汽車市場已經(jīng)成為傳感器的重要應(yīng)用市場，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，對溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、加速度和振動等各種信息進(jìn)行實時、準(zhǔn)確的測量和控制。當(dāng)前，一輛普通家用轎車上大約安裝了近百個傳感器，而豪華轎車上的傳感器數(shù)量多達(dá)200個，那么作為未來主流的智能電動汽車，其自動駕駛系統(tǒng)需要多少傳感器來支撐呢？

自動駕駛系統(tǒng)涵蓋三個方面，分別為：

1）感知層，通過傳感器（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，通過接收傳感器的實時信息、以及芯片/算法得出的決策信號從而采取包括剎車/警示等在內(nèi)的行車行動。其中硬件設(shè)備包括傳感器、芯片、高精地圖。

感知就像人類通過眼睛和耳朵感知周圍情況，自動駕駛的感知是通過激光雷達(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GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）、IMU（慣性測量單元）、RTK（實時動態(tài)）定位等絕對位置定位組成，用來搜集車輛周邊的環(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)最重要的兩個屬性是測距和精度。激光雷達(dá)可以主動探測周圍環(huán)境，屬于“主動視覺”，即使在夜間仍能準(zhǔn)確地檢測障礙物。因為激光光束更加聚攏，所以比毫米波雷達(dá)擁有更高的探測精度。缺點在于成本高昂、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)廠帶來成本壓力。

近日，全球知名市場研究與戰(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)用報告》（以下簡稱《報告》）?！秷蟾妗方y(tǒng)計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)市場應(yīng)用的份額占比情況。

來源：Yole Développement

報告顯示，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，探測角度越小。在工作狀態(tài)，通過收發(fā)超聲波，超聲波雷達(dá)能以1-3cm精度測算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的。尤其是汽車在高速行駛過程中，由于超聲波信號的傳播延遲，接收到的信息會出現(xiàn)一定的延遲。另外，超聲波設(shè)備也存在方向性差的問題，需要更多的設(shè)備來覆蓋同一個區(qū)域，而且天氣條件也會極大地影響它們的探測效果。

不過，這并沒有影響超聲波雷達(dá)在汽車行業(yè)的應(yīng)用，非常關(guān)鍵的一點就是它的超高性價比。市場上單個超聲波雷達(dá)的售價僅為數(shù)十元人民幣，按照一套倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)安裝4個超聲波雷達(dá)計算，硬件成本還不足二百元。自動泊車系統(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。與動不動就要數(shù)萬元甚至數(shù)十萬元的激光雷達(dá)相比，超聲波雷達(dá)在成本方面的優(yōu)勢實在太突出了。

超聲波目前的使用場景，基本有三種，一種是實現(xiàn)簡單的后向倒車輔助、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；另一種是增加了汽車在前進(jìn)過程中的預(yù)警，配置數(shù)量在8個；最后一種就是配置12個，實現(xiàn)水平、垂直、斜向全自動泊車的功能。

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，近年來，國內(nèi)本土供應(yīng)商也在加緊搶占市場，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及量產(chǎn)項目數(shù)據(jù)庫作為基礎(chǔ)評價指標(biāo)，通過企業(yè)規(guī)模、資本實力、研發(fā)能力、經(jīng)營能力、行業(yè)影響力、成長潛力等六個一級指標(biāo)綜合評判，正式發(fā)布年度超聲波雷達(dá)（國產(chǎn)）供應(yīng)商市場競爭力TOP10榜單。上富電技、豪恩汽電、奧迪威、縱目科技、合肥晟泰克、?？灯?、重慶光大、輔易航、優(yōu)保愛駕、蘇州優(yōu)達(dá)斯上榜。

毫米波雷達(dá)

毫米波指波長介于1~10mm的電磁波，毫米波的波長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。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)通過天線向外發(fā)射毫米波，接收目標(biāo)反射信號，經(jīng)計算后快速準(zhǔn)確地獲取汽車車身與其他物體直接的相對距離、速度、角度、運動方向等，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，但其同樣也存在角度分辨率弱、辨識精度低等缺陷?；跍y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)毫無疑問地廣泛應(yīng)用于自動駕駛車輛當(dāng)中，但其在探測精度上的短板也需要持續(xù)的技術(shù)迭代來補(bǔ)足。

ADAS系統(tǒng)的毫米波雷達(dá)市場集中， 長期為國外汽車零部件巨頭所壟斷，以德國、美國和日本等國家為研發(fā)地，主要公司有博世、大陸、海拉、富士通天、電裝、天合、德爾福、奧托立夫等。國內(nèi)微波/毫米波雷達(dá)傳感器企業(yè)近年來逐漸涌現(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自主研發(fā)、國際合作、投資創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊等方式切入加速布局。

車載高清攝像頭

攝像頭測距能力相對較弱，且受環(huán)境光照的影響大，但攝像頭的核心優(yōu)勢在于非常適用于物體識別、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，使得它處于整個感知融合的中心地位。車載攝像頭覆蓋率較低，市場潛力巨大。

要完全實現(xiàn)自動駕駛，汽車必須配置五類攝像頭，伴隨智能駕駛等級提升，單車車載攝像頭數(shù)量增長，單車攝像頭配置數(shù)量至少為 12個，L5預(yù)計需要12-15顆（感知+環(huán)視+DMS/OMS），隨著車載攝像頭技術(shù)的成熟，單品價格總體呈下降趨勢，據(jù) ICVTank 數(shù)據(jù)，2020 年車載攝像頭價格帶芯片及算法前視攝像頭1,000元左右，無芯片500萬像素僅200元，未來這一價格有望進(jìn)一步下降，并將進(jìn)一步推動車載攝像頭覆蓋率和單車配置數(shù)量提升。

隨著ADAS和自動駕駛的逐步深入，預(yù)計未來車載攝像頭市場規(guī)模仍保持高速增長，根據(jù)ICVTank，全球車載攝像頭市場規(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

對于一輛自動駕駛汽車來說，高精定位有兩層含義：

（1）得到自車與周圍環(huán)境之間的相對位置，即相對定位；

（2）得到自車的精確經(jīng)緯度，即絕對定位。

因此，自動駕駛汽車對于周邊環(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時感知得到的、用經(jīng)緯度描述的動態(tài)障礙物的信息廣播給周圍的車輛，這兩個技術(shù)疊加在一塊，就可以大大提高自動駕駛汽車的安全性，從而拓展它們的運營范圍。

之所以使用經(jīng)緯度來描述這些信息，是因為不同的車輛，包括采集高精地圖的測繪車在內(nèi)，必須使用同一個觀測坐標(biāo)系才能共享觀測的信息，而目前世界上最通用的觀測坐標(biāo)系就是由經(jīng)緯度定義的坐標(biāo)系，對絕對定位的需求就來自這里。

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

因此，在自動駕駛領(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、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器等）進(jìn)行融合。嚴(yán)格來講，IMU只提供相對定位信息，即自體從某時刻開始相對于某個起始位置的運動軌跡和姿態(tài)。然而，將IMU的相對定位與RTK GPS的絕對定位進(jìn)行融合后，就產(chǎn)生了兩個無可替代的優(yōu)點：

（1）IMU可以驗證RTK GPS結(jié)果的自洽性，并對無法自洽的絕對定位數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和修正；一個簡單的例子是，如果RTK GPS輸出汽車的絕對位置在短時間內(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的定位出了問題，應(yīng)該由IMU來接管絕對定位系統(tǒng)；

（2）IMU可以在RTK GPS信號消失之后，仍然提供持續(xù)若干秒的亞米級定位精度，為自動駕駛汽車爭取寶貴的異常處理的時間。同樣的道理，IMU也可以在相對定位失效時，對相對定位的結(jié)果進(jìn)行航跡推演，在一段時間內(nèi)保持相對定位的精度；例如，在車道線識別模塊失效時，基于失效前感知到的道路信息和IMU對汽車航跡的推演，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，即慣性測量單元，通常由陀螺儀、加速度計和算法處理單元組成，通過對加速度和旋轉(zhuǎn)角度的測量得出自體的運動軌跡。

陀螺儀

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

加速度計

加速度計的低頻特性好，可以測量低速的靜態(tài)加速度。當(dāng)我們把加速度計拿在手上隨意轉(zhuǎn)動時，我們看的是重力加速度在三個軸上的分量值。加速度計在自由落體時，其輸出為0。為什么會這樣呢？這里涉及到加速度計的設(shè)計原理：加速度計測量加速度是通過比力來測量，而不是通過加速度。

加速度計若是繞著重力加速度的軸轉(zhuǎn)動，則測量值不會改變，也就是說加速度計無法感知這種水平旋轉(zhuǎn)。陀螺儀與加速度計之間的關(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，加速度計是瞭望手。舵手負(fù)責(zé)估計和把穩(wěn)航向，他相信自己，本來船向北開的，就一定會一直往北開，覺得轉(zhuǎn)了90度彎，那就會往東開。當(dāng)然如果舵手很牛逼，也許能估計很準(zhǔn)確，維持很長時間。不過只信任舵手，肯定會迷路，所以一般都有瞭望手來觀察誤差。

IMU的關(guān)鍵優(yōu)勢，在于它在任何天氣和地理條件下都能正常工作。作為一個獨立的數(shù)據(jù)源，它可用于短期導(dǎo)航，并驗證來自其他傳感器的信息，也不會因為天氣、透鏡污垢、雷達(dá)和激光雷達(dá)信號反射或城市峽谷效應(yīng)而失效。作為一個獨立的傳感器，IMU被視為補(bǔ)充和證實其他傳感器數(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以可控的方式使車輛停止，因此，有人將IMU稱為自動駕駛系統(tǒng)的定海神針。

目前，市場上所有配備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雖可滿足自動駕駛慣性導(dǎo)航的性能要求，但過去數(shù)千美元的價格使其無法在汽車市場上大規(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，中國廠商也在競逐IMU領(lǐng)域，如深迪半導(dǎo)體、罕王微電子。

自動駕駛各傳感器匯總對比

通過上述分析，可以發(fā)現(xiàn)這些自動駕駛傳感器或多或少存在一些盲點，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，雷達(dá)和紅外攝像機(jī)可保證自動駕駛系統(tǒng)的感知功能。

GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）是自動駕駛系統(tǒng)的一個核心要素。GNSS通過兩種增強(qiáng)改正模式，RTK（實時動態(tài)）和PPP（精確點定位），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存在信號丟失和城市中心多路徑等問題。

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

1.以特斯拉為代表的視覺主導(dǎo)方案和以視覺主導(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個前置攝像頭、2個側(cè)方前視攝像頭、2個側(cè)方后視攝像頭、1個后視攝像頭、12個超聲波傳感器、1個毫米波前置雷達(dá)，實現(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個車頂+4個車輛前后左右），6個自研毫米波雷達(dá)、自研29個攝像頭、麥克風(fēng)列陣等。

結(jié)論

一輛電動汽車自動駕駛系統(tǒng)需要多少傳感器來支撐呢？

也許我們沒法有個明確數(shù)值，不同廠商有不同的技術(shù)解決方案，目前無法清楚判斷孰優(yōu)孰劣，但是多種傳感器融合與互補(bǔ)是必然的，無論是激光雷達(dá)、超聲波、毫米波、攝像頭還是GPS、IMU、加速度計、陀螺儀都是電動汽車自動駕駛必備的傳感器，目前我們國內(nèi)廠商相對國外企業(yè)在技術(shù)上相對要滯后，不過我們也可以看過在不同的傳感領(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，中國作為智能汽車最大的消費市場，自動駕駛的成熟需要我們中國市場來驗證，作為其核心硬件傳感器研發(fā)需要我們中國企業(yè)來參與及完善。