傳統的汽車，由於是人為控制，對外界環境的感知、認知以及對汽車的控制都是由駕駛員來完成。或者一些稍微高階的汽車，配有高階輔助駕駛，可由駕駛員和輔助駕駛系統配合著完成這些“任務”。但對於自動駕駛和無人駕駛汽車，因為是車輛本身佔據了汽車部分甚至是全部的控制權，此時便要依靠安裝在汽車上各種各樣的感測器協同工作，保證行車安全。

目前來看，企業應用於自動駕駛汽車的感測器主要有以下幾種：影象感測器、鐳射雷達、毫米波雷達、超聲波雷達以及生物感測器。它們依據各自不同的產品屬性，在自動駕駛汽車行駛過程中各主不同的功能，以保證自動駕駛汽車的正常執行。本文蓋世汽車帶大家認識目前自動駕駛汽車上幾種主要的感測器。

影象感測器

影象感測器又叫感光元件，是一種可以將光學影象轉換成電子訊號的裝置，在自動駕駛汽車上屬於基礎部件一類，獲取影象時，前期需與數字攝像頭結合使用，後期則需要影象資料處理系統的支援，方能為汽車提供直觀、真實的可檢視像資訊。其具體工作原理為：

物體在外界照明光的照射下，經成像物鏡成像，形成二維光強分佈的光學影象，再透過影象感測器轉換成電子訊號。之後，這些電子訊號經影象資料處理系統的放大和同步控制處理，傳送給影象顯示器，便可以看到物體的二維光學影象，從而為自動駕駛汽車提供準確的駕駛環境資訊。

在汽車領域，影象感測器主要應用在汽車視覺系統中，如倒車影像、前視、俯視、全景泊車影像、車鏡取代、行車記錄儀、正向碰撞警告、車道偏離警告、交通訊號識別、行人檢測、自適應巡航控制、盲點檢測及夜視等，以保證視覺系統在各種天氣、路況條件下，能夠清晰識別車道線、車輛、障礙物、交通標誌等。

根據元件的不同，影象感測器可分為CCD、CMOS和CIS三種。早期，作為固態影象感測器，CCD由於有體積小、解析度高、靈敏度高、影象質量高等優勢，一直統領著影象感測器市場。不過，CCD高畫質背後也帶來了一些問題，譬如成本高，由此出現了成本更低、功耗更低的CMOS感測器。

與CCD相比，CMOS具有讀取資訊方式簡單、輸出資訊速率快、耗電省、整合度高、價格低等特點，在推出後很快受到了多家知名廠商的青睞。並隨著技術的發展，CMOS不斷縮小與CCD的差距，現逐漸發展成市場的核心。

而另一種影象感測器CIS，則多用在掃描器中，其景深、解析度以及色彩表現目前都趕不上CCD感光器件。

鐳射雷達

鐳射雷達是目前自動駕駛汽車上應用最廣泛的感測器之一，主要透過向目標物體發射鐳射束和接收從目標物件上反射回來的鐳射束來測算目標的位置、速度等特徵量，感知車輛周圍環境，並形成精度高達釐米級的3D環境地圖，為下一步的車輛操控建立決策依據。

與其他汽車感測器相比，鐳射雷達的優勢在於其探測範圍更廣，探測精度更高。但是，鐳射雷達的缺點也很明顯：在雨雪霧等極端天氣下效能較差，採集的資料量過大，十分昂貴。特別是鐳射雷達線束多少直接與測量精度有關,線束越多,測量越精準，但同時價格也越昂貴。

傳統機械式鐳射雷達

以Velodyne的產品為例，其64線束的鐳射雷達價格大約是16線束的10倍，而百度的無人駕駛汽車曾使用的一臺64位鐳射雷達，價值70萬餘人民幣，非常昂貴，不僅一般的企業難以承受，搭載了這種鐳射雷達的自動駕駛汽車，也非一般人能消費得起的。因此，現在鐳射雷達領域的企業都在努力開發新產品、新技術，力爭使鐳射雷達朝著小型化、低成本化方向發展。其中，一個已經在試行的方法是固態鐳射雷達。

Quanergy S3固態鐳射雷達感測器

所謂固態鐳射雷達即去除了機械式鐳射雷達裡面的機械旋轉部件，採用電子方案來達到全範圍探測，而傳統的鐳射雷達則是透過機械旋轉達到全範圍探測，因此體積通常較大。

Sagitar聚創16線混合固態鐳射雷達RS-LiDAR

此外還有一種方法是混合固態鐳射雷達，介於固態鐳射雷達和機械式鐳射雷達兩者之間。從外觀上，混合固態鐳射雷達幾乎看不到傳統鐳射雷達的旋轉部件，但其實內部仍存在一些機械旋轉部件，只是這套機械旋轉部件做的非常小巧，並且藏在機身內部。

技術上來講，目前傳統鐳射雷達技術已經很成熟，而固態鐳射雷達和混合固態鐳射雷達尚處於起步階段，因此各企業當前在自動駕駛汽車使用的鐳射雷達，多以機械式鐳射雷達為主。而從整個鐳射雷達行業來看，高精度車載鐳射雷達產品生產商主要集中在國外，如美國的Velodyne、Quanegy，德國的IBEO，國內近幾年也開始出現一些專注於車載鐳射雷達的企業，以及一些從其他領域轉行而來的鐳射雷達企業，因看中自動駕駛汽車廣闊發展前景，紛紛投身車載鐳射雷達產品的研發，目前來看成果顯著。

毫米波雷達

同鐳射雷達一樣，毫米波雷達也是現在應用於自動駕駛汽車ADAS系統的一種主流感測器。其波長介於釐米波和光波之間，波長短、頻頻寬，具有穿透霧、煙、灰塵的能力強，可全天候工作，體積小巧緊湊，識別精度高等優點，能幫助自動駕駛汽車準確地“看”到與附近車輛之間的距離，從而為司機提供變道輔助、自主控制車速、碰撞預警等幫助，提高駕駛舒適度，降低事故發生率。且價格方面，毫米波雷達單價遠低於鐳射雷達，是一種相對容易得到的感測器技術。

目前特斯拉的主力車型上搭載的都是毫米波雷達

按照目前的主流分類，汽車毫米波雷達頻率主要包括77GHz和24GHz兩種，其中前者波長更短，探測距離更遠，因此多用於前方車輛檢測；而後者則通常用在車輛周圍的檢測，如盲點檢測。此外，也有一些其他頻段的毫米波雷達，如日本的60GHz以及臺灣使用的79GHz。

從整個毫米波雷達行業發展來看，無論系統還是器件，核心技術目前仍掌握在國外企業手中，如系統領域的博世、大陸、德爾福等，器件方面的飛思卡爾、英飛凌、意法半導體等。不過，近幾年國內也湧現出了一些毫米波雷達相關公司，加速了行業的發展。有專家認為，相對於攝像頭方面的激烈競爭，毫米波雷達更有創新性，潛在的市場空間更大，機會更多。特別是77GHz，未來有望成為毫米波雷達主流，而在國內，加快開發中國產的77GHZ毫米波雷達晶片並儘快車載應用，將是中國汽車毫米波雷達產業的機遇。

超聲波雷達

在上圖特斯拉的Autopilot系統中，除使用到了毫米波雷達，其實還用到了超聲波雷達。據瞭解，在特斯拉裝備的自動駕駛輔助套件中，同時用到了攝像頭、超聲波雷達和毫米波雷達三種感測器。其中，超聲波主要用於泊車測距、輔助剎車等，量程較短。

採用超聲波雷達測距時，超聲波發射器先向外面某一個方向發射出超聲波訊號，在發射超聲波時刻的同時開始進行計時，超聲波透過空氣進行傳播，傳播途中遇到障礙物就會立即反射回來，超聲波接收器在收到反射波的時刻立即停止計時。計時器透過記錄時間，就可以測算出從發射點到障礙物之間的距離。

超聲波雷達在汽車上的應用

在倒車輔助過程中，超聲波感測器通常需同控制器和顯示器結合使用，從而以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除駕駛員泊車、倒車和起動車輛時前後左右探視所引起的困擾，並幫助駕駛員掃除視野死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛安全性。

使用效果上，超聲波雷達穿透性強，測距的方法簡單，成本低。不過，由於超聲波是一種機械波，其使用效果會受傳播介質的影響，例如受天氣情況的影響，在不同的天氣情況下，超聲波的傳輸速度不同，而且傳播速度較慢。另外，當汽車高速行駛時，使用超聲波測距無法跟上汽車的車距實時變化，誤差較大，影響測量精度。

生物感測器

汽車科技的快速發展，讓汽車技術迭代加速，一些新的技術、產品也由此而生，如生物識別。所謂生物識別技術是指透過人類生物特徵進行身份認證的一種技術，這些生物特徵通常包括指紋識別、虹膜識別、視網膜識別、面部識別、DNA識別等具有唯一性的、可以測量或自動識別驗證、遺傳性或終身不變的特點。其中，指紋識別和麵部識別目前已應用在自動駕駛汽車上，生物感測器也由此得來。

生物感測器是一種對生物物質敏感並將其濃度轉換為電訊號進行檢測的儀器，由於其感應物件是人體特徵，而人體特徵具有不可複製的唯一性，可以說比其他很多方法能更好地保證行車安全，同時還可解放駕駛者雙手、增加駕駛樂趣。

2017 CES上，大陸集團就推出了這麼一項車載生物特徵識別技術。據瞭解，透過該面部識別技術乘員可對座椅位置、後視鏡角度、音樂播放、溫度調節以及導航等多種車載功能進行個性化設定。且只有在駕駛員透過指紋感測器完成身份驗證後，駕駛員才能啟動發動機，大大提升了車輛安全性。而除了大陸，博世、FCA集團的克萊斯勒也都有類似的技術。

蓋世小結：以上幾種感測器都是目前自動駕駛系統研發過程中，應用比較廣泛的感測器。從功能上來看，它們各有自己的優缺點，能分別從不同的方面保證自動駕駛汽車行車安全。不過，其中部分技術目前在國內尚不是很成熟，產品需要依賴進口，這就要求國內相關企業加速產品、技術研發，提升自身產品競爭力的同時，還可以推動國內自動駕駛汽車技術的快速發展。

自動駕駛汽車：多種感測器驅動導航和駕駛

隨著谷歌等公司的重大發展和進步，自動駕駛汽車受到了廣泛關注。雖然目前在公路上廣泛使用自動駕駛汽車可能還需要數年時間，但這些車輛已經開始逐漸被使用在其他“受限制”的場所中，例如露天礦和農業。

　　使自動駕駛汽車成為可能的許多技術應用中，包括感測器和執行器、複雜演算法以及執行軟體的強大處理器。

　　自動駕駛汽車中的感測器和執行器分為兩大類：1）導航和引導類感測器（確定所在的位置、想去的地方、如何到達那裡）；2）駕駛和安全類感測器（指導汽車、確保汽車在任何情況下都能正常行駛，並遵守道路規則）。

　　這兩個類別有數十個子系統和數百個專用感測器通道。今天我們將帶大家仔細瞭解自動駕駛汽車中的一些子系統以及用於構建這些子系統的感測器。

　　自動導航和引導中的GPS接收器、IMU以及MEMS感測器等

　　解決導航和引導的問題是自動駕駛汽車存在之初就需重視的方向。因為它將提供兩個關鍵的資料資訊：汽車所處的位置，以及汽車可以到達想要位置的路徑。

　　以前，羅盤、六分儀、LORAN無線電定位和航位推算等儀器和技術都已被使用在常規駕駛中，其精確性、一致性和可用性都各不相同。

　　而對於自動駕駛汽車來說，導航和指導子系統必須始終處於啟用狀態，並需要時刻檢查車輛相對於目標的執行情況。例如，如果最初的“最佳”路徑有任何意外的偏離，則必須實時重新計算路徑，以避免走錯方向。這與簡單地在A和B之間繪製直線相比需要更多的計算工作量，因為自動駕駛汽車易受道路的限制，要進行更復雜的路徑。

　　用於導航和引導的主要子系統基於GPS（全球定位系統）接收器，該接收器主要依靠60多顆低軌道衛星星座中至少四顆衛星對接收的訊號進行復雜分析、計算當前位置。GPS系統可以提供大約一米的定位精度（實際數字取決於許多細微問題），這對於自動駕駛汽車來說是一個良好的開端。不過需要注意的是，對於希望隨時行駛的駕駛員，GPS接收器需要30到60秒才能建立初始位置，因此自動駕駛汽車必須延遲出發，直到GPS計算出第一個修正值。

　　GPS子系統現在可作為晶片（SOC）積體電路或多晶片組合上的複雜系統使用，這些晶片組不但需要電源和天線，還需要一個嵌入式、特定於應用程式的計算引擎，一同執行密集計算。雖然在積體電路中差不多都有一個1.5GHz GPS訊號的內部射頻前置放大器，但許多車輛都選擇將天線放在車頂上，同時安裝一個共同定位的低噪聲放大器來使用（LNA）射頻前置放大器，並將定位GPS電路放在車內更方便的位置上。

　　重要的是，天線必須具有右手圓極化特性（RHCP），以匹配GPS訊號的極化，同時也可以是陶瓷晶片單元、小繞線短截線設計或其他配置。

　　目前，雖然GPS是自動駕駛汽車的基本功能，但自動駕駛只有它還遠遠不夠。當GPS訊號被峽谷、隧道、無線電干擾和許多其他因素阻擋時，會導致訊號中斷，這些中斷可能會持續數分鐘甚至更長時間。為了彌補GPS的不足，自動駕駛汽車有時要使用不需任何型別的外部訊號的慣性制導。該慣性測量單元（IMU）由固定在車輛上的平臺組成，該平臺具有三個陀螺儀和三個加速度計，每對分別朝向正交的X、Y和Z軸。這些感測器提供平臺旋轉和線性運動的資料，用於計算車輛的運動和位置，無論有任何速度或任何型別的訊號障礙都無法防止它的正常使用。

　　需要注意的是，IMU無法告訴駕駛員車輛所處的位置，只能告訴運動路徑，因此車輛的初始位置必須由GPS確定或手動輸入。

　　同時，我們需要意識到，如果沒有基於MEMS的陀螺儀和加速度計的開發，車載IMU將不實用。歷史悠久且完善的IMU是基於旋轉陀螺儀和一個框架平臺，它已經很好地服務於許多應用（導彈制導/太空任務），但它對於自動駕駛汽車來說太龐大，成本高昂且耗電量大。

圖1： MEMS器件從根本上改變了陀螺儀和加速度計等IMU功能的實現; 這款來自ST的微型IC集成了三個正交陀螺儀，並提供了角度讀數的數字化序列輸出

　　典型的MEMS器件是ST 微電子公司的A3G4250D IC ，這是一款低功耗三軸角速率感測器，可在零速率水平下提供高度穩定性，並且在溫度和時間內具有高靈敏度，如圖3所示。

　　汽車駕駛與安全中的鐳射雷達系統與雷達

　　自動駕駛汽車必須能夠看到並解釋前進時前方的情況（當然，也包括倒車時後面的情況）。還有必要看看兩邊是什麼情況，換句話說，它需要360⁰的視角來觀察周圍的情況。這種情況下，一組攝像機是顯而易見的選擇，透過攝像機來確定車道的位置，並檢測道路上的物體或標記。

　　但是僅使用相機會帶來問題。首先，將存在正確設定多個攝像機並保持其清潔的機械問題；第二，需要進行繁重的圖形處理來理解影象; 第三，需要深度感知和基本成像; 最後，光照、陰影和其他因素使得精準確定相機所看到的內容會具有極大的挑戰性。

　　因此，自動駕駛汽車上的主要“視覺”單元多是鐳射雷達系統，它是光探測和測距的縮寫（或光和雷達的混搭）。為了實現自動駕駛汽車所需的分秒決策，鐳射雷達系統提供了有關周圍環境的精確三維資訊。使用這些資料，處理器可以實現物件識別、運動向量確定、碰撞預測和避免策略。鐳射雷達單元裝置非常適合“大圖”成像，並透過在車頂上使用旋轉掃描鏡元件提供所需的360°視角。

　　鐳射雷達感測器使用高速、高功率的鐳射脈衝提供原始資訊，鐳射脈衝與探測器的響應同步，來計算從反射光到物體的距離。探測器陣列或定時攝像機可用於提高三維資訊的解析度。

　　脈衝一般非常短，以便增強深度解析度，並且其所產生的光反射用於建立三維點狀“雲”，該點被分析以將資料轉換為體積識別和向量資訊。然後，系統將轉換後的結果用於計算車輛相對於這些外部物體的位置、速度和方向，以確定碰撞機率，並在需要時指導車輛進行適當的操作。

　　不過，鐳射雷達系統對於近距離控制效果不佳，例如停車、換車道或擁堵交通中，因此，此時系統會由內建在車輛前後保險槓以及側面的雷達補充。該雷達的工作頻率通常為77GHz，具有良好的射頻傳播特性，並提供足夠的解析度。

圖2： AD8283的雷達系統概述，一個6通道雷達接收路徑AFE

　　為了將雷達安裝到平面保險槓元件及其有限的空間中，必須使用高度整合的設計，包括使用部分雷達子系統PC板作為其天線。還需要有源元件，如ADI公司的AD8283，它集成了六個通道的低噪聲前置放大器（LNA）、可程式設計增益放大器（PGA）和抗混疊濾波器（AAF）、ADC通道以及單個12位模數轉換器（ADC）。