超声波雷达的应用

本文标题提到超声波雷达是被低估的传感器，因为它除了检测障碍物外，还可以做很多事。

应用1：泊车库位检测

自动泊车功能需要经历两个阶段：1.识别库位；2.倒车入库

识别库位功能就是依赖安装在车辆侧方的APA，如下场景。

汽车缓缓驶过库位时，汽车右前方的APA传感器返回的探测距离与时间的关系可判断当前空间有无车位。有了库位检测功能，进而开发自主泊车功能就不是难事了。

应用2：高速横向辅助

特斯拉Model S在AutoPilot 1.0时代就实现了高速公路的巡航功能，为了增加高速巡航功能的安全性和舒适性，特斯拉将用于泊车的APA超声波雷达，也用在了高速巡航上。

先看一段Model S应用APA的视频，视频左下角的图像是一个朝汽车后向的摄像机，右侧的图像是朝向行驶方向的视角。

在视频中可以看出，当左侧驶过的汽车理自车较近时，Model S在确保右侧有足够空间的情况下，自主地向右微调，降低与左侧车辆的碰撞风险。

车载摄像机

车载摄像机的大致原理是：首先，采集图像进行处理，将图片转换为二维数据；然后，进行模式识别，通过图像匹配进行识别，如识别车辆行驶环境中的车辆、行人、车道线、交通标志等；接下来，依据物体的运动模式或使用双目定位，以估算目标物体与本车的相对距离和相对速度。

摄像机根据镜头和布置方式的不同主要有以下四种：单目摄像机、双目摄像机、三目摄像机和环视摄像机。

 单目摄像机模组只包含一个摄像机和一个镜头。由于很多图像算法的研究都是基于单目摄像机开发的，因此相对于其他类别的摄像机，单目摄像机的算法成熟度更高。但是单目有着两个先天的缺陷。

 一是它的视野完全取决于镜头。

 焦距短的镜头，视野广，但缺失远处的信息。反之亦然。因此单目摄像机一般选用适中焦距的镜头。

 二是单目测距的精度较低。 

摄像机的成像图是透视图，即越远的物体成像越小。近处的物体，需要用几百甚至上千个像素点描述；而处于远处的同一物体，可能只需要几个像素点即可描述出来。这种特性会导致，越远的地方，一个像素点代表的距离越大，因此对单目来说物体越远，测距的精度越低。

双目摄像机 

由于单目测距存在缺陷，双目摄像机应运而生。双目摄像机，是通过对两幅图像视差的计算，直接对前方景物（图像所拍摄到的范围）进行距离测量，而无需判断前方出现的是什么类型的障碍物。依靠两个平行布置的摄像头产生的“视差”，找到同一个物体所有的点，依赖精确的三角测距，就能够算出摄像头与前方障碍物距离，实现更高的识别精度和更远的探测范围。使用这种方案，需要两个摄像头有较高的同步率和采样率，因此技术难点在于双目标定及双目定位。

相比单目，双目的解决方案没有识别率的限制，无需先识别可直接进行测量；直接利用视差计算距离精度更高；无需维护样本数据库。但因为检测原理上的差异，双目视觉方案在距离测算上相比单目以及毫米波雷达、激光雷达，其硬件成本和计算量级的加倍，也是另一个难关。

虽然双目能得到较高精度的测距结果和提供图像分割的能力，但是它与单目一样，镜头的视野完全依赖于镜头。而且双目测距原理对两个镜头的安装位置和距离要求较多，这就会给相机的标定带来麻烦。

三目摄像机 

由于单目和双目都存在某些缺陷，因此广泛应用于无人驾驶的摄像机方案为三目摄像机。三目摄像机其实就是三个不同焦距单目摄像机的组合。 

特斯拉 AutoPilot 2.0安装在挡风玻璃下方的三目摄像机

如下图，可以看出三个摄像头的感知范围由远及近，分别为前视窄视野摄像头（最远感知250米）、前视主视野摄像头（最远感知150米）及前视宽视野摄像头（最远感知60米）。

对摄像机来说，感知的范围要么损失视野，要么损失距离。三目摄像机能较好地弥补感知范围的问题。因此在业界被广泛应用。

那么测距精度的问题怎么办？

正是由于三目摄像机每个相机的视野不同，因此近处的测距交给宽视野摄像头，中距离的测距交给主视野摄像头，更远的测距交给窄视野摄像头。这样一来每个摄像机都能发挥其最大优势。

三目的缺点是需要同时标定三个摄像机，因而工作量更大一些。其次软件部分需要关联三个摄像机的数据，对算法要求也很高。