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車載攝像頭

車載攝像頭

車載攝像頭的大致原理是:首先,采集圖像進行處理,將圖片轉換為二維數據;然后,進行模式識別,通過圖像匹配進行識別,如識別車輛行駛環境中的車輛、行人、車道線、交通標志等;接下來,依據物體的運動模式或使用雙目定位,以估算目標物體與本車的相對距離和相對速度。

相比于其他傳感器,攝像頭最為接近人眼獲取周圍環境信息的工作模式,可以通過較小的數據量獲得最為全面的信息,同時因為現在的攝像頭技術比較成熟,成本可較低。但是,攝像頭識別也存在一定局限性,基于視覺的解決方案受光線、天氣影響大;同時,物體識別基于機器學習資料庫,需要的訓練樣本大,訓練周期長,也難以識別非標準障礙物;同時,由于廣角攝像頭的邊緣畸變,得到的距離準確度較低。

從應用方案出發,目前攝像頭可劃分為單目、后視、立體(雙目)、環視攝像頭四種。如表5總結: 
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表 攝像頭的應用場景


  1. 單目攝像頭一般安裝在前擋風玻璃上部,用于探測車輛前方環境,識別道路、車輛、行人等。先通過圖像匹配進行目標識別(各種車型、行人、物體等),再通過目標在圖像中的大小去估算目標距離。這要求對目標進行淮確識別,然后要建立并不斷維護一個龐大的樣本特征數據庫,保證這個數據庫包含待識別目標的全部特征數據。如果缺乏待識別目標的特征數據,就無法估算目標的距離,導致ADAS系統的漏報。因此,單目視覺方案的技術難點在于模型機器學習的智能程度或者說模式識別的精度;
  2. 后視攝像頭,一般安裝在車尾,用于探測車輛后方環境,技術難點在于如何適應不同的惡劣環境;
  3. 立體(雙目)攝像頭,是通過對兩幅圖像視差的計算,直接對前方景物(圖像所拍攝到的范圍)進行距離測量,而無需判斷前方出現的是什么類型的障礙物。依靠兩個平行布置的攝像頭產生的“視差”,找到同一個物體所有的點,依賴精確的三角測距,就能夠算出攝像頭與前方障礙物距離,實現更高的識別精度和更遠的探測范圍。使用這種方案,需要兩個攝像頭有較高的同步率和采樣率,因此技術難點在于雙目標定及雙目定位。相比單目,雙目的解決方案沒有識別率的限制,無需先識別可直接進行測量;直接利用視差計算距離精度更高;無需維護樣本數據庫。但因為檢測原理上的差異,雙目視覺方案在距離測算上相比單目以及毫米波雷達、激光雷達,其硬件成本和計算量級的加倍,也是另一個難關。
  4. 環視攝像頭,一般至少包括四個攝像頭,分別安裝在車輛前、后、左、右側,實現360°環境感知,難點在于畸變還原與對接。

根據不同ADAS功能的需要,攝像頭的安裝位置也有不同。主要分為前視、后視、側視以及內置。實現自動駕駛時全套ADAS功能將安裝6個以上攝像頭。 
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圖 無人車攝像頭方位設置


前視攝像頭一般采用55度左右的鏡頭來得到較遠的有效距離,有單目和雙目兩種解決方案。雙目需要裝在兩個位置,成本較單目貴50%。環視使用的是廣角攝像頭,通常在車四周裝備四個進行圖像拼接實現全景圖,通過輔助算法可實現道路線感知。后視采用廣角或者魚眼鏡頭,主要為倒車后視使用。側視一般使用兩個廣角攝像頭,完成盲點檢測等工作,也可代替后視鏡,這一部分功能也可由超聲波雷達替代。內置使用的也是廣角鏡頭,安裝在車內后視鏡處,完成在行駛過程中對駕駛員的閉眼提醒。其中,前視攝像頭可以實現ADAS主動安全的核心功能如車道偏離預警、車輛識別應用、車輛識別、行人識別、道路標識識別等,未來將是自動緊急剎車(AEB)、自適應巡航(ACC)等主動控制功能的信號入口,安全等級較高,應用范圍較廣,是目前開發的熱點。 
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表 按功能需求的攝像頭劃分


車載攝像頭在工藝上的首要特性是快速,特別是在高速行駛場合,系統必須能記錄關鍵駕駛狀況、評估這種狀況并實時啟動相應措施。在140km/h的速度,汽車每秒要移動40米。為避免兩次圖像信息獲取間隔期間自動駕駛的距離過長,要求相機具有最慢不低于30幀/秒的影像捕捉速率,在汽車制造商的規格中,甚至提出了60幀/秒和120幀/秒的要求。在功能上,車載攝像頭需要在復雜的運動路況環境下都都能保證采集到穩定的數據。具體表現為:

  1. 高動態:在較暗環境以及明暗差異較大下仍能實現識別,要求攝像頭具有高動態的特性。
  2. 中低像素:為降低計算處理的負擔,攝像頭的像素并不需要非常高。目前30-120萬像素已經能滿足要求。
  3. 角度要求:對于環視和后視,一般采用135度以上的廣角鏡頭,前置攝像頭對視距要求更大,一般采用55度的范圍。
  4. 同時,相比工業級與生活級攝像頭,車載類型在安全級別上要求更高,尤其是對與前置ADAS的鏡頭安全等級要求更高。主要體現在:
  5. 溫度要求:車載攝像頭溫度范圍在-40~80℃。
  6. 防磁抗震:汽車啟動時會產生極高的電磁脈,車載攝像頭必須具備極高的防磁抗震的可靠性。
  7. 較長的壽命:車載攝像頭的壽命至少要在8-10年以上才能滿足要求。 
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    圖 各種無人駕駛應用攝像頭

根據IHS Automotive預測,車載攝像頭系統出貨量有望在2021年達到7400萬套/年。國內行業龍頭優勢地位明顯,如舜宇光學車載后視鏡頭出貨量目前居全球第1位,全球市場占有率達30%左右,產品包括前視鏡頭、后視鏡頭、環視鏡頭、側視鏡頭、內視鏡頭等。客戶遍及歐美、日韓和國內。具體的型號包括有:4005、4408、4009、4017、4017、4034、4043、4044等。以4005與4043為例,其規格參數見表7。 
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表 按功能需求的攝像頭劃分


GPS/IMU

GPS在復雜的動態環境中,尤其在大城市,其多路徑反射的問題很顯著,導致獲得的GPS定位信息很容易產生幾米的誤差。另外,由于GPS的更新頻率低(10Hz),在車輛快速行駛時很難給出精準的實時定位。單純依賴GPS的導航很有可能導致交通事故。因此GPS通常輔助以慣性傳感器(IMU)用來增強定位的精度。IMU是檢測加速度與旋轉運動的高頻(1KHz)傳感器,但IMU自身也有偏差積累與噪音等問題影響結果。通過使用基于卡爾曼濾波的傳感器融合技術,我們可以融合GPS與IMU數據,結合GPS的定位精度高和誤差無積累的特點,與IMU的自主性和實時性的優點。一方面可以實現導航設備之間優勢互補,增強系統適應動態的能力,并使整個系統獲得優于局部系統的精度;另一方面提高了空間和時間的覆蓋范圍,從而實現真正意義上的連續導航。因此,GPS/IMU組合的優勢在于:

  1. 系統精度的提高。利用GPS的長期穩定性彌補IMU誤差隨時間累積的缺點。GPS/IMU組合后的導航誤差實際上要比單獨的GPS或單獨的慣導系統可能達到的誤差都小。
  2. 系統抗干擾能力的增強。利用IMU的短期高精度彌補GPS系統易受干擾、信號易失鎖等缺點,同時借助IMU的姿態信息、角速度信息可進一步提高GPS系統快速捕獲或重新鎖定衛星信號的能力。
  3. 導航信息的補全。GPS/IMU組合系統與單GPS相比,除了可以提供載體運動的三維位置和速度信息外,還可提供加速度、姿態和航向信息;GPS/IMU組合系統此外可提供100Hz甚至高于100Hz的數據更新率。

IMU慣性器件的標定技術由于加速度計、陀螺儀等慣性器件本身存在缺陷,會產生一些器件誤差,如標度因數誤差等。另外,在對IMU進行集成的時候,各個器件之間的非正交安裝會引起交叉耦合誤差。以上這些誤差可以通過器件標定來加以補償,以達到提高其精度的目的。

GPS/IMU的主要制造商包括:NovAtel、Leica、CSI Wireless以及Thales Navigation。其中,NovAtel提出了SPAN技術。SPAN集合了GPS定位的絕對精度與IMU陀螺和加速計測量的穩定性,以提供一個3D的位置、速度和姿態解算結果。即使在GPS信號被遮擋的時候,也能提供穩定連續的解算結果。基于SPAN技術,NovAte有兩款主要的GPS/IMU產品:SPAN-CPT一體式組合導航系統與SPAN-FSAS分式組合導航系統。SPAN-CPT采用NovAtel自主的專業級的高精度GPS板卡與德國的iMAR公司制造的光纖陀螺IMU。其解算精度在不同的模式下可適用于不同的定位需求,支持包括SBAS,L波段(Omnistar和CDGPS)和RTK差分等多種方式;系統最高航向精度0.05°;俯仰橫滾精度0.015°。SPAN-FSAS也采用德國iMAR公司高精度、閉環技術的IMU,其陀螺偏差小于0.75度/小時和加速計偏差小于1mg,配合目前NovAtel 的FlexPak6™或ProPak6™集成了組合導航解算。從IMU-FSAS的慣性測量數據發送到GNSS接收機進行解算,GNSS+INS的位置,速度和姿態輸出速率高達200Hz。 
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圖 NovAtel兩款GPS/IMU產品

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