一輛自動(dòng)駕駛的電動(dòng)汽車需要多少傳感器

汽車市場(chǎng)已經(jīng)成為傳感器的重要應(yīng)用市場(chǎng)，MEMS汽車傳感器作為汽車電子控制系統(tǒng)電子控制系統(tǒng)的重要信息源，對(duì)溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、加速度和振動(dòng)等各種信息進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的測(cè)量和控制。當(dāng)前，一輛普通家用轎車上大約安裝了近百個(gè)傳感器，而豪華轎車上的傳感器數(shù)量多達(dá)200個(gè)，那么作為未來(lái)主流的智能電動(dòng)汽車，其自動(dòng)駕駛系統(tǒng)需要多少傳感器來(lái)支撐呢？

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)涵蓋三個(gè)方面，分別為：

1）感知層，通過(guò)傳感器（包括車載攝像頭/超聲波雷達(dá)/毫米波雷達(dá)/激光雷達(dá)等）感知車身周圍環(huán)境；

2）決策層，通過(guò)感知層收集的信息作出相應(yīng)的決策（涉及芯片/算法）；

3）執(zhí)行層，通過(guò)接收傳感器的實(shí)時(shí)信息、以及芯片/算法得出的決策信號(hào)從而采取包括剎車/警示等在內(nèi)的行車行動(dòng)。其中硬件設(shè)備包括傳感器、芯片、高精地圖。

感知就像人類通過(guò)眼睛和耳朵感知周圍情況，自動(dòng)駕駛的感知是通過(guò)激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、高清攝像頭等硬件設(shè)備的周圍感知及通過(guò)GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）、IMU（慣性測(cè)量單元）、RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）定位等絕對(duì)位置定位組成，用來(lái)搜集車輛周邊的環(huán)境。

智能駕駛感知層各類傳感器及相關(guān)企業(yè)

激光雷達(dá)

激光雷達(dá)最重要的兩個(gè)屬性是測(cè)距和精度。激光雷達(dá)可以主動(dòng)探測(cè)周圍環(huán)境，屬于“主動(dòng)視覺(jué)”，即使在夜間仍能準(zhǔn)確地檢測(cè)障礙物。因?yàn)榧す夤馐泳蹟n，所以比毫米波雷達(dá)擁有更高的探測(cè)精度。缺點(diǎn)在于成本高昂、技術(shù)不成熟、影響車輛整體外觀。激光雷達(dá)成本高于2萬(wàn)元，而攝像頭最多僅2000元，雷達(dá)則更便宜，激光雷達(dá)主導(dǎo)的解決方案為主機(jī)廠帶來(lái)成本壓力。

近日，全球知名市場(chǎng)研究與戰(zhàn)略咨詢公司Yole Développement發(fā)布了《2021年汽車與工業(yè)領(lǐng)域激光雷達(dá)應(yīng)用報(bào)告》（以下簡(jiǎn)稱《報(bào)告》）?！秷?bào)告》統(tǒng)計(jì)了包括全球十余家頭部企業(yè)在內(nèi)的激光雷達(dá)研發(fā)制造商在汽車和工業(yè)市場(chǎng)應(yīng)用的份額占比情況。

來(lái)源：Yole Développement

報(bào)告顯示，法雷奧排名第一，占比 28%；RoboSense(速騰聚創(chuàng))占比10%，排名第二；Luminar、Livox（大疆）、電裝、大陸、Cepton五家廠商以7%占有率，并列第三；緊隨其后的是Innoviz、Ibeo、華為、禾賽科技、Innovusion（圖達(dá)通）、Velodyne，占有率均為3%。

超聲波雷達(dá)

超聲波雷達(dá)在汽車中的應(yīng)用已經(jīng)有很多年了，在許多車輛的前后兩側(cè)都能發(fā)現(xiàn)它們的身影。按工作頻率劃分，超聲波雷達(dá)有40kHz、48kHz和58kHz三種，頻率越高，靈敏度越高，探測(cè)角度越小。在工作狀態(tài)，通過(guò)收發(fā)超聲波，超聲波雷達(dá)能以1-3cm精度測(cè)算0.2-5m范圍內(nèi)的障礙物。

然而，由于工作頻率屬于聲波范圍，超聲波雷達(dá)的不足也是顯而易見(jiàn)的。尤其是汽車在高速行駛過(guò)程中，由于超聲波信號(hào)的傳播延遲，接收到的信息會(huì)出現(xiàn)一定的延遲。另外，超聲波設(shè)備也存在方向性差的問(wèn)題，需要更多的設(shè)備來(lái)覆蓋同一個(gè)區(qū)域，而且天氣條件也會(huì)極大地影響它們的探測(cè)效果。

不過(guò)，這并沒(méi)有影響超聲波雷達(dá)在汽車行業(yè)的應(yīng)用，非常關(guān)鍵的一點(diǎn)就是它的超高性價(jià)比。市場(chǎng)上單個(gè)超聲波雷達(dá)的售價(jià)僅為數(shù)十元人民幣，按照一套倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)安裝4個(gè)超聲波雷達(dá)計(jì)算，硬件成本還不足二百元。自動(dòng)泊車系統(tǒng)雖然需要的超聲波雷達(dá)數(shù)量多一些，但硬件總成本也能控制在五百元左右。與動(dòng)不動(dòng)就要數(shù)萬(wàn)元甚至數(shù)十萬(wàn)元的激光雷達(dá)相比，超聲波雷達(dá)在成本方面的優(yōu)勢(shì)實(shí)在太突出了。

超聲波目前的使用場(chǎng)景，基本有三種，一種是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的后向倒車輔助、警告障礙物的預(yù)警功能，配置的超聲波雷達(dá)數(shù)量一般是4個(gè)；另一種是增加了汽車在前進(jìn)過(guò)程中的預(yù)警，配置數(shù)量在8個(gè)；最后一種就是配置12個(gè)，實(shí)現(xiàn)水平、垂直、斜向全自動(dòng)泊車的功能。

在供應(yīng)商方面，法雷奧、博世、電裝、TTE占據(jù)主要份額，并且走的是軟硬件一體的泊車方案。不過(guò)，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)本土供應(yīng)商也在加緊搶占市場(chǎng)，從低端的倒車輔助到泊車應(yīng)用。高工智能汽車研究院根據(jù)基于自主搭建的前裝定點(diǎn)及量產(chǎn)項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)作為基礎(chǔ)評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)企業(yè)規(guī)模、資本實(shí)力、研發(fā)能力、經(jīng)營(yíng)能力、行業(yè)影響力、成長(zhǎng)潛力等六個(gè)一級(jí)指標(biāo)綜合評(píng)判，正式發(fā)布年度超聲波雷達(dá)（國(guó)產(chǎn)）供應(yīng)商市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力TOP10榜單。上富電技、豪恩汽電、奧迪威、縱目科技、合肥晟泰克、?？灯嚒⒅貞c光大、輔易航、優(yōu)保愛(ài)駕、蘇州優(yōu)達(dá)斯上榜。

毫米波雷達(dá)

毫米波指波長(zhǎng)介于1~10mm的電磁波，毫米波的波長(zhǎng)介于厘米波和光波之間，因此毫米波兼有微波制導(dǎo)和光電制導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)。毫米波雷達(dá)則指工作在毫米波波段的雷達(dá)。毫米波雷達(dá)通過(guò)天線向外發(fā)射毫米波，接收目標(biāo)反射信號(hào)，經(jīng)計(jì)算后快速準(zhǔn)確地獲取汽車車身與其他物體直接的相對(duì)距離、速度、角度、運(yùn)動(dòng)方向等，再交回車輛的中央處理單元(ECU)進(jìn)行智能處理和決策。

車載毫米波雷達(dá)主要集中在24GHz和77GHz這2個(gè)頻段，毫米波雷達(dá)具有傳輸距離遠(yuǎn)，性能穩(wěn)定、成本可控等優(yōu)點(diǎn)，但其同樣也存在角度分辨率弱、辨識(shí)精度低等缺陷。基于測(cè)量距離遠(yuǎn)、全天候穩(wěn)定工作以及成本低的特性，毫米波雷達(dá)毫無(wú)疑問(wèn)地廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛車輛當(dāng)中，但其在探測(cè)精度上的短板也需要持續(xù)的技術(shù)迭代來(lái)補(bǔ)足。

ADAS系統(tǒng)的毫米波雷達(dá)市場(chǎng)集中， 長(zhǎng)期為國(guó)外汽車零部件巨頭所壟斷，以德國(guó)、美國(guó)和日本等國(guó)家為研發(fā)地，主要公司有博世、大陸、海拉、富士通天、電裝、天合、德?tīng)柛?、奧托立夫等。國(guó)內(nèi)微波/毫米波雷達(dá)傳感器企業(yè)近年來(lái)逐漸涌現(xiàn)，多為初創(chuàng)企業(yè)，普遍缺乏車載行業(yè)背景。隨著ADAS（先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)）的加速滲透，越來(lái)越多的汽車產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)商如滬電股份、亞太股份、華域汽車等大廠紛紛通過(guò)自主研發(fā)、國(guó)際合作、投資創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)等方式切入加速布局。

車載高清攝像頭

攝像頭測(cè)距能力相對(duì)較弱，且受環(huán)境光照的影響大，但攝像頭的核心優(yōu)勢(shì)在于非常適用于物體識(shí)別、數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)超其他傳感器。攝像頭成像原理與人眼類似，都是物體反射的光通過(guò)鏡片在傳感器上成像，人眼就能看懂?dāng)z像頭拍攝的內(nèi)容，攝像頭可以完成物體分類。同時(shí)攝像頭擁有最豐富的線性密度，其數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)超其他類型的傳感器?；趫D像信息密度最高的優(yōu)勢(shì)，使得它處于整個(gè)感知融合的中心地位。車載攝像頭覆蓋率較低，市場(chǎng)潛力巨大。

要完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，汽車必須配置五類攝像頭，伴隨智能駕駛等級(jí)提升，單車車載攝像頭數(shù)量增長(zhǎng)，單車攝像頭配置數(shù)量至少為 12個(gè)，L5預(yù)計(jì)需要12-15顆（感知+環(huán)視+DMS/OMS），隨著車載攝像頭技術(shù)的成熟，單品價(jià)格總體呈下降趨勢(shì)，據(jù) ICVTank 數(shù)據(jù)，2020 年車載攝像頭價(jià)格帶芯片及算法前視攝像頭1,000元左右，無(wú)芯片500萬(wàn)像素僅200元，未來(lái)這一價(jià)格有望進(jìn)一步下降，并將進(jìn)一步推動(dòng)車載攝像頭覆蓋率和單車配置數(shù)量提升。

隨著ADAS和自動(dòng)駕駛的逐步深入，預(yù)計(jì)未來(lái)車載攝像頭市場(chǎng)規(guī)模仍保持高速增長(zhǎng)，根據(jù)ICVTank，全球車載攝像頭市場(chǎng)規(guī)模將有望在2025年達(dá)到270億美元，CAGR 達(dá)15.8%。

車載攝像頭企業(yè)：

GPS與IMU

對(duì)于一輛自動(dòng)駕駛汽車來(lái)說(shuō)，高精定位有兩層含義：

（1）得到自車與周圍環(huán)境之間的相對(duì)位置，即相對(duì)定位；

（2）得到自車的精確經(jīng)緯度，即絕對(duì)定位。

因此，自動(dòng)駕駛汽車對(duì)于周邊環(huán)境的理解需要高精地圖、聯(lián)合感知等技術(shù)的輔助。高精地圖可以把由測(cè)繪車提前采錄好的、用經(jīng)緯度描述的道路信息告訴車輛，而所有的車輛也可以把實(shí)時(shí)感知得到的、用經(jīng)緯度描述的動(dòng)態(tài)障礙物的信息廣播給周圍的車輛，這兩個(gè)技術(shù)疊加在一塊，就可以大大提高自動(dòng)駕駛汽車的安全性，從而拓展它們的運(yùn)營(yíng)范圍。

之所以使用經(jīng)緯度來(lái)描述這些信息，是因?yàn)椴煌能囕v，包括采集高精地圖的測(cè)繪車在內(nèi)，必須使用同一個(gè)觀測(cè)坐標(biāo)系才能共享觀測(cè)的信息，而目前世界上最通用的觀測(cè)坐標(biāo)系就是由經(jīng)緯度定義的坐標(biāo)系，對(duì)絕對(duì)定位的需求就來(lái)自這里。

眾所周知，GPS可以為車輛提供精度為米級(jí)的絕對(duì)定位，差分GPS或RTK GPS可以為車輛提供精度為厘米級(jí)的絕對(duì)定位，然而并非所有的路段在所有時(shí)間都可以得到良好的GPS信號(hào)。

因此，在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，RTK GPS的輸出一般都要與IMU，汽車自身的傳感器（如輪速計(jì)、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器等）進(jìn)行融合。嚴(yán)格來(lái)講，IMU只提供相對(duì)定位信息，即自體從某時(shí)刻開(kāi)始相對(duì)于某個(gè)起始位置的運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)。然而，將IMU的相對(duì)定位與RTK GPS的絕對(duì)定位進(jìn)行融合后，就產(chǎn)生了兩個(gè)無(wú)可替代的優(yōu)點(diǎn)：

（1）IMU可以驗(yàn)證RTK GPS結(jié)果的自洽性，并對(duì)無(wú)法自洽的絕對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和修正；一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是，如果RTK GPS輸出汽車的絕對(duì)位置在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了很大的變化，這意味著汽車有很大的加速度，而此時(shí)IMU發(fā)現(xiàn)汽車并不具備這樣的加速度，就表明RTK GPS的定位出了問(wèn)題，應(yīng)該由IMU來(lái)接管絕對(duì)定位系統(tǒng)；

（2）IMU可以在RTK GPS信號(hào)消失之后，仍然提供持續(xù)若干秒的亞米級(jí)定位精度，為自動(dòng)駕駛汽車爭(zhēng)取寶貴的異常處理的時(shí)間。同樣的道理，IMU也可以在相對(duì)定位失效時(shí)，對(duì)相對(duì)定位的結(jié)果進(jìn)行航跡推演，在一段時(shí)間內(nèi)保持相對(duì)定位的精度；例如，在車道線識(shí)別模塊失效時(shí)，基于失效前感知到的道路信息和IMU對(duì)汽車航跡的推演，仍然能夠讓汽車?yán)^續(xù)在車道內(nèi)行駛。

其中，IMU的全稱是inertial measurement unit，即慣性測(cè)量單元，通常由陀螺儀、加速度計(jì)和算法處理單元組成，通過(guò)對(duì)加速度和旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量得出自體的運(yùn)動(dòng)軌跡。

陀螺儀

陀螺儀，測(cè)量角速度，具有高動(dòng)態(tài)特性，它是一個(gè)間接測(cè)量角度的器件。它測(cè)量的是角度的導(dǎo)數(shù)，即角速度，要將角速度對(duì)時(shí)間積分才能得到角度。陀螺儀就是內(nèi)部有一個(gè)陀螺，它的軸由于陀螺效應(yīng)始終與初始方向平行，這樣就可以通過(guò)與初始方向的偏差計(jì)算出旋轉(zhuǎn)方向和角度。

加速度計(jì)

加速度計(jì)的低頻特性好，可以測(cè)量低速的靜態(tài)加速度。當(dāng)我們把加速度計(jì)拿在手上隨意轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，我們看的是重力加速度在三個(gè)軸上的分量值。加速度計(jì)在自由落體時(shí)，其輸出為0。為什么會(huì)這樣呢？這里涉及到加速度計(jì)的設(shè)計(jì)原理：加速度計(jì)測(cè)量加速度是通過(guò)比力來(lái)測(cè)量，而不是通過(guò)加速度。

加速度計(jì)若是繞著重力加速度的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，則測(cè)量值不會(huì)改變，也就是說(shuō)加速度計(jì)無(wú)法感知這種水平旋轉(zhuǎn)。陀螺儀與加速度計(jì)之間的關(guān)系好似一條船，姿態(tài)就是航向（船頭的方位），重力是燈塔，陀螺（角速度積分）是舵手，加速度計(jì)是瞭望手。舵手負(fù)責(zé)估計(jì)和把穩(wěn)航向，他相信自己，本來(lái)船向北開(kāi)的，就一定會(huì)一直往北開(kāi)，覺(jué)得轉(zhuǎn)了90度彎，那就會(huì)往東開(kāi)。當(dāng)然如果舵手很牛逼，也許能估計(jì)很準(zhǔn)確，維持很長(zhǎng)時(shí)間。不過(guò)只信任舵手，肯定會(huì)迷路，所以一般都有瞭望手來(lái)觀察誤差。

IMU的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，在于它在任何天氣和地理?xiàng)l件下都能正常工作。作為一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)源，它可用于短期導(dǎo)航，并驗(yàn)證來(lái)自其他傳感器的信息，也不會(huì)因?yàn)樘鞖狻⑼哥R污垢、雷達(dá)和激光雷達(dá)信號(hào)反射或城市峽谷效應(yīng)而失效。作為一個(gè)獨(dú)立的傳感器，IMU被視為補(bǔ)充和證實(shí)其他傳感器數(shù)據(jù)的傳感器，即最后的傳感器，用于確保車輛行駛安全，并在其他傳感器受損或失效時(shí)以可控的方式使車輛停止，因此，有人將IMU稱為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的定海神針。

目前，市場(chǎng)上所有配備ESC（電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)）系統(tǒng)的車輛，都已配備了低精度低成本的IMU，而高精度IMU雖可滿足自動(dòng)駕駛慣性導(dǎo)航的性能要求，但過(guò)去數(shù)千美元的價(jià)格使其無(wú)法在汽車市場(chǎng)上大規(guī)模部署。目前，諸多業(yè)內(nèi)企業(yè)正致力于將高精度IMU的成本降至100美元以下。

在IMU企業(yè)端，博世、意法半導(dǎo)體、TDK、ADI是全球領(lǐng)先的IMU供應(yīng)商，中國(guó)廠商也在競(jìng)逐IMU領(lǐng)域，如深迪半導(dǎo)體、罕王微電子。

自動(dòng)駕駛各傳感器匯總對(duì)比

通過(guò)上述分析，可以發(fā)現(xiàn)這些自動(dòng)駕駛傳感器或多或少存在一些盲點(diǎn)，這就使得傳感器性能的重疊和數(shù)據(jù)的融合，顯得至為重要。例如，當(dāng)激光雷達(dá)受到惡劣天氣干擾時(shí)，雷達(dá)和紅外攝像機(jī)可保證自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的感知功能。

GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的一個(gè)核心要素。GNSS通過(guò)兩種增強(qiáng)改正模式，RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)）和PPP（精確點(diǎn)定位），極大地提高了GNSS的精度，將定位精度從幾米提高至幾厘米，當(dāng)然，GNSS存在信號(hào)丟失和城市中心多路徑等問(wèn)題。

在過(guò)去，RTK / PPP硬件成本和服務(wù)費(fèi)用較高，但新型芯片模組及算法有望將其成本降低到大眾市場(chǎng)水平。慣性測(cè)量單元（IMU），可作為傳感器數(shù)據(jù)缺失時(shí)的有效補(bǔ)充。IMU利用內(nèi)置的加速度傳感器和陀螺儀，可測(cè)量三維線性加速度和三維角速度，根據(jù)這些信息，可計(jì)算出車輛的姿態(tài)（俯仰角和滾動(dòng)角）、航向、速度和位置變化。IMU可用于填補(bǔ)GNSS信號(hào)更新之間的空白，甚至可以在GNSS和系統(tǒng)中的其他傳感器失效時(shí)，進(jìn)行航位推算。

我們以特斯拉和WAYMO兩種智能駕駛感知層解決方案來(lái)說(shuō)明。

1.以特斯拉為代表的視覺(jué)主導(dǎo)方案和以視覺(jué)主導(dǎo)方案以攝像頭為主導(dǎo)，配合毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、低成本激光雷達(dá)；特斯拉Autopilot的感知工作主要依賴3個(gè)前置攝像頭、2個(gè)側(cè)方前視攝像頭、2個(gè)側(cè)方后視攝像頭、1個(gè)后視攝像頭、12個(gè)超聲波傳感器、1個(gè)毫米波前置雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)了多傳感器融合冗余。

2.WAYMO為代表的激光雷達(dá)主導(dǎo)方案。激光雷達(dá)主導(dǎo)方案以激光雷達(dá)為主導(dǎo)，配合毫米波雷達(dá)、超聲波傳感器、攝像頭。Waymo自研的4D成像雷達(dá)應(yīng)用于Waymo發(fā)布的第五代感知系統(tǒng)Waymo Driver，搭載自研激光雷達(dá)（1個(gè)車頂+4個(gè)車輛前后左右），6個(gè)自研毫米波雷達(dá)、自研29個(gè)攝像頭、麥克風(fēng)列陣等。

結(jié)論

一輛電動(dòng)汽車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)需要多少傳感器來(lái)支撐呢？

也許我們沒(méi)法有個(gè)明確數(shù)值，不同廠商有不同的技術(shù)解決方案，目前無(wú)法清楚判斷孰優(yōu)孰劣，但是多種傳感器融合與互補(bǔ)是必然的，無(wú)論是激光雷達(dá)、超聲波、毫米波、攝像頭還是GPS、IMU、加速度計(jì)、陀螺儀都是電動(dòng)汽車自動(dòng)駕駛必備的傳感器，目前我們國(guó)內(nèi)廠商相對(duì)國(guó)外企業(yè)在技術(shù)上相對(duì)要滯后，不過(guò)我們也可以看過(guò)在不同的傳感領(lǐng)域我們一樣有著不少優(yōu)秀的企業(yè)代表在不斷發(fā)展進(jìn)步，中國(guó)作為智能汽車最大的消費(fèi)市場(chǎng)，自動(dòng)駕駛的成熟需要我們中國(guó)市場(chǎng)來(lái)驗(yàn)證，作為其核心硬件傳感器研發(fā)需要我們中國(guó)企業(yè)來(lái)參與及完善。