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自动驾驶多传感器介绍

 李清龙1023 2023-11-18 发布于安徽

  自动驾驶(无人驾驶)系统通常配备多种传感器,以感知周围环境并支持自主驾驶决策。多传感器融合可显著提高系统的冗余度和容错性,从而保证决策的快速性和正确性,是自动驾驶的必然趋势。

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激光雷达(LiDAR),通过发射激光束测量其反射时间来计算距离,创建高分辨率的三维地图,以检测障碍物和地形。

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优点:

  • 高精度:LiDAR能够提供非常高的空间分辨率,以毫米级别准确测量目标的距离和位置,这对于感知周围环境至关重要。

  • 360度全向性:LiDAR传感器通常能够实现全方位的扫描,无死角,确保周围环境的全面感知。

  • 准确的三维地图:LiDAR可以生成高精度的三维地图,这对于车辆定位和路径规划非常有帮助。

  • 高鲁棒性:LiDAR在不同光照条件下都能工作,不受光线质量的影响。

  • 能够检测多种物体类型:LiDAR可以检测车辆、行人、建筑物、树木等各种物体,有助于全面感知道路环境。

缺点:

  • 高成本:LiDAR传感器通常非常昂贵,这会增加自动驾驶系统的成本。

  • 复杂性:LiDAR系统通常包含多个移动部件,如旋转部件,需要维护,容易受到物体覆盖或污染的影响。

  • 重量和体积:LiDAR传感器较大且重,可能需要额外的结构支撑,对车辆设计构成挑战。

  • 有限感知范围:尽管LiDAR的感知范围较大,但在远距离上可能会有一定限制,尤其在恶劣天气条件下。

  • 数据处理复杂性:LiDAR生成大量点云数据,需要强大的计算能力和复杂的数据处理算法来分析和理解这些数据。

摄像头(Camera),摄像头用于视觉感知,可识别道路标志、车辆、行人和其他交通参与者,以及交通信号。相机对环境细节信息的提取能力强,但是光照影响太大,常见不同fov相机,鱼眼相机组合等。

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优点:

  • 视觉感知:摄像头提供直观的视觉感知,可以识别道路标志、车辆、行人和其他交通参与者,以及交通信号。

  • 低成本:相对于一些其他传感器,摄像头通常成本较低,使其更具吸引力。

  • 高分辨率:现代摄像头具有高分辨率,可以捕捉细节,有助于更准确地感知环境。

  • 轻量化和小体积:摄像头通常比其他传感器更轻便,不会对车辆设计和操控产生显著影响。

  • 适应多种光照条件:摄像头在白天和黑夜、晴天和雨天都能工作,具有较高的适应性。

  • 轻松集成:摄像头易于集成到车辆中,而无需复杂的机械部件。

缺点:

  • 有限感知范围:摄像头的感知范围相对有限,需要多个摄像头以涵盖车辆周围的全景。

  • 光照条件影响:强光、反光和阴影等光照条件可能对摄像头的性能产生负面影响。

  • 难以应对恶劣天气:恶劣天气条件下,如大雾或暴雨,摄像头可能失去部分或全部效能。

  • 需要复杂的计算:分析摄像头捕捉的图像需要复杂的计算和计算机视觉算法,这可能对系统性能和延迟产生影响。

  • 隐私问题:使用摄像头进行实时监视引发隐私问题,需要严格的隐私保护和数据安全措施。

毫米波雷达(Millimeter-Wave Radar),用于环境感知和物体检测,探测角度比较大,能够检测到物体的位置和速度。抗干扰性强,性能比较稳定,价格中等,缺点是分辨率和精度一般。

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优点:

  • 多用途:毫米波雷达可应用于汽车、航空、工业、军事和安全领域,具有广泛的应用范围。

  • 全天候性能:与视觉传感器不同,毫米波雷达在各种光照和气象条件下都能可靠工作,包括雨雪和夜间。

  • 不受遮挡:毫米波雷达能够穿透雨雪、雾霾和其他恶劣天气条件,无需视野清晰。

缺点:

  • 重量和体积:一些毫米波雷达较大,需要额外的支撑结构,对车辆设计产生挑战。

  • 数据处理复杂性:毫米波雷达生成大量数据,需要强大的计算能力和复杂的数据处理算法。

超声波雷达(Ultrasonic Radar)价格便宜,成本较低,精度也比较差。常用于测距、障碍物检测、停车辅助等

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优点:

  • 实时性:超声波雷达提供实时的距离测量和障碍物检测,对于即时反应非常有用。

  • 低成本:相对于一些其他传感器,如激光雷达或毫米波雷达,超声波雷达通常成本较低。

  • 适用于近距离:超声波雷达在近距离测量和障碍物检测方面非常有效,如停车和低速驾驶。

  • 无辐射:超声波是无害的声波,不会对人体或环境产生有害影响。

  • 轻巧小型:超声波传感器通常较小且轻便,易于集成到各种应用中。

缺点:

  • 有限感知范围:超声波的感知范围有限,通常在几米到十几米之间,不适用于远距离感知。

  • 环境干扰:超声波信号容易受到环境因素如风、声音和温度的影响,可能导致测量误差。

  • 有限分辨率:超声波雷达的分辨率相对较低,难以精确识别复杂物体的形状和轮廓。

轮速计(Wheel Speed Sensor),通常安装在车辆的车轮或轮毂上,测量车轮的旋转速度。用于制动控制、稳定控制、巡航控制、轮胎压力监测等。

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优点:

  • 实时性:轮速计提供实时的车轮速度信息,对车辆控制系统的响应速度非常重要。

  • 低成本:轮速计通常成本较低,且易于安装。

  • 帮助提高车辆稳定性和安全性:通过制动控制和稳定控制,轮速计有助于防止车辆失控和提高安全性。

  • 对制动系统性能至关重要:轮速计在现代制动系统中扮演了关键角色,帮助避免制动失灵和减少制动距离。

缺点:

  • 依赖轮胎条件:轮速计的性能受到轮胎条件的影响,如胎压、胎纹和轮胎磨损。

  • 有限应用范围:轮速计主要用于特定车辆控制系统,因此在自动驾驶等高级驾驶系统中的应用受限。

GPS(Global Positioning System,全球定位系统),是一种卫星导航系统,确定地球上特定位置的准确三维坐标。用于定位和导航、时间同步、天气和气象预测、地震研究、军事应用等

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优点:

  • 高精度:GPS提供高度精确的位置和时间信息,通常在数米范围内。

  • 全球覆盖:GPS系统覆盖全球,几乎在地球的任何地方都可使用。

  • 实时性:GPS提供实时位置信息,对导航和移动应用非常有用。

  • 多用途:GPS广泛用于民用和军事应用,以及科学研究、航空、海事等领域。

缺点:

  • 障碍物影响:GPS信号可能受到建筑物、山脉和树木等障碍物的影响,导致信号失真或中断。

  • 高能耗:GPS设备通常需要相对较多的电力,因此对移动设备的电池寿命有一定影响。

  • 不适用于室内:GPS信号通常无法穿透建筑物,因此在室内定位方面有一定局限性。

  • 受恶劣天气影响:在恶劣气象条件下,如强烈的雷暴或大规模云层遮挡,GPS信号可能受到干扰。

IMU(Inertial Measurement Unit,惯性测量单元),是一种传感器组合,通常包括加速度计和陀螺仪,用于测量物体的线性加速度和角速度。用于姿态测量、导航和定位、运动分析(振动、加速度、角速度)、航空和导弹导航等。GPS更新频率低,但每次更新不存在误差累积,而IMU更新频率高,更新过程存在误差累积。

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优点:

  • 实时性:IMU提供实时的姿态和运动信息,对快速动态环境非常适用。

  • 高精度:IMU可以提供高精度的角度和加速度测量,尤其是在短时间内。

  • 独立工作:IMU不受外部环境干扰,不受天气条件或遮挡的影响,因此在室内和室外均可使用。

  • 轻巧小型:IMU通常较小且轻便,易于集成到各种应用中。

  • 多用途:IMU在航空、汽车、机器人、虚拟现实和许多其他领域都有广泛的应用。

缺点:

  • 累积误差:IMU在长时间使用时可能会出现累积误差,导致测量不准确,因此通常需要与其他传感器如GPS一起使用以进行校正。

  • 需要复杂的数据融合:IMU输出的数据需要复杂的数据融合和滤波算法来提高准确性。

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