ADAS系統(tǒng)的結構分析車聯(lián)網(wǎng)的特點與實現(xiàn)

一、ADAS簡介

ADAS（Advanced Driver Assistance Systems）是高級輔助駕駛系統(tǒng)的縮寫，有文獻認為是智能汽車的縮寫。所謂高級輔助駕駛系統(tǒng)，就是幫助人們更好地操控車輛的輔助裝置，一般提供更安全的駕駛條件或更舒適的用戶體驗。利用安裝于車上各式各樣的傳感器及攝像頭，在第一時間收集車內外的環(huán)境數(shù)據(jù)，進行靜、動態(tài)物體的辨識、偵測與追蹤等技術上的處理，從而能夠讓駕駛者在最快的時間察覺可能發(fā)生的危險。

01 ? ? ADAS功能類別

目前，ADAS涉及到12門技術，主要基于三種傳感器一一攝像頭、雷達、激光雷達。在這12門技術中，組合出了感知、控制、決策這自動駕駛三大模塊。目前較為常用的ADAS可以按照功能類，如圖1所示。

02 ? ? 汽車不同的自動化階段

ADAS的功能還遠不止表1所示這些，還有許多功能在開發(fā)中。比如法雷奧公司目前正在研發(fā)的AP&C（Automated Parking＆Charging）等。目前的ADAS不等于自動駕駛。ADAS僅僅是輔助駕駛，還需要人進行主導；而自動駕駛是人工智能主導，駕乘人員稍微關注甚至完全不用關注路況。如圖1所示為根據(jù)SAE劃分的汽車自動化階段圖。

03 ? ? 智能汽車和車聯(lián)網(wǎng)的關系

隨著汽車智能化、電子化的推進，無人駕駛已經(jīng)是未來汽車發(fā)展的必然趨勢，智能汽車（ADAS）和車聯(lián)網(wǎng)（Vehicle-to-everything、V2X）分別實現(xiàn)無人駕駛的內部和外部要求，而5G技術即成為車聯(lián)網(wǎng)V2X中的關鍵制衡。

汽車智能化的終極目標是無人駕駛，而實現(xiàn)無人駕駛是一個漸進式的發(fā)展過程，在這個過程中，車內硬件智能（ADAS）和車際互聯(lián)通信（V2X）兩條腿走路，比較而言，ADAS技術只需要在車體本身做傳感器加裝和算法改進，相較于具備強外部性的V2X技術更易推進，是智能汽車的早期技術，目前國內國外在跑的中高端車型上基本加裝了部分ADAS功能，幾乎能協(xié)助車輛達成L3級別以下的自動駕駛。要實現(xiàn)更高級別的自動駕駛乃至無人駕駛，其制衡點更多在于車際互聯(lián)（V2X）技術，這項技術簡單化理解就是以聯(lián)網(wǎng)通信的模式強化感知，相當在車輛上加裝了更為靈敏的“眼睛”，實現(xiàn)真正的車路協(xié)同。但是V2X技術具備強外部性，要求對整體道路基建做整改，對通信協(xié)議做規(guī)范，同時對高速移動通信的質量提出更高的要求，V2X這項技術在國內極高概率是以智能互聯(lián)示范區(qū)的模式推進。

要充分發(fā)揮V2X下車路協(xié)同的優(yōu)勢，傳輸信息和信號，需要非常大的流量和帶寬以及很短的延時，差之毫厘失之千里，5G技術即成為車聯(lián)網(wǎng)V2X中的關鍵制衡。隨著5G通信技術的發(fā)展以及我國在全球通信產(chǎn)業(yè)的地位提升，未來汽車智能駕駛不僅限于硬件端（ADAS），還將向通信端發(fā)力，這期間搭建通訊收發(fā)設備，覆蓋5G應用網(wǎng)絡的智能互聯(lián)示范區(qū)將獲得迅速發(fā)展。

智能駕駛的最終目標就是無人駕駛，而智能汽車（ADAS）和車聯(lián)網(wǎng)（V2X）分別是實現(xiàn)無人駕駛的內部和外部要求。5G商用是車際網(wǎng)發(fā)展的重要催化劑。

二、車聯(lián)網(wǎng)

01 ? ? 車聯(lián)網(wǎng)的分類

車聯(lián)網(wǎng)（V2X）是通向無人駕駛高級階段的核心技術。廣義車聯(lián)網(wǎng)包含車內、車際和車云網(wǎng)。

車聯(lián)網(wǎng)有廣義和狹義之分，狹義車聯(lián)網(wǎng)單指“Telematics”（車載移動互聯(lián)網(wǎng)，又稱車云網(wǎng)）。這里定義車聯(lián)網(wǎng)為廣義車聯(lián)網(wǎng)，即車內、車際、車云三網(wǎng)融合。廣義的車聯(lián)網(wǎng)是最終實現(xiàn)無人駕駛的重要一環(huán)，一方面，車際網(wǎng)聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈前端的ADAS實現(xiàn)車路協(xié)同；另一方面，車云網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至云平臺進行清晰分析，開辟產(chǎn)業(yè)鏈后端廣闊的汽車后服務市場。

（1）車內網(wǎng)：是指通過應用CAN 總線技術建立一個標準化的整車網(wǎng)絡。

（2）車際網(wǎng)（V2X）：是指基于DSRC技術和IFEE 802.11系列無線局域網(wǎng)協(xié)議的動態(tài)網(wǎng)絡。這是促進車際互聯(lián)的最核心技術。

（3）車云網(wǎng)（Telematics）：又稱車載移動互聯(lián)網(wǎng)，是指車載終端通過3G/4G/5G等通信技術與互聯(lián)網(wǎng)進行無線連接。

02 ? ? 車聯(lián)網(wǎng)的應用

車內網(wǎng)與車云網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化應用成熟，車際網(wǎng)尚處培育階段。車內網(wǎng)和車云網(wǎng)分別對應的CAN總線與OBD盒子等產(chǎn)品在國內均有較為成熟的應用和市場規(guī)模。而以V2X芯片為核心產(chǎn)品的車際網(wǎng)，是推動車路協(xié)同，促進車際互聯(lián)的關鍵，由于其技術壁壘最高，發(fā)展步伐最為緩慢。世界范圍內的V2X產(chǎn)品均處開發(fā)階段，未形成大規(guī)模生產(chǎn)，批量生產(chǎn)后可配套裝載于智能汽車和道路信號燈、加油站等基礎設施，市場前景廣闊。

如圖2所示，車際網(wǎng)是車聯(lián)網(wǎng)之魂，其核心在于V2X技術。V2X技術是通向無人駕駛高級階段的核心技術。無人駕駛依照“ADAS裝配實現(xiàn)車內智能→LTE-V/DSRC技術實現(xiàn)車際互聯(lián)→車際互聯(lián)的發(fā)展進一步推動車內智能設備的研發(fā)→車內智能對車際互聯(lián)要求的上升”的發(fā)展路徑，呈現(xiàn)螺旋上升趨勢。

目前我國智能駕駛發(fā)展還是以車內智能為主，車際互聯(lián)發(fā)展較為緩慢，但隨著V2X技術的完善，車路協(xié)同檢測日漸成熟，車際互聯(lián)在未來幾年將出現(xiàn)較快增長。

如圖3所示，V2X技術是車內智能和車際互聯(lián)的轉換器，是智能互聯(lián)示范區(qū)最核心技術所在。V2X受益于智能互聯(lián)示范區(qū)內基礎設施建設和車內芯片裝配，產(chǎn)業(yè)鏈地位將大幅提升。

03 ? ? 車聯(lián)網(wǎng)的特點與實現(xiàn)

（1）車聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)方式

V2X實現(xiàn)的兩種方式：V2X的實現(xiàn)主要有DSRC和LTE-V兩種方式。其中DSRC是美國的V2V通信標準，中國目前主導的通信技術是LTE-V。

（2）V2x技術的主要特點

V2X技術的主要特點是：①網(wǎng)絡拓撲不穩(wěn)定；②外部環(huán)境干擾嚴重；③行車軌跡可預測；④以小數(shù)據(jù)包為主。

由此發(fā)展出了兩種研究方向，即專用短程通訊（DSRC）技術和基于蜂窩移網(wǎng)的（LTE-V2X）技術。0DSRC：目前廣泛應用的電子停車收費系統(tǒng)ETC就是基于DSRC實現(xiàn)的。DSRC在2014年2月被美國交通部確認為V2V標準；②）LTE-V是基于LTE（4G）無線傳輸技術的車聯(lián)網(wǎng)專用通信網(wǎng)。

（3）車聯(lián)網(wǎng)市場空間

車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展可以分為三大階段，當前正處于第二階段—智能網(wǎng)聯(lián)汽車階段。車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展從最早期的車載信息開始，車輛具備基本的聯(lián)網(wǎng)能力；在當前的智能網(wǎng)聯(lián)階段，通過V2X技術，車路開始協(xié)同；到了未來的智慧出行階段，車路協(xié)同在智能交通和高級自動駕駛中廣泛應用，不可或缺。

三、ADAS系統(tǒng)的結構

如圖4所示，ADAS系統(tǒng)由三個部分構成，分別是感知層、認知與判斷層、執(zhí)行層。感知層硬件包括雷達、攝像頭等傳感器，用于探測汽車周圍的環(huán)境信息，為其他兩個功能模塊提供信息支持。認知與判斷層涉及算法、應用軟件與芯片。攝像頭、雷達等ADAS傳感器測量到的數(shù)據(jù)，還要與發(fā)動機、底盤、車身上的其他各類傳感器測量到的數(shù)據(jù)配合。不同處理器處理的信息通過總線通信，最后給執(zhí)行層發(fā)出指令。執(zhí)行層則對應電子剎車、電子助力轉向、電子車身穩(wěn)定系統(tǒng)等。

如圖5所示，ADAS的傳感器主要有超聲波雷達、毫米波雷達、激光雷達、攝像頭4類。不同傳感器的原理和功能各不相同，能在不同的場景中發(fā)揮各自的優(yōu)勢，因此目前難以相互替代。

01 ? ? 超聲波雷達

超聲波雷達（圖6）是泊車系統(tǒng)中最常用的傳感器。超聲波雷達是通過超聲波發(fā)射裝置向外發(fā)出超聲波，到通過接收器接收到發(fā)送過來超聲波時的時間差來測算距離。目前，常用探頭的工作頻率有40kHz、48kHz和58kHz三種。一般來說，頻率越高，靈敏度越高，但水平與垂直方向的探測角度就越小，故一般采用40kHz的探頭。超聲波雷達防水、防塵，即使有少量的泥沙遮擋也不影響。圖7、圖8所示為倒車雷達原理及工作示意圖，其探測范圍在0.1-3米之間，而且精度較高，因此非常適合應用于泊車。

如圖9所示，通常一套汽車倒車雷達需要安裝4個超聲波傳感器，而自動泊車系統(tǒng)是在倒車雷達系統(tǒng)的基礎上再增加4個超聲波駐車輔助（Ultrasonic Parking Assistant）超聲波傳感器和4個自動泊車輔助（Automatic Parking Assistant）超聲波傳感器。

02 ? ? 毫米波雷達

如圖10所示，毫米波雷達發(fā)射毫米波段的電磁波，利用障礙物反射波的時間差確定障礙物距離，利用反射波的頻率偏移確定相對速度。毫米波雷達穿透霧、煙、灰塵的能力強，具有全天候（大雨天除外）全天時的優(yōu)點。其缺點是無法識別物體顏色；視場角較小，需要多個雷達組合使用；行人的反射波較弱，難以識別。目前市場上主流的車載毫米波雷達頻段為24GHz（用于短中距離雷達，15-30m）和77GHz（用于長距離雷達，100-200m）。但是77GHz在性能和體積上都更具優(yōu)勢，77GHz的距離分辨率更高，體積比24GHz產(chǎn)品小了三分之一。

毫米波雷達主要由天線、射頻MMIC、基帶信號處理三部分組成?，F(xiàn)在的毫米波雷達（圖11、圖12）采用“微帶貼片天線”使得天線體積更小、重量更輕。雷達射頻前端單片微波集成電路（MMIC）用于產(chǎn)生和接收射頻信號。數(shù)字處理包括陣列天線的波束形成算法、信號檢測、測量算法、分類和跟蹤算法等。

03 ? ? 激光雷達

如圖13所示，車載激光雷達又稱車載三維激光掃描儀，通過發(fā)射和接受返回的激光束，分析激光遇到目標后的折返時間，計算出目標與車的距離（圖14）。通過這種方法，搜集目標表面大量的密集點的三維坐標、反射率等信息，能快速復建出目標的三維模型（圖15）及各種圖件數(shù)據(jù)，建立三維點云圖，繪制出環(huán)境地圖，以達到環(huán)境感知的目的。目前市場上比較常見的有8線、16線和32線激光雷達，還有少量64線產(chǎn)品。激光雷達線束越多，測量精度越高，安全性也越高，但是成本也越高。

和超聲波雷達和毫米波雷達相比，激光雷達具有極高的距離分辨率、角分辨率和速度分辨率，且探測精度高、探測范圍廣；抗干擾能力強；能實時獲取的信息量比較豐富，可直接獲取目標的距離、角度、反射強度、速度等信息，從而生成目標多維度圖像。但是激光雷達卻很容易受天氣的影響，比如在雨雪、大霧等天氣條件下，其探測性能就會變的較差。

04 ? ? 攝像頭

攝像頭是實現(xiàn)眾多預警、識別類ADAS功能的基礎。像自動緊急剎車（AEB）、車道偏離預警（LDW）、車道保持（LKA）、行人警示（PCW）、自動泊車（AP）、疲勞駕駛預警（DFM）、交通標志識別（TSR）、交通信號燈識別（TLR）等都需要建立在圖像識別的基礎上，進而實現(xiàn)車道線障礙物以及行人檢測。

目前前視攝像頭ADAS系統(tǒng)有單目和雙目兩種方案，兩者的共同點都是通過攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)，然后從圖像數(shù)據(jù)上得到距離信息。因為前視攝像頭最重要的一個作用就是碰撞預警，而碰撞預警需要測量距離的變化。

單目視覺的測距原理是先通過圖像匹配進行目標識別，識別行人、物體、車型等。再通過目標在圖像中的大小去估算目標距離。這種方法是建立在精準識別基礎上的，所以首先需要建立并不斷維護一個龐大的樣本特征數(shù)據(jù)庫，保證這個數(shù)據(jù)庫包含待識別目標的全部特征數(shù)據(jù)。比如在一些特殊地區(qū)，為了專門檢測大型動物，必須先行建立大型動物的數(shù)據(jù)庫；而對于另外某些區(qū)域存在一些非常規(guī)車型，也要先將這些車型的特征數(shù)據(jù)加入到數(shù)據(jù)庫中。如果缺乏識別目標的特征，就會導致系統(tǒng)無法對車型、物體、障礙物進行識別，從而也就無法準確估算這些目標的距離。導致ADAS系統(tǒng)的漏報。

如圖16所示，雙目視覺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(xiàn)的是什么類型的障礙物。所以對于任何類型的障礙物，都能根據(jù)距離信息的變化，進行必要的預警或制動。雙目視覺的原理與人眼類似，利用雙目三角測距的原理，能非常精準的測量物體的距離。

如圖17、18所示，雙目方案也同時兼具單目方案的功能，可以采用其中一路來進行圖像識別，從而判斷交通標示和障礙物類型。雙目攝像頭方案的優(yōu)越性使得雙目逐漸成為中高端車型的標配，如奔馳2016款全系（S系、E系、C系）、寶馬2016款全系（7系、5系、3系）標配雙目攝像頭。

此外汽車上還可以配備更多攝像頭來實現(xiàn)更多功能。如圖19所示，如同時配備廣角相機和中長焦相機，可以識別不同距離，不同視角范圍內的障礙物；同時配備可見光相機和遠紅外相機，可以實現(xiàn)夜間使用的；在車的前、后、左、右安裝四個廣角攝像頭，經(jīng)過攝像頭參數(shù)校正、鏡頭扭曲校正、鳥瞰視角轉換、白平衡匹配和圖像縫合處理，可以在車內顯示器上顯示一個可直觀監(jiān)視車輛周圍環(huán)境的全景鳥瞰畫面，能有效減少盲區(qū)，提高安全性。