diǎn)介紹了攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)等核心傳感器的部件。

傳感器要求

Menju列出了關(guān)于傳感器的十一個(gè)關(guān)鍵要求：

感應(yīng)范圍：應(yīng)能充分適應(yīng)車速。

視野（FoV）：足夠?qū)掗熞哉故救耙曇?。這里的一部分原因是由自動(dòng)緊急制動(dòng)規(guī)則——AEB 2018所驅(qū)動(dòng)的，而由于2020和2022對(duì)視野的要求更高，要求車輛能夠在交叉路口避免發(fā)生碰撞，因此現(xiàn)在需要更寬的FoV。

角度：角度檢測(cè)和分辨率應(yīng)滿足檢測(cè)相關(guān)特征的要求。這個(gè)問題在于雷達(dá)識(shí)別人類的能力相對(duì)較弱（雷達(dá)對(duì)玻璃纖維帆船的識(shí)別能力也相對(duì)較弱，所以人們?cè)谖U頂部設(shè)置了一個(gè)特殊的反射器）。

速度：測(cè)量并解析移動(dòng)物體的速度。雷達(dá)可以做到這一點(diǎn)，但大多數(shù)激光雷達(dá)不能直接做到這一點(diǎn)，它們可以通過測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)幀與幀之間的差異來間接實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)。

分類：雷達(dá)在這方面的能力比較欠缺。美國(guó)軍方擁有每架敵方坦克和飛機(jī)的雷達(dá)標(biāo)記，并采用了機(jī)器學(xué)習(xí)。雷達(dá)在探測(cè)范圍內(nèi)很難識(shí)別物體類型（樹、行人、汽車等）。

顏色：顏色對(duì)交通信號(hào)燈來說尤為重要，部分色盲者只能在距離交通信號(hào)燈足夠近的情況下通過亮燈的位置來進(jìn)行判斷。

信號(hào)處理用度：從獲得原始傳感器數(shù)據(jù)到得出“這是個(gè)小孩”或“這是一個(gè)消防栓”等結(jié)論，中間涉及大量的信號(hào)處理和圖像分類工作。

運(yùn)行：當(dāng)所有照明燈（日間和夜間行車燈）打開時(shí)，或在惡劣天氣中時(shí)，運(yùn)行其全部功能面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

惡劣天氣：雨、霧、雪。即使是人類，在惡劣天氣狀況下也會(huì)遇到麻煩。

干擾：存在兩種干擾類型，分別是環(huán)境干擾和其他傳感器干擾。攝像頭比人眼更容易因受到圖像信號(hào)干擾而產(chǎn)生混亂。車上有多個(gè)雷達(dá)和激光雷達(dá)單元。雷達(dá)發(fā)出的信號(hào)通常隨距離的平方而減弱，并且返回的反射波也會(huì)隨距離的平方而減弱（從目標(biāo)處開始計(jì)算），因此雷達(dá)的感應(yīng)范圍是距離的四次冪。因此，當(dāng)一輛駛向我們的汽車在R2處充滿雷達(dá)信號(hào)，而我們又正在R4對(duì)其進(jìn)行探測(cè)時(shí)，就很容易因?yàn)楦蓴_而產(chǎn)生混亂。再加上每輛車可能有4-6個(gè)雷達(dá)，產(chǎn)生的干擾就更大了。

成本：關(guān)于何時(shí)可運(yùn)用無人駕駛汽車的預(yù)測(cè)，部分取決于成本。谷歌/Waymo可以制造幾輛無人車在鳳凰城行駛而不關(guān)心其成本，但降低傳感器成本對(duì)批量生產(chǎn)至關(guān)重要。而降低成本最終還是需要依靠技術(shù)，才能將傳感器運(yùn)用到售價(jià)2萬美元的汽車中。

傳感器類別

三種傳感器類別分別是視覺傳感器（攝像頭）、雷達(dá)和激光雷達(dá)。

視覺傳感器：汽車所需的CMOS圖像傳感器（CIS）與消費(fèi)性電子產(chǎn)品不同（消費(fèi)性電子產(chǎn)品所需的CMOS圖像傳感器主要關(guān)注于制作好的Instagram圖像）。汽車需要擁有高動(dòng)態(tài)范圍和更好的低光靈敏度的圖像傳感器，其應(yīng)有更高的像素、更低的分辨率、更快的響應(yīng)時(shí)間，并能同時(shí)滿足在更高和更低溫度下工作的性能需求（智能手機(jī)要適應(yīng)口袋的溫度，而汽車則需適應(yīng)像沙漠和雪山那樣的極端氣候）。顯而易見，攝像頭有一個(gè)很大的缺陷：即與人類在夜間行車時(shí)一樣，其視野受到車輛前照燈的限制。同時(shí)，攝像頭需要一直保持清潔，這是另外一個(gè)問題。

激光雷達(dá)：現(xiàn)在市面上有大量不同類型的激光雷達(dá)（甚至比利用激光雷達(dá)的方式還多）。對(duì)于汽車而言，目前樣車使用的是機(jī)械掃描激光雷達(dá)，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，使用MEMS微振鏡或光學(xué)相控陣的固態(tài)激光雷達(dá)是重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)。激光雷達(dá)的運(yùn)用存在一個(gè)小問題，即使用波長(zhǎng)為850-940nm的近紅外光雷達(dá)成本最低，但這種雷達(dá)會(huì)對(duì)眼睛造成傷害，且需要在有太陽光的環(huán)境中使用。波長(zhǎng)為1550nm的雷達(dá)性能更高，這種雷達(dá)的許用能量比近紅外光雷達(dá)高5個(gè)數(shù)量級(jí)（500,000倍而不是5倍），所需的太陽光比近紅外光雷達(dá)低10倍，但是成本十分昂貴。其加分項(xiàng)在于角度分辨率很高，但在遇到反光性很差的物體和霧/雨/雪天氣時(shí)也會(huì)出現(xiàn)問題；同時(shí)，清潔也是一個(gè)需要注意的問題。

雷達(dá)：目前所有的雷達(dá)都使用模擬FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）發(fā)送線性調(diào)頻脈沖，這種脈沖與接收到的反射波混合，之后降低速度至基頻帶，再使用低通濾波器。有一個(gè)問題是，車上需要有多個(gè)雷達(dá)單元，但每次只能有一個(gè)雷達(dá)單元發(fā)射信號(hào)，因此有必要進(jìn)行時(shí)分多路復(fù)用（基本上，每次只有一個(gè)信號(hào)繞每個(gè)雷達(dá)旋轉(zhuǎn)）。

優(yōu)勢(shì)和不足

以上是各個(gè)傳感器類型的蜘蛛圖。左側(cè)是雷達(dá)圖，中間是激光雷達(dá)圖，右側(cè)是視覺傳感器圖。

這些傳感器都很重要，因?yàn)槿绻覀兺瑫r(shí)使用這些傳感器，那么一種傳感器的優(yōu)勢(shì)就可以彌補(bǔ)另一種傳感器的不足。雷達(dá)無法判斷交通燈是紅色還是綠色，但是視覺傳感器可以；視覺傳感器在大霧天看不清楚，但雷達(dá)可以；諸如此類……但是這些傳感器離人們的需求仍有很大差距。

新一代雷達(dá)

“如果我們對(duì)雷達(dá)傳感器進(jìn)行改造會(huì)怎么樣？今天的雷達(dá)都是為探測(cè)大型目標(biāo)而設(shè)計(jì)的?，F(xiàn)在，很多公司都在研究對(duì)雷達(dá)傳感器進(jìn)行改造這個(gè)問題?！盡anju表示。

如果我們的雷達(dá)具有更大的感應(yīng)范圍，更高的分辨率（垂直和水平方向），非常靈敏的速度檢測(cè)，更好的明暗目標(biāo)比率和更強(qiáng)的抗干擾性，那么將對(duì)現(xiàn)在的雷達(dá)帶來極大改變，如上面的蜘蛛圖所示。

更重要的是，這將縮小與人類需求之間的差距。事實(shí)上，這些改造將大大縮小這一差距，從而使激光雷達(dá)具有邊際價(jià)值。對(duì)于快速駕駛，車頭仍然需要安裝激光雷達(dá)，以檢測(cè)道路上的障礙物（如一塊木頭）；對(duì)于這類障礙物，雷達(dá)無法進(jìn)行反射，而攝像頭也無法及時(shí)檢測(cè)。但是總體而言，所需的激光雷達(dá)數(shù)量會(huì)減少。

新一代雷達(dá)將是一個(gè)絕佳的解決方案：通過取消多個(gè)激光雷達(dá)，我們將從成本上獲益。Menju的未來發(fā)展藍(lán)圖如下圖所示（綠色部分代表Unhder正在開發(fā)的雷達(dá)）：

溫度傳感器

Owl Autonomous Imaging公司的Chuck Gershman提出了第四種傳感器類型：溫度傳感器。其一大優(yōu)勢(shì)在于可以探測(cè)到活物，而且可以在白天和夜晚照常工作，還能應(yīng)對(duì)各種天氣狀況。

僅僅使用激光雷達(dá)并不能滿足我們的需求，激光雷達(dá)雖然能看到物體，但無法對(duì)此做出判斷。此外，激光雷達(dá)的感應(yīng)范圍在惡劣天氣下嚴(yán)重降低。特別是905nm的激光雷達(dá)，在霧和雨中會(huì)完全失去感應(yīng)能力。貓頭鷹公司已研發(fā)出一款焦平面陣列（FPA）雙色探測(cè)器，并將其交付給空軍使用。

正如Chuck在結(jié)束演講時(shí)所說的：“我們的傳感器能直接看到活人?！?/p>

《華爾街日?qǐng)?bào)》關(guān)于傳感器的報(bào)道

《華爾街日?qǐng)?bào)》曾發(fā)表過一篇關(guān)于汽車傳感器的文章：

“在低能見度條件下，包括在日落之后，攝像頭在捕捉環(huán)境圖像方面效果不佳。然而，激光雷達(dá)和雷達(dá)不受黑暗的影響，因?yàn)樗鼈兺ㄟ^波長(zhǎng)大于和小于可見光的各種電磁波收集有關(guān)環(huán)境的信息?！?/p>

其實(shí)，人眼也是如此工作的。我們通常通過在車輛前部放置高強(qiáng)度可見波長(zhǎng)光源產(chǎn)生器，并查看其反饋回來的內(nèi)容來解決這個(gè)問題。而這些光源產(chǎn)生器被稱為前照燈。激光雷達(dá)和雷達(dá)并非由于所使用的波長(zhǎng)而不受到黑暗的影響，而是因?yàn)樗鼈円呀?jīng)做了類似的事情，發(fā)出電磁輻射脈沖，然后查看其反饋回來的內(nèi)容。

引用一句話：

“滾珠軸承用于將傳感器固定在汽車頂部，而在不平坦的路面上行駛會(huì)影響激光雷達(dá)的校準(zhǔn)，并導(dǎo)致滾珠軸承過度磨損。車輛遇到這些情況的次數(shù)越多，激光雷達(dá)傳感器需要更換的頻率就越高?！?/p>

目前，放置于車頂上的大型旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)并未被真正提議作為進(jìn)行商業(yè)批量生產(chǎn)的解決方案。它們的成本比汽車的其他部件都要高，這些只是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。如上所述，若想進(jìn)入經(jīng)濟(jì)上可行的商業(yè)生產(chǎn)，我們需要一個(gè)沒有滾珠軸承和其他配件的固態(tài)激光雷達(dá)解決方案。

審核編輯 黃宇