智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術 課件 人大 項目1、2 智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術概述、雷達在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的應用

智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術21世紀技能創(chuàng)新型人才培養(yǎng)系列教材·汽車系列主編王皓張春蓉項目一智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術概述汽車已成為人們生活不可或缺的部分，汽車工業(yè)也成為世界各國的支柱產業(yè)。，2020年底全國機動車保有量達到3.72億輛，其中汽車保有量達到2.81億輛，全國有70個城市的汽車保有量超過百萬輛，31個城市超200萬輛，13個城市超300萬輛。汽車保有量的迅速增加帶動了經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的提高，但能源短缺、環(huán)境污染、交通擁堵、事故頻發(fā)等現(xiàn)象日益顯現(xiàn)。項目一智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術概述智能網(wǎng)聯(lián)汽車被公認為這些問題的有效解決方案，代表著汽車行業(yè)未來的發(fā)展方向。智能網(wǎng)聯(lián)汽車是新一輪科技革命背景下的新興產業(yè)，可有效降低交通事故發(fā)生率、實現(xiàn)節(jié)能減排、緩解交通擁堵、提高通行效率，對促進汽車產業(yè)轉型升級具有重大戰(zhàn)略意義任務一智能網(wǎng)聯(lián)汽車的定義與組成一、智能網(wǎng)聯(lián)汽車相關概念智能網(wǎng)聯(lián)汽車融合了智能技術、互聯(lián)網(wǎng)技術、汽車技術等。1、智能汽車智能車輛就是在普通車輛上增加了先進的傳感器（如雷達、攝像頭等）、控制器、執(zhí)行器等裝置，通過車載環(huán)境感知系統(tǒng)和信息終端，實現(xiàn)人、車、路的信息交換，使車輛具備智能環(huán)境感知能力，能夠自動分析車輛行駛的安全及危險狀態(tài)，并使車輛按照人的意愿到達目的地，最終實現(xiàn)替代人來操作的目的的汽車。

任務一智能網(wǎng)聯(lián)汽車的定義與組成任務一智能網(wǎng)聯(lián)汽車的定義與組成智能汽車是搭載先進傳感系統(tǒng)、決策系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)，運用信息通信、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新技術，具有部分或完全自動駕駛功能，由單純交通運輸工具逐步向智能移動空間轉變的新一代汽車。存有全國高速公路、普通公路、城市道路以及各種服務設施（餐飲、旅館、加油站、景點、停車場）等資料的導航信息庫；能夠精確定位車輛位置并與導航信息庫中的數(shù)據(jù)進行對比，以確定行駛方向的GPS定位系統(tǒng)；任務一智能網(wǎng)聯(lián)汽車的定義與組成能夠接收交通管理中心提供的實時道路狀況信息（如堵車、事故），必要時改變行駛路線的道路狀況信息系統(tǒng)；用于控制與其他車輛的距離，以便在探測到障礙物時及時減速或剎車，并把信息傳送給指揮中心和其他車輛的車輛防碰撞系統(tǒng)；發(fā)生事故后，可自動報告指揮中心進行救援的緊急報警系統(tǒng)；任務一智能網(wǎng)聯(lián)汽車的定義與組成用于汽車與指揮中心進行聯(lián)絡的無線通信系統(tǒng)；用于控制汽車的點火、變速和轉向等的自動駕駛系統(tǒng)。任務一智能網(wǎng)聯(lián)汽車的定義與組成2、無人駕駛汽車無人駕駛汽車是通過車載環(huán)境感知系統(tǒng)感知道路環(huán)境，并自動規(guī)劃和識別行車路線，自動控制車輛到達預定目的地的汽車。無人駕駛汽車可根據(jù)感知所獲得的環(huán)境參數(shù)，如道路狀況、車輛位置和障礙物信息等，控制車輛的運行參數(shù)，保證車輛能夠安全、可靠地在道路上行駛。無人駕駛汽車能夠實現(xiàn)完全自動的控制，全程檢測交通環(huán)境。駕駛人只需提供目的地地址或者輸入導航信息，任何時候均不需要對車輛進行操控。無人駕駛汽車是汽車智能化、網(wǎng)絡化的終極發(fā)展目標。任務一智能網(wǎng)聯(lián)汽車的定義與組成3、車聯(lián)網(wǎng)車聯(lián)網(wǎng)（InternetofVehicle，IOV）是整合了車內網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動互聯(lián)網(wǎng)，并按照約定的體系架構以及通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交互標準，實現(xiàn)V2X（V表示汽車；X表示道路及交通參與者，包括道路、行人及應用平臺等）無線通信和信息交換，進而實現(xiàn)智能化交通管理、智能動態(tài)信息服務和車輛智能化控制的一體化網(wǎng)絡，是物聯(lián)網(wǎng)技術在智能交通系統(tǒng)領域的延伸。任務一智能網(wǎng)聯(lián)汽車的定義與組成車內網(wǎng)是指通過成熟的總線技術建立的標準化的整車網(wǎng)絡；車際網(wǎng)是指基于特定無線局域網(wǎng)絡的動態(tài)網(wǎng)絡；車載移動互聯(lián)網(wǎng)是指車載單元可通過4G/5G等通信技術與互聯(lián)網(wǎng)進行無線連接。任務一智能網(wǎng)聯(lián)汽車的定義與組成智能交通系統(tǒng)（IntelligentTrafficSystem，ITS）又稱智能運輸系統(tǒng)（IntelligentTransportationSystem），是將先進的科學技術及理論（信息技術、計算機技術、數(shù)據(jù)通信技術、傳感器技術、電子控制技術、自動控制理論、運籌學、人工智能等）綜合有效地運用于交通運輸、服務控制和車輛制造，加強車輛、道路、交通參與者三者之間的聯(lián)系，從而形成一種保障安全、提高效率、改善環(huán)境、節(jié)約能源的綜合運輸系統(tǒng)。任務一智能網(wǎng)聯(lián)汽車的定義與組成智能交通系統(tǒng)包括：交通信息采集系統(tǒng)（人工輸入、GPS車載導航儀器、GPS導航手機、車輛通行電子信息卡、CCTV攝像機、紅外雷達檢測器、線圈檢測器、光學檢測儀）；信息處理分析系統(tǒng)（信息服務器、專家系統(tǒng)、GIS應用系統(tǒng)、人工決策）；信息發(fā)布系統(tǒng)（互聯(lián)網(wǎng)、手機、車載終端、廣播、路側廣播、電子情報板、電話服務臺）。任務一智能網(wǎng)聯(lián)汽車的定義與組成圖1-2智能交通示意圖任務一智能網(wǎng)聯(lián)汽車的定義與組成5、智能網(wǎng)聯(lián)汽車智能網(wǎng)聯(lián)汽車（IntelligentConnectedVehicle，ICV）是一種跨技術、跨產業(yè)領域的新興汽車體系。從不同角度、不同背景對它的理解是有差異的，各國對智能網(wǎng)聯(lián)汽車的定義不同，稱呼也不同，但終極目標是一樣的，即可上路安全行駛的無人駕駛汽車。任務一智能網(wǎng)聯(lián)汽車的定義與組成從狹義上講，智能網(wǎng)聯(lián)汽車是搭載先進的車載傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置，并融合現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)V2X智能信息交換共享，具備復雜的環(huán)境感知、智能決策、協(xié)同控制和執(zhí)行等功能，可實現(xiàn)安全、舒適、節(jié)能、高效行駛，最終可替代人來操作的新一代汽車。從廣義上講，智能網(wǎng)聯(lián)汽車是以車輛為主體和主要節(jié)點，融合現(xiàn)代通信和網(wǎng)絡技術，使車輛與外部節(jié)點實現(xiàn)信息共享和協(xié)同控制，以達到車輛安全、有序、高效、節(jié)能行駛的新一代車輛系統(tǒng)。任務一智能網(wǎng)聯(lián)汽車的定義與組成二、智能網(wǎng)聯(lián)汽車相關概念的關系智能網(wǎng)聯(lián)汽車、智能汽車、車聯(lián)網(wǎng)、智能交通之間有密切的相關性，但沒有明顯的分界線，它們相互之間的關系如圖1-4所示。圖1-4智能網(wǎng)聯(lián)汽車相關概念的關系任務一智能網(wǎng)聯(lián)汽車的定義與組成三、智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展的技術路線1、基于傳感器的車載式技術路線這類技術路線基于先進傳感技術，可與傳統(tǒng)汽車制造業(yè)深度融合，主要通過先進的傳感器，如立體攝像機和雷達，結合驅動器、控制單元以及軟件的組合，形成先進的駕駛輔助系統(tǒng)，使得汽車能夠監(jiān)測和應對周圍的環(huán)境。該路線的推動者是以奔馳、寶馬、沃爾沃、福特等為代表的汽車整車企業(yè)。任務一智能網(wǎng)聯(lián)汽車的定義與組成2、基于車輛互聯(lián)的網(wǎng)聯(lián)式技術路線這類技術路線表現(xiàn)為互聯(lián)網(wǎng)思維對傳統(tǒng)汽車駕駛模式的變革，推動者主要是以谷歌、蘋果等為代表的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)。這類企業(yè)重點開發(fā)車載信息系統(tǒng)，并與汽車廠商合作開發(fā)推廣導航、語音識別、娛樂、安全等方面的應用程序和應用技術。任務一智能網(wǎng)聯(lián)汽車的定義與組成四、智能網(wǎng)聯(lián)汽車的關鍵技術智能網(wǎng)聯(lián)汽車涉及整車零部件、信息通信、智能交通、地圖定位等多領域技術，可將技術架構劃分為“三橫兩縱”?！叭龣M”指車輛關鍵技術、信息交互關鍵技術與基礎支撐關鍵技術；“兩縱”指支撐智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展的車載平臺與基礎設施，如圖1-5所示。任務一智能網(wǎng)聯(lián)汽車的定義與組成圖1-5智能網(wǎng)聯(lián)汽車“三橫兩縱”關鍵技術架構任務一智能網(wǎng)聯(lián)汽車的定義與組成1、兩縱基礎設施包括交通設施、通信網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)平臺、定位基站等?；A設施將逐步向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和軟件化方向升級，以更好地支撐智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展。2、三橫“三橫”架構涉及的3個領域的關鍵技術可以細分為以下9種：任務一智能網(wǎng)聯(lián)汽車的定義與組成（1）環(huán)境感知技術。包括利用機器視覺的圖像識別技術，利用雷達（激光、毫米波、超聲波）的周邊障礙物檢測技術，多源信息融合技術，傳感器冗余設計技術等。（2）智能決策技術。包括危險事態(tài)建模技術，危險預警與控制優(yōu)先級劃分，群體決策和協(xié)同技術，局部軌跡規(guī)劃，駕駛人多樣性影響分析等。（3）控制執(zhí)行技術。包括面向驅動/制動的縱向運動控制，面向轉向的橫向運動控制，基于驅動/制動/轉向/懸架的底盤一體化控制，融合車聯(lián)網(wǎng)（V2X）通信及車載傳感器的多車隊列協(xié)同和車路協(xié)同控制等。任務一智能網(wǎng)聯(lián)汽車的定義與組成（4）V2X通信技術。包括車輛專用通信系統(tǒng)，實現(xiàn)車間信息共享與協(xié)同控制的通信保障機制，移動自組織網(wǎng)絡技術，多模式通信融合技術等。（5）云平臺與大數(shù)據(jù)技術。包括智能網(wǎng)聯(lián)汽車云平臺架構與數(shù)據(jù)交互標準，云操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)高效存儲和檢索技術，大數(shù)據(jù)的關聯(lián)分析和深度挖掘技術等。（6）信息安全技術。包括汽車信息安全建模技術，數(shù)據(jù)存儲、傳輸與應用三維度安全體系，汽車信息安全測試方法，信息安全漏洞應急響應機制等。任務一智能網(wǎng)聯(lián)汽車的定義與組成（7）高精度地圖與高精度定位技術。包括高精度地圖數(shù)據(jù)模型與采集式樣、交換格式、物理存儲的標準化技術，基于北斗地基增強的高精度定位技術，多源輔助定位技術等。（8）標準法規(guī)。包括ICV整體標準體系，以及涉及汽車、交通、通信等領域的關鍵技術標準。（9）測試評價。包括ICV測試評價方法與測試環(huán)境建設。任務二智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展一、智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展歷程和趨勢1、智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展歷程20世紀20年代就有無線電公司在一輛Chandler上安裝了一個無線電接收設備，通過無線電信號操控車上的馬達，進而控制方向盤、制動器、加速器等。在1939年紐約世博會上，工程師們就提出了未來汽車將在高速公路和城市中自動駕駛的設想。任務二智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展20世紀70年代以后，電子技術和信息技術的發(fā)展為智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展提供了技術支撐，智能網(wǎng)聯(lián)汽車真正進入了發(fā)展的快車道。1977年，日本開發(fā)出了第一輛基于攝像頭檢測導航信息的自動駕駛汽車。這輛車配備了兩個攝像頭，并用模擬計算機技術進行信號處理，但需要高架軌道的輔助。這是所知最早開始使用視覺設備進行無人駕駛的嘗試。20世紀80年代初期，美國國防部大規(guī)模資助自主陸地車輛ALV（AutonomousLandVehicle）的研究，設計出無人車去危險地帶執(zhí)行巡邏任務，其中第三代智能車Demo3便能滿足有路和無路的情況下的自動駕駛。1989年，卡內基梅隆大學率先使用神經(jīng)網(wǎng)絡來引導控制自動駕駛汽車，由此發(fā)展形成了現(xiàn)代控制策略的基礎。任務二智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展1989年日本的科學家提出了道路—汽車通信系統(tǒng)（Road/AutomobileCommunicationSystems，RACS），主要用于實現(xiàn)車輛和路邊固定位置設備（V2I）的通信，但通信距離較短，其功能在于向行駛車輛提供可靠的導航輔助、信息分發(fā)服務和雙向通信服務。20世紀90年代，越來越多的便攜式計算設備、攝像頭、GPS設備被用于增強車輛的自動駕駛能力。任務二智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展1992年，中國國防科技大學研制成功了我國第一輛真正意義上的無人駕駛汽車。由計算機及其配套的檢測傳感器和液壓控制系統(tǒng)組成的汽車計算機自動駕駛系統(tǒng)被安裝在一輛國產的中型面包車上，使該車既保持了原有的人工駕駛性能，又能夠通過計算機控制進行自動駕駛。1995年，CMU大學的NabLab5實驗智能車試車成功。NabLab5實驗智能車由運動跑車改裝而成，具有便攜式計算機、攝像頭、GPS全球定位系統(tǒng)、雷達和其他輔助設備。NabLab5智能車進行了橫穿美國的實驗，全程4587km，自動駕駛部分占98.2%，美國移動導航子系統(tǒng)（MNA）能計算出最佳行駛路徑，讓智能車始終行駛在最佳的路線上。2000年，中國國防科技大學研制的第4代無人駕駛汽車試驗成功，最高時速達76km，創(chuàng)下中國最高紀錄。任務二智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展2003年，中國國防科技大學和中國一汽聯(lián)合研發(fā)的紅旗無人駕駛轎車高速公路試驗成功，自主駕駛最高穩(wěn)定時速13Okm，其總體技術性能和指標已經(jīng)達到世界先進水平。2009年，谷歌開始了自己的無人駕駛汽車項目。2011年，紅旗HQ3首次完成了從長沙到武漢，全程286km的高速全程無人駕駛試驗，實測全程自主駕駛平均時速87km。2013年，奧迪、寶馬、福特、日產和沃爾沃等傳統(tǒng)整車廠入局，開發(fā)自動駕駛汽車、智能汽車。2014年，谷歌對外發(fā)布了“完全自主設計”的無人駕駛汽車。第二年，谷歌第一輛原型汽車正式亮相，并完成了上路測試。任務二智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展2015年，梅賽德斯奔馳發(fā)布了超現(xiàn)實F015概念無人駕駛汽車。2015年，百度宣布其無人駕駛汽車已在國內首次實現(xiàn)城市、環(huán)路及高速道路混合路況下的全自動駕駛。測試時，最高時速達100km。2016年，長安汽車宣布完成2000km超級無人駕駛測試項目。任務二智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展2、智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展趨勢（1）以深度學習為代表的AI技術快速發(fā)展和應用。（2）激光雷達等先進傳感器加速向低成本、小型化發(fā)展。任務二智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展（3）自主式智能技術與網(wǎng)聯(lián)式智能技術加速融合。（4）高速公路與低速區(qū)域自動駕駛系統(tǒng)將率先應用。（5）自動駕駛汽車測試評價方法研究與測試場建設成為熱點。任務二智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展二、智能網(wǎng)聯(lián)汽車的技術等級關于智能網(wǎng)聯(lián)汽車的技術分級，各主要國家是不完全相同的：美國分為5級，德國分為3級，中國分為5級。任務二智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展1、美國關于智能網(wǎng)聯(lián)汽車的技術分級美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）按以下5級定義汽車的自動化等級。（1）無自動駕駛階段（0級）。在無自動駕駛階段，駕駛人擁有車輛的全部控制權，在任何時刻，駕駛人都單獨控制汽車的運動，包括制動、轉向、加速和減速等。任務二智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展（2）駕駛人輔助階段（1級）。在駕駛人輔助階段，駕駛人擁有車輛的全部控制權。車輛具備一種或多種輔助控制技術，例如倒車影像與倒車雷達、電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)、車道偏離報警系統(tǒng)、正面碰撞預警系統(tǒng)、定速巡航系統(tǒng)以及汽車并線輔助系統(tǒng)等，這些輔助控制系統(tǒng)獨立工作，在特定情況下，通過對車輛運行狀況及運行環(huán)境的檢測，提示駕駛人駕駛的相關信息或警告駕駛人駕駛中可能出現(xiàn)的危險，方便駕駛人在接到提示或警告后及時做出反應。這一階段的技術相對成熟，已經(jīng)成為一些汽車的標準配置。同時，隨著技術成本的降低，其應用范圍將逐步擴大。任務二智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展（3）半自動駕駛階段（2級）。在半自動駕駛階段，駕駛人和車輛共享對車輛的控制權。車輛至少有兩種先進的駕駛輔助系統(tǒng)，而且這些系統(tǒng)能同時工作，例如自適應巡航控制系統(tǒng)和車道保持輔助系統(tǒng)的功能結合，可在一定程度上協(xié)助駕駛人控制車輛。這一階段正處于快速發(fā)展時期，未來幾年將有更多的先進駕駛輔助系統(tǒng)應用在量產車上。2級和1級的主要的區(qū)別：2級在特殊操縱條件下，自動操縱模式可以讓駕駛人脫離對汽車的操縱，而1級在任何條件下都不能離開駕駛人對汽車的操縱。任務二智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展（4）高度自動駕駛階段（3級）。在高度自動駕駛階段，車輛和駕駛人共享對車輛的控制權。在特定的道路環(huán)境下（高速公路、城郊或市區(qū)），駕駛人完全不用控制車輛，車輛完全自動行駛，而且可以自動檢測環(huán)境的變化以判斷是否返回駕駛人駕駛模式?，F(xiàn)階段已經(jīng)提出的高度自動駕駛技術有堵車輔助系統(tǒng)、高速公路自動駕駛系統(tǒng)和泊車引導系統(tǒng)等。目前，高度自動駕駛技術尚未應用在量產車型上，不過在未來幾年部分技術的量產將會實現(xiàn)。3級和2級的主要區(qū)別：3級在自動駕駛條件下，駕駛人不必時常監(jiān)視道路，而且以自動駕駛為主，駕駛人駕駛為輔；2級在自動駕駛條件下，駕駛人必須監(jiān)視道路，而且以駕駛人駕駛為主，自動駕駛為輔。（5）完全自動駕駛階段（4級）。在完全自動駕駛階段，車輛擁有車輛的全部控制權，駕駛人在任何時候都不能獲得控制權。駕駛人只需提供目的地信息或者進行導航輸入，整個駕駛過程無須駕駛人參與。車輛在全工況、全天候環(huán)境下完全掌控所有與安全有關的駕駛功能，并監(jiān)視道路環(huán)境。完全自動駕駛的實現(xiàn)意味著自動駕駛汽車真正駛入了人們的生活，使駕駛人從根本上得到解放。駕駛人可以在車上從事其他活動，如上網(wǎng)、辦公、娛樂和休息等。完全自動駕駛汽車將受到政策、法律等相關因素的制約，真正量產任重而道遠。任務二智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展任務二智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展2、德國關于智能網(wǎng)聯(lián)汽車的技術分級德國聯(lián)邦公路研究院把智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展劃分為3個階段，即部分自動駕駛、高度自動駕駛以及最終的完全自動駕（1）部分自動駕駛階段。在部分自動駕駛階段，駕駛人需要持續(xù)監(jiān)控車輛駕駛輔助系統(tǒng)的提示，車輛無法做出自主動作。任務二智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展（2）高度自動駕駛階段。在高度自動駕駛階段，駕駛人不再需要對駕駛輔助系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)控，駕駛輔助系統(tǒng)可以在某些狀態(tài)下暫時代替駕駛人做出一定的動作，駕駛人可以隨時對車輛進行操控。（3）完全自動駕駛階段。在完全自動駕駛階段，真正實現(xiàn)無人駕駛狀態(tài)。任務二智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展3、中國關于智能網(wǎng)聯(lián)汽車的技術分級中國把智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展劃分為5個階段，即輔助駕駛階段（DA）、部分自動駕駛階段（PA）、有條件自動駕駛階段（CA）、高度自動駕駛階段（HA）和完全自動駕駛階段（FA），具體見表1-2。任務二智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展智能化等級等級名稱等級定義控制監(jiān)視失效應對1輔助駕駛（DA）人監(jiān)控駕駛環(huán)境系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境信息對行駛方向和加減速中的一項操作提供支援，其他駕駛操作都由駕駛人完成駕駛人與系統(tǒng)駕駛人駕駛人2部分自動駕駛（PA）系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境信息對行駛方向和加減速中的多項操作提供支援，其他駕駛操作都由駕駛人完成駕駛人與系統(tǒng)駕駛人駕駛人3有條件自動駕駛（CA）自動駕駛系統(tǒng)監(jiān)控駕駛環(huán)境由自動駕駛系統(tǒng)完成所有駕駛操作，駕駛人需要根據(jù)系統(tǒng)請求提供適當干預系統(tǒng)系統(tǒng)駕駛人4高度自動駕駛（HA）由自動駕駛系統(tǒng)完成所有駕駛操作，系統(tǒng)會在特定環(huán)境下向駕駛人發(fā)出響應請求，駕駛人可以對系統(tǒng)請求不響應系統(tǒng)系統(tǒng)系統(tǒng)5完全自動駕駛（FA）自動駕駛系統(tǒng)可以完成駕駛人能夠完成所有環(huán)境條件下的操作，無須駕駛人介入系統(tǒng)系統(tǒng)系統(tǒng)（1）輔助駕駛階段（DA）。通過環(huán)境信息對行駛方向和加減速中的一項操作提供支援，其他駕駛操作都由駕駛人完成。適用于車道內正常行駛，高速公路無車道干涉路段行駛，無換道操作等情況。（2）部分自動駕駛階段（PA）。通過環(huán)境信息對行駛方向和加減速中的多項操作提供支援，其他駕駛操作都由駕駛人完成。適用于變道以及泊車、環(huán)島等市區(qū)簡單工況；還適用于高速公路及市區(qū)無車道干涉路段進行換道、泊車、環(huán)島繞行、擁堵跟車等操作。（3）有條件自動駕駛階段（CA）。由無人駕駛系統(tǒng)完成所有駕駛操作，駕駛人需要根據(jù)系統(tǒng)請求提供適當?shù)母深A。適用于高速公路正常行駛工況；還適用于高速公路及市區(qū)無車道干涉路段進行換道、泊車、環(huán)島繞行、擁堵跟車等操作。（4）高度自動駕駛階段（HA）。由無人駕駛系統(tǒng)完成所有駕駛操作，系統(tǒng)會在特定環(huán)境下向駕駛人提出響應請求，駕駛人可以對系統(tǒng)請求不響應。適用于有車道干涉路段（交叉路口、車流匯入、擁堵區(qū)域、人車混雜交通流等市區(qū)復雜工況）進行的全部操作。（5）完全自動駕駛階段（FA）。無人駕駛系統(tǒng)可以完成駕駛人能夠完成的所有道路環(huán)境下的操作，不需要駕駛人介入。適用于所有行駛工況下進行的全部操作。智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術21世紀技能創(chuàng)新型人才培養(yǎng)系列教材·汽車系列主編王皓張春蓉項目二雷達在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的應用任務一超聲波雷達任務二毫米波雷達任務三激光雷達智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術王皓項目二雷達在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的應用雷達的概念形成于20世紀初，是英文“Radar”的音譯，源于“RadioDetectionandRanging”的縮寫，其含義為“無線電探測和測距”，是利用微波波段電磁波散射來發(fā)現(xiàn)，探測并識別各種目標。目前汽車車載的雷達主要包括超聲波雷達、毫米波雷達和激光雷達，它們都屬于主動雷達。智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術王皓任務一超聲波雷達聲音是以波的形式傳播的，稱為聲波。聲波按照頻率高低可以分為次聲波、可聽波和超聲波。頻率低于20Hz的聲波稱為次聲波；頻率范圍在20Hz～20kHz的聲波為人耳能夠聽到的，稱為可聽波；頻率高于人類聽覺上限頻率（超過20kHz）的聲波稱為超聲波。利用超聲波進行環(huán)境感知的傳感器稱為超聲波傳感器，也稱為超聲波雷達。它是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，是在超聲頻率范圍內將交變的電信號轉換成聲信號或者將外界聲場中的聲信號轉換為電信號的能量轉換器件。—、超聲波雷達的特點（1）超聲波的傳播速度等于聲音的傳播速度，僅為光波的百萬分之一，并且指向性強，能量消耗緩慢，因此可以直接測量較近目標的距離，一般測量距離小于10m。但超聲波在探測時存在最小探測盲區(qū)，一般是幾十毫米，如圖2-1所示。任務一超聲波雷達任務一超聲波雷達圖2-1超聲波雷達有效探測距離任務一超聲波雷達（2）超聲波對色彩、光照度不敏感，可適用于識別透明、半透明及漫反射差的物體。（3）超聲波對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強、有毒等惡劣環(huán)境中。（4）超聲波傳感器結構簡單，體積小，成本低，信息處理簡單可靠，易于小型化與集成化，并且可以進行實時控制。任務一超聲波雷達二、超聲波雷達的組成與結構超聲波雷達主要由發(fā)射器、接收器、控制部分與電源等組成。發(fā)射器由波發(fā)送器與陶瓷振子換能器組成，換能器的作用是將陶瓷振子的電振動能量轉換成超能量并向空中輻射；接收器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波產生機械振動，將其轉化為電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發(fā)送的超聲波進行檢測?？刂撇糠种饕獙Πl(fā)送器發(fā)送的脈沖鏈頻率、占空比、稀疏調制以及計數(shù)和探測距離等進行控制。任務一超聲波雷達超聲波雷達的典型結構如圖2-3所示，采用的是雙晶振子（壓電晶片），即把雙壓電陶瓷片按相反極化方向粘在一起；在長度方向上，一片伸長另一片就縮短。在雙晶振子的兩面涂覆薄膜電極，上面用引線通過金屬板（振動板）接到一個電極端，下面用引線直接接到另一個電極端。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐。這兩處支點形成振子振動的節(jié)點。金屬振動板的中心有圓錐形振子，發(fā)送超聲波時，圓錐形振子有較強的方向性，因而能高效地發(fā)送超聲波；接收超聲波時，超聲波的振動集中于振子的中心，所以能產生高效率的高頻電壓。超聲波傳感器采用金屬或塑料外殼，其頂部有屏蔽柵。通過超聲換能結構，配以適當?shù)氖瞻l(fā)電路，就可以使超聲能量定向傳輸，并按預期接收反射波，實現(xiàn)超聲測距、遙控、防盜等功能。任務一超聲波雷達圖2-3超聲波雷達的典型結構任務一超聲波雷達三、超聲波雷達的分類1.停車距離控制超聲波雷達（PDC）停車距離控制超聲波雷達又稱為駐車輔助雷達（UPA），安裝在汽車前后保險杠上，用于探測汽車前后的障礙物，探測距離一般為15～250cm，。2.自動泊車輔助超聲波雷達（PLA）自動泊車輔助超聲波雷達又稱為泊車輔助雷達（APA），安裝在汽車側面，用于測量停車位的長度，探測距離一般為30～500cm。任務一超聲波雷達如圖2-4所示的汽車前后向共配置了8個UPA，左右側共配置了4個APA。圖2-4超聲波雷達的配置位置任務一超聲波雷達四、超聲波雷達測距原理超聲波雷達的測距原理如圖2-5所示，超聲波發(fā)射頭發(fā)出的超聲波脈沖經(jīng)介質（空氣）傳到障礙物表面，反射后通過介質（空氣）傳到接收頭，測出超聲脈沖從發(fā)射到接收所需的時間，根據(jù)介質中的聲速，即可求得從探頭到障礙物表面的距離。設探頭到障礙物表面的距離為L，超聲波在空氣中的傳播速度為v（約為340m/s），從發(fā)射到接收所需的傳播時間為t，當發(fā)射頭和接收頭之間的距離遠小于探頭到障礙物之間的距離時，則有L=vt/2。任務一超聲波雷達圖2-5超聲波雷達的測距原理任務一超聲波雷達五、超聲波雷達的主要參數(shù)1.測量范圍超聲波雷達的測量范圍取決于其使用的波長和頻率。波長越長，頻率越小，測量距離越大，如具有毫米波長的緊湊型雷達的測量范圍為300～500mm，波長大于5mm的雷達的測量范圍可以達到10m。2.測量精度測量精度是指雷達測量值與真實值的偏差。超聲波雷達測量精度主要受被測物體體積、表面形狀、表面材料等影響。被測物體體積過小、表面凹凸不平、物體材料吸收聲波等情況都會降低超聲雷達的測量精度。測量精度越高，感知信息越可靠。任務一超聲波雷達3.波束角雷達產生的聲波以一定角度向外發(fā)出，沿雷達中軸線方向上的超聲射線能量最大，能量向其他方向逐漸減弱。以雷達中軸線的延長線為軸線，到一側能量強度減小一半處的角度稱為波束角。波束角越小，指向性越好。一些雷達具有較窄的6°波束角，適合精確測量相對較小的物體。波束角為12°～15°的雷達能夠檢測具有較大傾角的物體。4.工作頻率工作頻率直接影響超聲波的擴散和吸收損失、障礙物反射損失、背景噪聲，并直接決定雷達的尺寸。一般將工作頻率設置在40kHz左右，這樣雷達方向性尖銳，且避開了噪聲，提高了信噪比；雖然傳播損失相對低頻有所增加，但不會給發(fā)射和接收帶來困難。5.抗干擾性能超聲波為機械波，環(huán)境中的噪聲會干擾超聲波雷達接收物體反射回來的超聲波，因此要求超聲波雷達具有一定的抗干擾能力。任務一超聲波雷達六、超聲波雷達的應用超聲波雷達可實現(xiàn)360°探測，主要用于近距離測距，如基于超聲波雷達的泊車系統(tǒng)。圖2-6超聲波雷達在自動泊車系統(tǒng)中的應用任務二毫米波雷達毫米波雷達是指工作頻率介于微波和光之間，頻域為30～300GHz（波長為1～10mm，即1mm波波段）的雷達。毫米波處于微波和遠紅外波相交疊的波長范圍，因此毫米波具有兩種波譜的優(yōu)點，同時也有自身的特點。按照波的傳播理論，波長越短、頻率越高，分辨率就越高，穿透能力就越強，在傳播過程中的損耗也就越大，導致傳輸距離近。波長越長，繞射能力就越強，傳輸距離就越遠。與遠紅外波相比，毫米波的大氣衰減小，對煙霧和灰塵有較好的穿透力，受天氣的影響較??；與微波相比，毫米波的分辨率較高，指向性好，抗干擾能力強，探測性能較好。任務二毫米波雷達—、毫米波雷達的特點（1）優(yōu)異的探測性能。毫米波波長較短，指向性好。毫米波雷達探測不受顏色與溫度的影響。（2）快速的響應速度。毫米波的傳播速度接近光速，并且其調制簡單，配合高速信號處理系統(tǒng)，可以快速地測量出目標的角度、距離、速度等信息。（3）對環(huán)境適應性強。毫米波具有很強的穿透能力，在雨、雪、大霧等惡劣天氣依然可以正常工作。由于毫米波雷達所用天線屬于微波天線，相比于光波天線，它在大雨及輕微上霜的情況下依然可以正常工作。任務二毫米波雷達（4）抗干擾能力強。毫米波雷達一般工作在高頻段，而周圍的噪聲處于中低頻區(qū)，基本不會影響毫米波雷達的正常運行，所以說毫米波雷達具有抗低頻干擾特性。（5）毫米波雷達最主要的缺點：毫米波在空氣中傳播時會受到的氧分子和水蒸氣的影響，這些氣體的諧振會對毫米波頻率產生選擇性吸收和散射，大氣傳播衰減嚴重，因此，實際應用中，應找到毫米波在大氣中傳播時由氣體分子諧振吸收所致衰減為極小值的頻率。（6）毫米波雷達也有一定的局限性：雨、霧和濕雪等高潮濕環(huán)境的信號衰減，大功率器件和插損的影響降低了毫米波雷達的探測距離；樹叢穿透能力差，相比微波，毫米波對密樹叢的穿透力低；元器件成本高，加工精度要求高，單片收發(fā)集成電路的開發(fā)相對遲緩。任務二毫米波雷達二、毫米波雷達的分類毫米波雷達可以按照工作原理、探測距離和頻段進行分類。1.按工作原理分類毫米波雷達按工作原理的不同可以分為脈沖式毫米波雷達與調頻式連續(xù)毫米波雷達兩類。脈沖式毫米波雷達通過發(fā)射脈沖信號與接收脈沖信號之間的時間差來計算目標距離；調頻式連續(xù)毫米波雷達是利用多普勒效應測量得出不同目標的距離和速度。目前，大多數(shù)車載毫米波雷達采用調頻式連續(xù)毫米波雷達。任務二毫米波雷達2.按探測距離分類毫米波雷達按探測距離可分為近距離（SRR）、中距離（MRR）和遠距離（LRR）毫米波雷達。3.按頻段分類毫米波雷達按采用的毫米波頻段不同，分為24GHz、60GHz、77GHz和79GHz毫米波雷達，主流可用頻段為24GHz和77GHz，任務二毫米波雷達圖2-824GHz和77GHz毫米波雷達任務二毫米波雷達77GHz毫米波雷達與24GHz毫米波雷達相比具有以下特點：（1）77GHz毫米波雷達探測距離更遠。（2）77GHz毫米波雷達的體積更小。（3）77GHz毫米波雷達的檢測精度更好。（4）77GHz毫米波雷達要求的工藝更高。（5）77GHz毫米波雷達的芯片供應較24GHz毫米波雷達困難。任務二毫米波雷達三、毫米波雷達的測量原理車載毫米波雷達根據(jù)測量原理不同，一般分為脈沖方式和調頻連續(xù)波方式兩種。1.脈沖方式脈沖方式的測量原理簡單，但由于受技術、元器件等方面的影響，實際應用中很難實現(xiàn)。采用脈沖方式的毫米波雷達需在很短的時間（微秒級）內發(fā)射大功率的脈沖信號，通過脈沖信號控制雷達發(fā)射裝置發(fā)射出高頻信號，因此在硬件結構上比較復雜，成本高。除此之外，在高速路上行駛的車輛，其回波信號難免會受到周圍樹木、建筑物的影響，使回波信號衰減，從而降低接收系統(tǒng)的靈敏度。同時，如果收發(fā)采用同一個天線，在對回波信號進行放大處理之前，應將其與發(fā)射信號進行嚴格隔離，否則會因為發(fā)射信號的竄入，導致回波信號放大器飽和或者損壞。為了避免發(fā)射信號竄入接收信號，需進行隔離技術處理。通常采用環(huán)形器或者使用不同的天線收發(fā)，以避免發(fā)射信號的竄入，但這樣會增加硬件結構的復雜性，導致產品成本升高。故在車用領域，脈沖方式應用較少。任務二毫米波雷達2.調頻連續(xù)波方式目前，大多數(shù)車載毫米波雷達采用調頻連續(xù)波方式，其測量原理如圖2-9所示。調頻式連續(xù)毫米波雷達是利用多普勒效應測量出不同目標的距離和速度。它通過發(fā)射器向給定目標發(fā)射毫米波信號，并分析發(fā)射信號時間、頻率和反射信號時間、頻率之間的差值，精確測量出目標相對于雷達的距離和運動速度等信息。任務二毫米波雷達圖2-9調頻式連續(xù)毫米波雷達的測量原理雷達調頻器通過天線發(fā)射毫米波信號，發(fā)射信號遇到目標后，經(jīng)目標的反射會產生回波信號，發(fā)射信號與回波信號相比：形狀相同，時間上存在差值。當目標與雷達信號發(fā)射源之間存在相對運行時，發(fā)射信號與回波信號之間除存在時間差外，還會產生多普勒頻率。任務二毫米波雷達采用調頻連續(xù)波方式的毫米波雷達結構簡單，體積小，可以同時測得目標的相對距離和相對速度。調頻式連續(xù)毫米波雷達的測距和測速計算公式為任務二毫米波雷達四、毫米波雷達的目標識別流程毫米波雷達的目標識別是通過分析回波特征信息，采用數(shù)學手段通過各種特征空間變換抽取目標的特性參數(shù)，如大小、材質、形狀等，并將抽取的特性參數(shù)與已建立的數(shù)據(jù)庫中的目標特征參數(shù)進行比較、辨別和分類，其流程如圖2-10所示。圖2-10毫米波雷達的目標識別流程任務二毫米波雷達1.特征信息提取利用發(fā)射源與目標處于相對靜止狀態(tài)時的中頻信號可以進行目標特征信息的提取，以有效進行目標識別。2.特征空間變換特征空間變換是利用梅林變換、沃爾什變換、馬氏距離線性變換等正交變換方法，解除不同目標特征間的相關性，加強不同目標特征間的可分離性，最終剔除冗余特征，達到減少計算量的目的。任務二毫米波雷達3.識別算法識別算法主要包括空目標去除、無效目標去除和靜止目標去除。4.目標特征庫的建立目標特征庫的建立有3種方法：通過實際試驗數(shù)據(jù)建立，半實物仿真數(shù)據(jù)建立，通過虛擬仿真數(shù)據(jù)建立。5.識別結果輸出把識別結果輸出到有關的控制系統(tǒng)中，完成相應的控制功能。任務二毫米波雷達五、毫米波雷達的布置毫米波雷達在汽車上的布置如圖2-11所示，分為正向毫米波雷達布置、側向毫米波雷達布置和毫米波雷達布置高度。任務二毫米波雷達1.正向毫米波雷達布置正向毫米波雷達一般布置在車輛中軸線上，外露或隱藏在保險杠內部。雷達波束的中心平面要求與路面基本平行，考慮雷達系統(tǒng)誤差、結構安裝誤差、車輛載荷變化等因素，需保證其與路面夾角的最大偏差不超過5°。在某些特殊情況下，正向毫米波雷達無法布置在車輛中軸線上時，允許正Y向最大偏置距離為300mm。偏置距離過大會影響雷達的有效探測范圍。2.側向毫米波雷達布置側向毫米波雷達在車輛四角呈左右對稱布置，前側向毫米波雷達與車輛行駛方向夾角成45°，后側向毫米波雷達與車輛行駛方向夾角成30°，雷達波束的中心平面與路面基本平行，角度最大偏差仍需控制在5°以內。任務二毫米波雷達3.毫米波雷達布置高度毫米波雷達在Z方向的探測角度一般只有±5°，雷達的安裝高度太高會導致下盲區(qū)增大，太低又會導致雷達波束射向地面，地面反射會帶來雜波干擾，影響雷達的判斷。因此，毫米波雷達的布置高度（即地面到雷達模塊中心點的距離）的建議范圍為500mm（滿載狀態(tài)）至800mm（空載狀態(tài)）。布置毫米波雷達時，還需要考慮其他因素，如雷達造型的美觀性、對行人保護的影響、設計安裝結構的可行性、雷達調試的便利性、售后維修成本等。任務二毫米波雷達六、毫米波雷達的應用任務二毫米波雷達毫米波雷達在智能網(wǎng)聯(lián)汽車ADAS中的應用如圖2-12所示。例如，自適應巡航控制需要3個毫米波雷達，車輛正中間一個77GHz的LRR，探測距離范圍為150～250m，角度為10°左右；車輛兩側各一個24GHz的SRR，角度都為300°，探測距離范圍為50～70m。任務三激光雷達激光雷達是指工作在光頻波段，以發(fā)射激光束來探測目標位置的雷達系統(tǒng)，其功能主要是搜索和發(fā)現(xiàn)目標；測量其距離、速度、角位置等運動參數(shù)；測量目標反射率、散射截面和形狀等特征參數(shù)。激光雷達根據(jù)掃描機構的不同，有二維和三維兩種。它們大部分靠旋轉的反射鏡將激光發(fā)射出去并通過測量發(fā)射光和障礙物表面的反射光之間的時間差來測距。三維激光雷達的反射鏡附加了一定范圍內的俯仰功能，以達到面掃描的效果。二維激光雷達和三維激光雷達在先進駕駛輔助系統(tǒng)上得到了廣泛應用。與三維激光雷達相比，二維激光雷達只在一個平面上掃描，結構簡單，測距速度快，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠；但應用于地形復雜、路面高低不平的環(huán)境時，由于它只能在一個平面上進行單線掃描，故會出現(xiàn)數(shù)據(jù)失真和虛報的情況。此外，由于數(shù)據(jù)量有限，單個二維激光雷達也無法完成越野環(huán)境下的地形重構。任務三激光雷達—、激光雷達的特點激光雷達以激光作為載波，激光是光波波段電磁輻射，波長比微波和毫米波短得多。激光雷達具有以下特點：1.全天候工作2.探測范圍廣、精度高3.抗干擾能力強，隱蔽性好4.具有三維建模功能任務三激光雷達二、激光雷達的組成激光雷達由激光發(fā)射系統(tǒng)、光電接收系統(tǒng)、信號采集處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。（1）激光發(fā)射系統(tǒng)：主要負責向障礙物發(fā)出激光信號。（2）光電接收系統(tǒng)：主要負責接收經(jīng)障礙物反射回來的激光信息。（3）信號采集處理系統(tǒng)：主要負責對接收回來的信號進行處理，使其符合下一級系統(tǒng)的要求，是激光雷達系統(tǒng)最關鍵的環(huán)節(jié)，直接影響激光雷達系統(tǒng)的測量精度。（4）控制系統(tǒng)：主要作用是提供信號并且對接收的信號進行數(shù)據(jù)處理。任務三激光雷達三、激光雷達的類型1.激光雷達按有無機械旋轉部件，可分為機械激光雷達、固態(tài)激光雷達和混合固態(tài)激光雷達，如圖2-13所示。任務三激光雷達（1）機械激光雷達機械激光雷達帶有控制激光發(fā)射角度的旋轉部件，體積較大，價格昂貴，測量精度相對較高，一般置于汽車頂部。（2）固態(tài)激光雷達固態(tài)激光雷達依靠電子部件來控制激光發(fā)射角度，無須機械旋轉部件，故尺寸較小，可安裝于車體內。（3）混合固態(tài)激光雷達混合固態(tài)激光雷達沒有大體積旋轉結構，采用固定激光光源，通過內部玻璃片旋轉的方式改變激光光束方向，可實現(xiàn)多角度檢測的需要，采用嵌入式安裝方式。任務三激光雷達2.根據(jù)線束數(shù)量的多少，激光雷達又可分為單線束激光雷達與多線束激光雷達。（1）單線束激光雷達單線束激光雷達掃描一