ADAS系统传感器应该如何布置？

首先，介绍传感器布置策略在高级驾驶辅助系统中的重要性，提出高级驾驶辅助系统传感器种类，包含前视智能摄像头、前向和侧向毫米波雷达（77 GHz/22 GHz）、超声波雷达以及环视摄像头，简要阐述各传感器性能特点。然后，以目前某量产供应商方案为例，详细介绍不同传感器性能参数，包括探测距离、探测范围和对外部布置环境的要求。介绍不同传感器独自搭载车辆上可实现的功能和对不同驾驶辅助级别、不同功能组合下的不同传感器的融合策略。最后，介绍如何将不同传感器合理安装到车辆上，根据需要达到的性能要求和探测范围冗余性，提出具体实施方案，并对其布置要求进行细化解析说明。

主题词：自动驾驶 雷达 摄像头 传感器 布置

随着科技的进步、自动驾驶技术的快速发展，目前越来越多汽车配备了高级驾驶辅助系统或辅助驾驶系统，自动驾驶汽车在SAE J3016TM自动驾驶等级中被归类为五级自动驾驶。自动驾驶运用了多种传感器（超声波雷达、毫米波雷达、智能摄像头、高清/标清摄像头、激光雷达等），王田等对自动驾驶感知系统中的摄像头、激光雷达、毫米波雷达等主要传感器进行了功能介绍。袁秀珍围绕自动驾驶汽车传感器技术产业开展分析，阐述了重要组成的硬件应用，如激光雷达、摄像头、超声波传感等。在实现自动驾驶的开发价值链中，传感器的零件开发主要集中在国内外汽车零部件供应商，而整车功能集成则在由主机厂完成。张燕咏等提出一种基于多模态融合的自动驾驶感知融合算法，很多工程师往往将开发精力集中在算法开发与系统设计，但是经常出现的情况是，成功运用的传感器硬件和软件策略，在部分主机厂车型上效果很好，但是在另外部分主机厂的运用上效果一般，甚至达到反面效果。这是因为在自动驾驶研发中，每一个环节的考虑必不可少。作为闭环开发，好的算法是基于传感器前端感知的精准探测，各类不同的硬件传感器，对于传感器探测性能提出了不同程度的要求，而对于探测性能影响尤为重要的一点就是传感器的布置位置和布置方式。本文依据自动驾驶中运用较多的传感器的探测性能特点，对布置方式做一个简单介绍。

2 高级驾驶辅助系统传感器介绍

高级驾驶辅助系统（Advanced Driving Assistance System,ADAS）是利用传感器，在汽车行驶过程中实时感应周围的环境，收集数据，感知融合并对感知数据进行决策分析，最后对车辆进行控制和对驾驶员进行预警。

摄像头能获取包括物体颜色、外形、材质等丰富的环境信息，并且2D计算机视觉已取得很多进展,该领域有许多先进的算法用于信号灯检测、物体分类等。毫米波雷达能够获取精准的距离信息,穿透能力强,能够抵抗天气和环境变化的影响,可实现远距离感知探测。

目前量产的自动驾驶汽车上的传感器种类有4种，数量为22个（表1）。

前视智能摄像头：常用有单、双和三目，主要应用于中远距离场景，能识别清晰的车道线、交通标识、障碍物和行人，但对光照、天气等条件很敏感，而且需要复杂的算法支持，对处理器的要求也比较高。

表1 高级驾驶辅助系统传感器分类

毫米波雷达：主要有用于中短测距的24 GHz雷达和长测距的77 GHz雷达2种。毫米波雷达可有效提取景深及速度信息，识别障碍物，有一定的穿透雾、烟和灰尘的能力，但在环境障碍物复杂的情况下，由于毫米波依靠声波定位，声波出现漫反射，导致漏检率和误差率比较高。

超声波雷达：主要应用于短距离场景下，发送超声波与接收反射超声波信号，并把探测结果发送给控制器。超声波的能量消耗较缓慢，穿透性强，测距的方法简单，成本低。但是它在速度很高情况下测量距离有一定的局限性，当汽车高速行驶时，使用超声波测距无法跟上汽车的车距实时变化，误差较大。超声波散射角大，方向性较差，在测量较远距离的目标时，其回波信号会比较的弱，影响测量精度。但是，在短距离测量中，超声波测距传感器具有非常大的优势。

环视摄像头：主要应用于短距离场景，可识别障碍物，但对光照、天气等外在条件很敏感，技术成熟，价格低廉。随着技术的不断发展进步，摄像头的像素也在逐步提升，从最开始的30万像素，提升到目前的100万像素，未来3年内200万像素的摄像头将会普及。

3 传感器实现功能配置组合

高级驾驶辅助系统的不同传感器之间的组合，可以实现不同的功能，上述介绍的22个传感器全部搭载到整车，可实现ADASL1/L2/L3，下面介绍详细的子功能。

3.1 前向智能摄像头和前向毫米波雷达

前向智能摄像头实现AEB-C（自动紧急制动-车）、LDW（车道偏离预警）、LKA（车道保持辅助）、TSR（交通标志识别），实现L1级驾驶辅助。道路实际情况探测精准（如车道线、隧道、匝道、限速等），但是距离探测不精准。其代表性能参数见表2。

表2 Mobileye EYEQ3部分性能参数

前向毫米波雷达（77 GHz）实现ACC（自适应巡航）、AEB-C（自动紧急制动-车）、FCW（前向碰撞预警），实现L1级驾驶辅助。距离探测精准，但是无法预测实际情况（如车道线、隧道、匝道、限速等）。其代表性能参数见表3。

表3 AC1000部分性能参数

前向智能摄像头和前向毫米波雷达融合，实现ACC、AEB-C/P自动紧急制动-车/人）、LDW、LKA、TSR、TJA（交通拥堵辅助）、ICA（智能巡航辅助），能实现L2级驾驶辅助(图1)。距离和道路信息均是融合后的数据，探测精准。单雷达、单摄像头以及融合方案的对比见表4。

表4 单雷达、单摄像头以及融合方案的对比

3.2 侧向毫米波雷达（角雷达）

侧向毫米波雷达（24 GHz）实现盲区监测功能，有2种实现方式。后侧方面2个毫米波雷达，实现BSD（盲区监测）、LCW（变道碰撞预警）、RCTA（后方交通穿行预警）和DOW（开门预警）功能；后侧2个毫米波雷达+前侧2个毫米波雷达，除了实现以上功能外，还能实现FCTA（前方交叉路口预警），支持L2级以上的高级驾驶辅助功能。随着科技进步，侧向毫米波雷达性能也在逐步提升，见表5。

表5 侧向毫米波雷达部分参数和发展

侧向毫米波雷达（4个）、前向毫米波雷达（1个）、前向智能摄像头（1个）组合使用，可实现L2+（或L3-）级自动驾驶。在L2级自动驾驶上，增加TJA/HWAML（高速公路驾驶辅助—多车道）、ALC（主动变道辅助）、TLC（触发式变道辅助）、ELK（紧急车道保持）、ESA（紧急转向辅助）、JA（十字路口辅助）、全方位预警（含BSD/DOW/RCTA/FCTA/LCW）(图2)。可高速公路工况下，实现自动驾驶功能。

图2 前向摄像头、前向毫米波雷达、角雷达融合

3.3 超声波雷达

根据超声波雷达短距离探测目标物的特点（表6），超声波雷达根据不同数量组合，可实现PDC（倒车雷达）、APA（自动泊车辅助）和BSD（盲区监测）功能。后保险杠上安装4个超声波雷达，可实现PDC功能，有些车辆在前保险杠上同时安装4个超声波雷达（前后共8个超声波雷达），倒车时探测前方障碍物。在前后保险杠侧面安装4个超声波雷达，可实现近距离盲区监测功能，同时结合前后8个超声波雷达，共12个超声波雷达，能实现APA功能。如果车辆侧面安装有毫米波角雷达，实现BSD功能，则侧面的超声波雷达就不用安装。BSD安装超声波雷达的主要要因是其成本优势。超声波雷达不同组合及功能见图3。

表6 超声波雷达部分参数及特点

图3 超声波雷达方案布局

3.4 环视摄像头

AVM（全景式监控影像系统）通过前后左右4个图像传感器（环视摄像头）采集车辆周边环境数据，将影像通过CVBS（标清）/LVDS（高清）传递给全景影像控制器。如果仅在后方装1个摄像头，可实现倒车影像功能。如果同时在前后左右安装4个摄像头，通过对4个摄像头输入图像进行畸变校正及裁剪，实现4个视图及2D俯视图效果集成，3D旋转效果（高清方案）集成，最终通过MP5进行显示。环视摄像头部分重要参数见表7，其布置在整车示意见图4。

4 传感器整车布置融合

高级驾驶辅助系统的不同传感器之间的组合布置，需要考虑到覆盖范围和冗余性。不同传感器的感知范围均有各自的优点和局限性，现在发展的趋势是通过传感器信息融合技术，弥补单个传感器的缺陷，提高整个智能驾驶系统的安全性和可靠性。覆盖范围：车体360°均需覆盖，根据重要性，前方的探测距离要长（120 m），后方的探测距离稍短（80 m），左右侧的探测距离最短（20 m）。为了保证安全性，每块区域需要2个或2个以上的传感器覆盖，以便相互校验，如图5所示为布置方案。

表7 环视摄像头部分参数

图5 传感器布置融合示意

4.1 前向智能摄像头和前向毫米波雷达布置融合

前雷达安装位置根据雷达性能参数要求、车身造型，设定合理的布置位置。雷达离地高度（雷达天线轴到地面的距离）推荐50 cm，30 cm到120 cm之间都可接受。离地高度接近30 cm可能会有过多的地面反射信号干扰直接信号接收和降低探测的风险。雷达与保护盖之间的距离大于15 mm（2倍波长，可以避免复杂近场对雷达波束的影响），小于40 mm（以避免过大的雷达波相交面）。雷达横向位置坐标在-30 cm到30 cm之间。雷达如果安装前盖板，对盖板也有特殊要求，比如曲率半径＞600 mm、波束与盖板相交部分厚度均一、型面需要经过仿真测试、材质需要进行材料电性能测试、非喷涂件等。毫米波雷达波束与周边结构间距＞5 mm，与车辆角度-俯仰角、偏航角、侧倾角为0°，雷达FOV与牌照框距离15 mm以上，避免安装牌照后影响雷达探测等等要求。如图6所示。

图6 前向毫米波雷达布置示意

前摄像头最好的垂直安装位置是在挡风玻璃的中心，高度在1 200 mm以上为佳，可以允许偏移挡风玻璃中心线在10 cm以内。偏航角、侧倾角、俯仰角最好为0°附近（±3°）。支架应该安装在干净的玻璃区域，视角区域不能被绢印或者印刷遮挡。摄像头视窗与雨刮轨迹线间距大于30 mm，镜头模块与挡风玻璃的之间间隙应该保证最小1 mm。开口应该由投影在挡风玻璃各层的视角决定，摄像头支架和罩盖上应设计通风孔（开孔面积大于120 mm2），保证空气流通。支架安装在挡风玻璃的位置公差通常是±1 mm（定位）和±2.5°（旋转）(图7)。

4.2 侧向毫米波雷达（角雷达）布置融合

角雷达根据其性能参数要求、车身造型，设定合理的布置位置，车身要预留布置空间。角雷达布置高度要求：过低泥水污物影响雷达，太高离车辆近处的盲区会变大（可能会导致±20°以外无视野），推荐高度在400 mm到1 000 mm之间。要达到盲区最小化，雷达与车辆纵轴线的夹角要在30°到45°之间为宜，雷达与车辆水平面夹角最好控制在90°。雷达FOV视野内无金属，棱线，多层结构或材质，FOV与覆盖件的最大角度为70°，覆盖件要求平整，曲率要求大于350 mm。

图7 前摄像头布置示意

4.3 超声波雷达布置融合

为了实现APA功能，整车上要布置12个超声波雷达，布置数量较多。超声波雷达传感器安装支架上，通过与保险杠蒙皮的粘接固定上。为了最大限度满足探测要求，超声波雷达布置位置提供了具体要求，见图8。布置具体要求有：避免将雷达布置在凹陷于汽车保保杠的表面、避免拍照干涉雷达探测区域、远离热源排气管、大功率灯具等等。

图8 超声波雷达布置位置要求

4.4 环视摄像头

AVM环视系统，共需在车身前后左右布置4个摄像头。前方摄像头安装在前格栅附近区域。后方摄像头安装在后背门牌照灯或附近区域。左右侧摄像头需要安装在后视镜壳底部，需要在左右后视镜中预留一个摄像头的孔位，以便于左右摄像头的安装。摄像头布置时应进行光学校核，保证相邻摄像头影像有足够的重合，并且在摄像头1°的组装误差范围内应能保证图像拼接无黑边，盲区不能超过企业标准所要求。为防止拍摄影像的改变，而导致全景影像无法拼接，摄像头应具有防旋转的定位结构。

前后摄像头布置要求：车辆满载时，离地高度≥600 mm；偏离中心平面距离≤50 mm，建议置于中心平面；视轴与车辆XZ平面平行；视轴与车辆Z轴夹角建议45°到75°，光轴与地面线交点距车身最外侧1 000～2 000 mm；盲区视野≤200 mm；摄像头垂直视野在3 000 mm处可完整看到直立于地面3 000 mm高的物体。如图9为环视摄像头（前）布置要求。

图9 环视摄像头（前）布置要求

左右摄像头（后视镜上）布置要求：摄像头前视图，视角与垂直线之间夹角建议20～25°；视角与垂直线之间夹角建议1.5～5°；安装高度大于900 mm；车身突出距离大于100 mm；视野需覆盖车辆前后各10 m位置，且10 m的视野线与后视镜壳体下边缘距离大于1 mm，前后5 m的视野线与光轴面夹角均小于85°，且5 m的视野线与后视镜壳体下边缘最小距离大于1.2 mm；摄像头外突小于5 mm（可调节）。

高级驾驶辅助系统的传感器除了要保证探测范围的覆盖冗余度，在实际安装中，还要符合每个传感器和车辆的安装条件。本文介绍的传感器布置参数是基于某款车型、特定供应商传感器产品进行的总结融合。不同传感器供应商，对布置要求会有细微差异，在实际车型布置过程中，要结合供应商提供的布置要求，以及整车布置、造型，进行适应性调整。

华为、苹果要「捅破天」，手机卫星通信到底是什么？

可能很多人有这样的体验：在城市习以为常的蜂窝网络，一旦到了深山里、大海上，信号失效后，手机形同废铁。如今这种相当小众的用户需求，手机厂商们也趋之若鹜。9月6日，抢在iPhone 14发布的前两天，华为时隔两年更新的Mate 50，展示了这样一种能力——用户在无地面网络信号覆盖的条件下，比如身处荒漠无人区、出海遇险、地震救援，依旧可以实现紧急通信服务，与外界保持联系，并且生成多条轨迹地图。余承东口中这项“捅破天”的卫星通信功能，基于北斗卫星实现。实际上，卫星通信和蜂窝网络通信的差别很大，蜂窝网络下，手机通过地面铺设的基站，链接电信网络；而卫星通信则是由卫星收发信号，与手机进行连接。尽管在发布之后，市场上出现了不少质疑华为这一功能为“噱头”的声音——这完全能理解，北斗卫星通信不是一项全新的技术，早在几十年前就已经广泛应用在军事领域上。此外，其在民用领域的应用并不罕见，比如渔业、农业、森林抢险领域等，“国内所有大的农药喷洒机都有这项功能”，一位行业人士表示。但卫星通信用在大众智能手机上确实是第一次。不仅华为对此感兴趣，苹果也瞄准了枪口。苹果分析师郭明錤此前就表示，苹果早在iPhone13期间就完成了卫星通信在硬件上的开发，而9月8日发布的iPhone 14，卫星通信服务比华为提供的更丰富，不仅有卫星通信紧急短信，还可以收到救援机构的信息回复。在更早的时候，马斯克旗下的卫星公司星链、吉利李书福投资的手机公司星纪时代也将其作为一项主要的卖点进行研究。但路线与华为此次介入北斗卫星并不相同。手机厂商们近期的高调入局、密集发声，直接引爆了二级市场的热情，上周五，华丽创通、欧比特等相关领域公司集体暴涨。国外也一样，卫星通信公司全球星Globalstar的股价在过去半年直接飙升七成。卫星通信虽然不是一个新鲜事物，但随着大手机厂商的入局、以及背后产业链的逐渐成熟，在手机上重新找到了崭新的应用空间，改善少数用户在极端情况下的使用体验。站在用户的角度上看，一旦这项“紧急求助”功能若某天不幸被应验，将会是终身难忘的一幕。但对于硬件厂商来说，他们追求的，其实远远不止改善用户体验这么简单。把一项老技术装上新手机，难度不小按功能分，卫星包括导航、通讯和遥感三类。其中，北斗卫星是国内自主研制的，继俄罗斯DE glonass、美国的GPS之后的第三个全球卫星导航系统。北斗卫星是融合了导航和通讯两项功能的卫星。其实，目前国内几乎所有手机都能支持北斗定位，应用北斗卫星的导航功能，但是要实现卫星通信功能，整体的难度不小，不仅要有硬性的技术突破，也要有软性的准入门槛。一名行业人士表示，在硬件方面，北斗上行天线设计相比传统GPS有很大的变化，射频、滤波器都需要做新的调试。此外，还需要加入单独的芯片。产业链上的各方，技术门槛还在突破化解当中。比如，联发科此前就展示过，5G芯片在手机硬件上的卫星通讯功能，试图把功能整合进整体Soc（系统级芯片）当中。此外，中国兵器工业集团也联合过中国移动、中国电子科技集团以及一些国产手机厂商，攻克多项关键核心技术，完成国内首颗手机北斗短报文通信射频基带一体化芯片研制。一名通讯行业人士告诉36氪，手机和卫星之间并不是直接连接的，需要一些中间设备，比如卫星接收天线锅盖转化成WiFi之后才能与手机连接，而通信射频基带一体化芯片起到的作用就是，“代替中间这一天线锅盖”。随着在卫星通信进入手机这一大众化终端，将会带动产业链对于卫星通信一体化芯片的研发，带动北斗产业链的发展。

图片来自pixabay技术门槛之外，把这项老技术装上新手机，还需要越过的一座高山是带宽准入门槛。作为高轨卫星，北斗卫星发射信号的频率和带宽存在较大的限制。具体表现在，手机卫星通信暂时只能基于字节发送，一般是以“短报文”的形式实现。以华为手机为例，通过北斗卫星系统实现双向信息的发送接收的时候，一次最多只能发送1000个汉字。“要在这些地方，用北斗卫星通信使用流媒体是不可能的”，一位行业人士表示。不过，在华为之后，未来未必所有的大众手机品牌都有能力跟进这项功能。前述人士表示，北斗卫星通信未来带宽将优先紧着渔业、森林救援、军事等传统刚需场景的使用，不一定能分配到国内这么大的智能手机用户群体手上。但另一位行业人士也认为，如果北斗卫星通讯开放带宽得到提升，门槛降低，“也可能会衍生更多空间、应用的可能。”另外，华为手机这次这项手机卫星通信功能，信号暂时还是由中国移动代收，因此，除了前述软硬两层的门槛之外，要实现这一功能还需要协调好芯片、手机厂商和运营商三方的关系。华为费力推进手机卫星通信这件难事不是没有空穴来风，卫星通讯有其存在的价值。星纪时代CEO王勇告诉36氪，从全球范围来看，移动基站的覆盖率只有21%左右，沙漠、公海、高原等地方都还没有被覆盖，因此行业内下一代通信的目标是，真正实现全场景全域的连接。从用户体验改善来看，这项功能是有特定意义的，只是受众还并不是很宽泛，绝大多数身处于城市的用户对此很难有感知。“卫星通信更像是对地面基面通讯的一项补充、备选。”一位行业人士表示。对于如今创新乏力的手机厂商来说，费事费力把这项老技术迁移到新手机上不难被理解——他们如不会放过一丝一毫可以祭出创新力和巧思的地方。

华为向左，马斯克星链向右

手机厂商的思考其实还能更深一步。北斗卫星的特殊性，决定了它不是随便一个手机玩家就能连接上的，大概率也不会随便开放给国外厂商，硬件企业们开辟了另外一条思路——通过低轨通信卫星来实现覆盖，比如马斯克的星链、以及吉利的星纪时代。北斗卫星和低轨通信卫星，是两种完全不同的实现方式。一位行业人士告诉36氪，星链追求更多的是宽带，也就是在这些地广人稀的区域WIFI上网的能力，而北斗暂时只是以短报文形式实现通信，“可以简单理解为，一个是5G，一个是1G”

低轨卫星通讯系统基本构成 信息来自华泰证券另外，手机厂商们涉猎手机低轨卫星通信的另外一项考虑是，实现“近场连接”，打造自己的生态闭环。手机厂商们在手机增长见顶之后，正在围绕着手机这一中心点，打造自己的IoT生态，甚至补齐自己的智能汽车版图。硬件越铺越多，底层的闭环连接、数据的打通至关重要。王勇告诉36氪，在智能化的时代下，所有的设备近在咫尺，却互相割裂，无法提供融合的服务，通过卫星可以解决多设备融合连接的问题。“在浩瀚的大海上，在无尽的沙漠上，手机之间不仅可以和外地联系，还可以互相联系，还会非常便利。”设想很美好，商业模式是摆在眼前的一大问题。一位通信行业人士表示，星链上网每个月要100多美元，远远高于传统的地面基站宽带连接，并不是普通用户可以接受的范围。所以未来商业模式的打磨也是摆在眼前的一项重要议题。不过，王勇认为，低轨卫星不比基站，是边际成本递减的模式，从用户体验来说，连接问题如果得到更好的解决， 也会产生更好玩的杀手级应用。另外，低轨卫星通信模式的又一项掣肘是，当前的频谱资源相当紧缺。卫星频谱是一种全球性资源，卫星频谱和轨道资源的申请都遵循着“先登先占”原则，先登记者有优先权。

地面移动通信和卫星通信的对比 来自华泰证券

而在一位行业人士看来，华为此次如此坚定推动此事，也或许是其6G布局的其中一步。6G时代下，卫星和蜂窝通信将会是互相融合、互相补充的，“传统地面运营商模式下没有新玩家了，建站的成本越来越高，引入卫星通信，还会有新的玩家还会进来”。不管如何，随着华为和苹果的加入，手机卫星通信的时代已经悄然而至，产业链上也将诞生更多的机会。

参考文献链接

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