智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)21世紀技能創(chuàng)新型人才培養(yǎng)系列教材·汽車系列主編王皓張春蓉項目三視覺傳感器在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中的應(yīng)用任務(wù)一視覺傳感器的組成和種類任務(wù)二視覺傳感器的功能和工作原理任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)王皓任務(wù)一視覺傳感器的組成和種類視覺傳感器又叫攝像頭，主要由光源、鏡頭、圖像傳感器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像處理器、圖像存儲器等組成，如圖3-1所示，其主要功能是獲取足夠的機器視覺系統(tǒng)要處理的原始圖像。光、攝像機、圖像處理器、標準的控制與通信接口等集成一體的視覺傳感器稱為一個智能圖像采集與處理單元視覺傳感器將計算機的靈活性、PLC的可靠性以及分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合在一起，構(gòu)成機器視覺系統(tǒng)。任務(wù)一視覺傳感器的組成和種類圖3-1視覺傳感器的組成任務(wù)一視覺傳感器的組成和種類一、視覺傳感器的組成與結(jié)構(gòu)1.光源光源是一個物理學名詞，世間萬物有的發(fā)光，有的不發(fā)光。我們把能夠自行發(fā)光且正在發(fā)光的物體叫作光源，如太陽、打開的電燈、燃燒的蠟燭等。2.鏡頭鏡頭是視覺傳感器的關(guān)鍵部件，它的質(zhì)量直接影響攝像頭的各項指標。鏡頭相當于人眼的晶狀體，如果沒有晶狀體，眼睛是看不到任何物體的；同理，如果沒有鏡頭，攝像頭輸出的圖像就是白茫茫一片。任務(wù)一視覺傳感器的組成和種類3.圖像傳感器圖像傳感器通常使用電荷耦合裝置（CCD）或互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)將光轉(zhuǎn)換為電信號。圖像傳感器的根本任務(wù)就是采集光源并將其轉(zhuǎn)換為平衡噪聲、靈敏度和動態(tài)范圍的數(shù)字圖像。圖像是像素的集合，暗光產(chǎn)生較暗的像素，亮光產(chǎn)生較亮的像素。圖像傳感器能夠確保攝像頭具有正確的分辨率，分辨率越高，圖像細節(jié)越清晰，測量準確度越高。4.模/數(shù)轉(zhuǎn)換器模/數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，是將模擬信號轉(zhuǎn)換為電子信號的電子元件。例如，能夠把輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字信號。5.圖像處理器圖像處理器是能夠?qū)D像進行分類、合成等操作的軟件，經(jīng)過取樣和量化環(huán)節(jié)將圖像變換為適合計算機處理的數(shù)字信息，再通過直方圖、灰度圖等顯示。6.圖像存儲器圖像存儲是指在存儲器中保存圖形和影像的數(shù)字信息。數(shù)字圖像文件可存儲為映射圖像、光柵圖像或矢量圖像等。任務(wù)一視覺傳感器的組成和種類二、視覺傳感器的特點（1）視覺圖像的信息量極為豐富，尤其是彩色圖像，不僅包含視野內(nèi)物體的距離信息，還包含物體的顏色、紋理、深度和形狀等信息，視覺傳感器均能獲取。（2）視覺傳感器可在視野范圍內(nèi)同時實現(xiàn)道路檢測、車輛檢測、行人檢測、交通標志檢測、交通信號燈檢測，信息獲取面積大，多輛智能網(wǎng)聯(lián)汽車同時工作時，不會出現(xiàn)相互干擾的現(xiàn)象。（3）視覺傳感器獲取的是實時的場景圖像，該信息不依賴于先驗知識，有較強的環(huán)境適應(yīng)能力。（4）視覺傳感器應(yīng)用廣泛，在智能網(wǎng)聯(lián)汽車中可以實現(xiàn)前視、后視、側(cè)視、內(nèi)視、環(huán)視等。以前視為例，夜視、車道偏離預(yù)警、碰撞預(yù)警、交通標志識別等功能均要求視覺系統(tǒng)能夠在各種天氣、路況條件下清晰識別車道線、車輛、障礙物、交通標志等。三、視覺傳感器的類型車載視覺傳感器常用的分類方式有按照芯片類型分類和按照鏡頭數(shù)目分類。1.按照芯片類型分類（1）電荷耦合器件（CCD）。CCD是一種用電荷量表示信號、用耦合方式傳輸信號的探測元件，如圖3-3所示。它是一種特殊的半導(dǎo)體器件，上面有很多一樣的感光元件，每個感光元件叫作一個像素。CCD的作用是將光線轉(zhuǎn)換成電信號，是極其重要的部件，其性能直接影響攝像機的成像質(zhì)量。CCD廣泛應(yīng)用于數(shù)碼攝影、天文學等領(lǐng)域。任務(wù)一視覺傳感器的組成和種類（2）互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）。互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）是一種大規(guī)模用于集成電路芯片制造的原料，其成品如圖3-4所示。CCD和CMOS傳感器是目前普遍采用的圖像傳感器，兩者都利用光電二極管進行光電轉(zhuǎn)換，通過芯片上的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，主要差異是數(shù)字數(shù)據(jù)的傳輸方式不同。在CCD傳感器中，每一行的每一個像素的電荷數(shù)據(jù)都會依次傳送到下一個像素中，再經(jīng)過傳感器邊緣的放大器放大輸出。而在CMOS傳感器中，當數(shù)據(jù)的傳送距離較長時會產(chǎn)生噪聲，因此要先放大信號，再整合各個像素的數(shù)據(jù)。在每個像素旁都接一個放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，通過類似內(nèi)存電路的方式輸出數(shù)據(jù)。任務(wù)一視覺傳感器的組成和種類2.按照鏡頭數(shù)目分類（1）單目攝像頭。單目攝像頭的優(yōu)點是成本低廉；能夠識別具體障礙物的種類，且識別準確。單目攝像頭的缺點是其識別原理導(dǎo)致無法識別沒有明顯輪廓的障礙物；工作準確率與外部光線條件有關(guān)，并且受限于數(shù)據(jù)庫；沒有自主學習功能。任務(wù)一視覺傳感器的組成和種類（2）雙目攝像頭。雙目攝像頭如圖3-6所示。該類攝像頭通過對兩幅圖像視差的計算，直接對前方景物（圖像所拍攝到的范圍）進行距離測量，而無須判斷前方出現(xiàn)的是什么類型的障礙物。其原理是依靠兩個平行布置的攝像頭產(chǎn)生的視差，找到同一個物體所有的點，然后通過三角測距方式計算出攝像頭與前方障礙物的距離，實現(xiàn)更高的識別精度和更遠的探測范圍。任務(wù)一視覺傳感器的組成和種類（3）三目攝像頭。三目攝像頭如圖3-7所示。該類攝像頭除了具有單目攝像頭功能，其配備的長焦距攝像頭可以實現(xiàn)遠距離探測和魚眼功能，增強了近距離范圍的探測能力，視野更為廣闊。特斯拉電動汽車采用的就是三目攝像頭，包含一個120°的廣角攝像頭，可以監(jiān)測車輛周圍的環(huán)境，探測距離60m左右；一個50°的中距攝像頭，探測距離150m左右；一個35°的遠距離攝像頭，探測距離250m左右。任務(wù)一視覺傳感器的組成和種類（4）環(huán)視攝像頭。如圖3-8所示，環(huán)視攝像頭至少包括4個攝像頭，以實現(xiàn)360°環(huán)境感知。任務(wù)一視覺傳感器的組成和種類3.按照攝像頭的使用時間分類（1）普通攝像頭。普通攝像頭用于探測可見光，其工作依賴于外界光源，因此普通攝像頭只適合在白天工作，不適合在黑夜工作。（2）紅外攝像頭。紅外攝像頭如圖3-9所示。該類攝像頭可以感知紅外線，對外界的光照要求不高，可在夜晚光照不充分時利用紅外線感知物體。因此，紅外攝像頭既適合在白天工作，也適合在夜間工作。目前車輛上使用的主要是紅外攝像頭。任務(wù)二視覺傳感器的功能和工作原理一、視覺傳感器的功能1.車道線識別車道線是視覺傳感器能夠感知的最基本信息，擁有車道線識別功能即可實現(xiàn)高速公路車道保持。車道線識別功能既可以確保車輛在車道內(nèi)行駛，也可以實現(xiàn)變換車道行駛，如圖3-10所示。任務(wù)二視覺傳感器的功能和工作原理2.障礙物檢測障礙物會對行車安全構(gòu)成威脅。障礙物的種類有很多，如汽車、行人、自行車、動物、建筑物等，如圖3-11所示。實現(xiàn)對障礙物的檢測是確保車輛能夠在車道內(nèi)正常行駛并保持合適的跟車距離的基本要求。任務(wù)二視覺傳感器的功能和工作原理3.交通標志和地面標志識別如圖3-12所示，交通標志和地面標志可用于道路特征與高精度地圖匹配后的輔助定位，系統(tǒng)也可以基于這些感知結(jié)果進行地圖的更新。任務(wù)二視覺傳感器的功能和工作原理4.交通信號燈識別如圖3-13所示，對交通信號燈狀態(tài)的感知能力是主要在城區(qū)行駛的無人駕駛汽車實現(xiàn)安全行駛的重要前提。任務(wù)二視覺傳感器的功能和工作原理5.可通行空間檢測如圖3-14所示，可通行空間標示無人駕駛汽車可以正常行駛的區(qū)域。任務(wù)二視覺傳感器的功能和工作原理二、視覺傳感器的工作原理1.視覺人類視覺系統(tǒng)（HumanVisualSystem）擁有視錐細胞和視桿細胞。視錐細胞在中央凹處分布密集，而在視網(wǎng)膜周邊區(qū)域相對較少。視桿細胞在中央凹處沒有分布，其主要分布在視網(wǎng)膜的周邊區(qū)域。兩種細胞都能接受光刺激并將光能轉(zhuǎn)化為神經(jīng)沖動，因此稱為光感受器。視桿細胞所含的感光物質(zhì)為視紫紅質(zhì)，對光線的強弱反應(yīng)非常敏感，對不同顏色的光波反應(yīng)不敏感，它是一種感受弱光刺激的細胞，分辨能力差。貓頭鷹的視網(wǎng)膜中的視桿細胞較多，故夜間視覺靈敏。視錐細胞的空間分辨率高，對強光和顏色具有高度的分辨能力。人類肉眼有三種視錐細胞，因此可以看到繽紛的世界。鳥類擁有四種視錐細胞，能辨別出更多的色彩，看見的世界也更加絢麗多彩。任務(wù)二視覺傳感器的功能和工作原理2.車載視覺技術(shù)車載視覺技術(shù)是通過模擬人類視覺技術(shù)發(fā)展而來的一種應(yīng)用技術(shù)。它基于車載機器（視覺傳感器）識別道路環(huán)境參數(shù)并判斷行車的安全性，包括物體的識別、形狀與方位的確認、運動軌跡的判斷等，通過圖像分析識別技術(shù)對行駛環(huán)境進行感知，在即時定位和導(dǎo)航等方面發(fā)揮了車輛的“眼睛”的作用。車載視覺技術(shù)的環(huán)境感知流程如圖3-15所示，通常包括圖像采集、圖像預(yù)處理、圖像特征提取、圖像模式識別、結(jié)果傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)。具體識別對象和采用的識別方法不同，環(huán)境感知的流程也會有所不同。任務(wù)二視覺傳感器的功能和工作原理（1）圖像采集。圖像采集主要是通過攝像頭采集圖像，如果是模擬信號，要把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并把數(shù)字圖像以一定的格式表現(xiàn)出來。（2）圖像預(yù)處理。圖像預(yù)處理包含的內(nèi)容較多，有圖像壓縮、圖像增強與復(fù)原、圖像分割等，要根據(jù)具體況進行選擇。（3）圖像特征提取。為了完成對圖像中的目標的識別，要在圖像分割的基礎(chǔ)上提取需要的特征，并對這些特征進行計算、測量、分類，以便計算機根據(jù)特征值進行圖像分類和識別。任務(wù)二視覺傳感器的功能和工作原理（4）圖像模式識別。圖像模式識別的方法有很多，從圖像模式識別提取的特征對象這一角度，識別方法可分為基于特征的識別技術(shù)、基于色彩特征的識別技術(shù)以及基于紋理特征的識別技術(shù)等。（5）結(jié)果傳輸。通過環(huán)境感知系統(tǒng)識別的信息，可傳輸?shù)杰囕v其他控制系統(tǒng)或者傳輸?shù)街車囕v，實現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。任務(wù)二視覺傳感器的功能和工作原理3.CCD技術(shù)CCD技術(shù)是一種用電荷量表示信號大小，用耦合方式傳輸信號的探測技術(shù)。CCD技術(shù)是1969年由美國貝爾實驗室的博伊爾和史密斯發(fā)明的。當時貝爾實驗室正在研制影像電話和半導(dǎo)體氣泡式內(nèi)存，將這兩種新技術(shù)結(jié)合起來后，博伊爾和史密斯得出一種名為“電荷氣泡元件”的裝置，它能沿著一片半導(dǎo)體的表面?zhèn)鬟f電荷，于是便嘗試將其用作記憶裝置。起初只能從暫存器通過“注入”電荷的方式輸入記憶，但隨即他們發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)能使此種元件表面產(chǎn)生電荷而組成數(shù)位影像，這就是最早的CCD技術(shù)。任務(wù)二視覺傳感器的功能和工作原理CCD技術(shù)具有自掃描、感受波譜范圍寬、畸變小、體積小、重量輕、系統(tǒng)噪聲低、功耗小、壽命長、可靠性高等優(yōu)點，并可做成集成度非常高的組合件。CCD靶面由多個陣列式光電耦合元件構(gòu)成，能根據(jù)光照強弱產(chǎn)生不同強度的電流，然后將電流轉(zhuǎn)換為當量電壓。CCD及光敏元件的結(jié)構(gòu)如圖3-16所示。任務(wù)二視覺傳感器的功能和工作原理CCD技術(shù)可直接將光學信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，實現(xiàn)圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。其特點是：體積小，重量輕，功耗小，工作電壓低；抗沖擊與振動，性能穩(wěn)定，壽命長，靈敏度高，噪聲低，動態(tài)范圍大，響應(yīng)速度快；具有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像；應(yīng)用超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)生產(chǎn)，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產(chǎn)成本低。CCD的結(jié)構(gòu)分為三層，如圖3-17所示，分別為微型鏡頭、分色濾色片、感光元件。光敏元被制作在感光元件層的半導(dǎo)體硅片上，一個光敏元為一個像素，成千上萬的光敏元在半導(dǎo)體硅片上按照線陣或面陣有規(guī)則地排列著。任務(wù)二視覺傳感器的功能和工作原理CCD的基本單元是MOS電容器，用于存儲電荷。如圖3-18所示，每個MOS電容器內(nèi)的工作分為四步：第一步是信號電荷的產(chǎn)生（光電轉(zhuǎn)換）；第二步是信號電荷的存儲；第三步是信號電荷的傳輸；第四步是信號電荷的檢測。任務(wù)二視覺傳感器的功能和工作原理任務(wù)二視覺傳感器的功能和工作原理4.CMOS技術(shù)CMOS（ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，互補性氧化金屬半導(dǎo)體）圖像傳感器的工作原理是制成半導(dǎo)體的元素主要為硅和鍺，它們使CMOS上共存著帶N（-）和P（+）極的半導(dǎo)體，這兩個互補效應(yīng)所產(chǎn)生的電流可被芯片記錄并解讀為影像。精加工后的CMOS可以作為數(shù)碼相機的圖像傳感器。常用的CMOS傳感器有主動式和被動式兩種。任務(wù)二視覺傳感器的功能和工作原理CMOS技術(shù)的特點是靈敏度較高、曝光時間較短、像素尺寸小、自適應(yīng)動態(tài)范圍大、功耗低。CMOS根據(jù)光敏元結(jié)構(gòu)的不同，可分為光柵型和光電二極管型，如圖3-20所示。而根據(jù)敏感單元內(nèi)是否具有放大功能，又可分為無源像素圖像傳感器（PPS）和有源像素圖像傳感器（APS）。任務(wù)二視覺傳感器的功能和工作原理CMOS的主要組成部分包括像敏單元陣列和輸出及信號處理電路，這兩部分集成在同一個硅片上。像敏單元陣列由光電二極管陣列構(gòu)成，按X和Y方向排列成方陣，每個像敏單元都有X和Y方向上的地址，如圖3-21所示。通過控制X和Y方向上的地址譯碼器，將每個像敏單元的狀態(tài)輸送到放大器，即可實現(xiàn)逐行掃描或隔行掃描的輸出方式，也可只輸出某一行或某一列的信號。任務(wù)二視覺傳感器的功能和工作原理CMOS技術(shù)的主要參數(shù)如下：（1）感光度。感光度又稱為ISO值，用于衡量底片對于光的靈敏程度。（2）分辨率。分辨率又稱為解析度、解像度。通常，圖像的分辨率越高，所包含的像素就越多，圖像就越清晰，印刷質(zhì)量也就越好，但會增加文件占用的存儲空間。（3）暗電流。在沒有光照射的狀態(tài)下，在太陽電池、光電二極管、光導(dǎo)電元件、光電管等受光元件中流動的電流叫作暗電流。暗電流的大小與溫度的關(guān)系極為密切。（4）動態(tài)范圍。動態(tài)范圍用于描述畫面中從最暗的陰影部分到最亮的高光部分的光亮強度分布范圍，可以用曝光數(shù)值（縮寫為EV）或者“擋”來進行計量。如果說某個場景范圍很廣，則表示這個場景中從陰影部分到高光部分之間的曝光數(shù)值相差很大，畫面的對比度高，層次豐富。任務(wù)二視覺傳感器的功能和工作原理CMOS技術(shù)主要應(yīng)用在以下領(lǐng)域：（1）車載領(lǐng)域。后視攝像頭、全方位視圖系統(tǒng)、攝像機監(jiān)控系統(tǒng)等。（2）手機領(lǐng)域。智能手機的主攝像頭和前置攝像頭。（3）安防領(lǐng)域。閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)。（4）醫(yī)療影像。X-ray、內(nèi)窺鏡、分子成像、光學相干斷層掃描以及超聲波成像。任務(wù)二視覺傳感器的功能和工作原理5.紅外感光技術(shù)紅外線是一種人的肉眼看不見的光，是波長在微波與可見光之間的電磁波，其最顯著的特性是具有熱效應(yīng)，也就是說所有高于絕對零度的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線。紅外線感光技術(shù)就是檢測物體熱輻射的紅外線的特定波段信號并將其轉(zhuǎn)換成可供人類視覺分辨的圖像和圖形。某些情況下還可以進一步計算出目標物的溫度值。任務(wù)二視覺傳感器的功能和工作原理紅外感光技術(shù)主要分為兩種：一種是主動式紅外感光技術(shù)，成像系統(tǒng)自身帶有紅外光源，根據(jù)被成像物體對紅外光源的不同反射率，以紅外變像管作為光電成像器件來成像，紅外夜視儀采用的就是這種技術(shù)；另一種是被動式紅外感光技術(shù)，成像系統(tǒng)自身不帶有紅外光源，自然界中溫度高于絕對零度的一切物體總是在不斷地產(chǎn)生紅外熱輻射。探測器收集輻射能，就可以形成與景物溫度分布相對應(yīng)的熱圖像，紅外熱像儀采用的就是該技術(shù)。任務(wù)二視覺傳感器的功能和工作原理（1）主動式紅外成像系統(tǒng)。主動式紅外成像系統(tǒng)主要由紅外探照燈、光學系統(tǒng)（物鏡）、紅外變像管、高壓電源、成像器件等組成。紅外變像管可以將紅外輻射圖像轉(zhuǎn)換成可見光圖像。其原理如圖3-24所示，通過物鏡將光線聚焦在影像增強器上以便采集和增強現(xiàn)有光線，增強器內(nèi)部的光電陰極被光“激活”，并將光子能量轉(zhuǎn)變成電子，電子被加速后撞擊在磷表面即可形成人眼可見的圖像。任務(wù)二視覺傳感器的功能和工作原理主動式紅外感光技術(shù)具有技術(shù)成熟、造價低廉、觀測效果比較好的特點；根據(jù)環(huán)境照明條件的變化可以獲得較大的反差，易于區(qū)別目標和背景。其作用距離與紅外線發(fā)射功率有關(guān)，通常，30W紅外探照燈的偵察距離為200～300m。任務(wù)二視覺傳感器的功能和工作原理（2）被動式紅外成像系統(tǒng)。被動式紅外成像系統(tǒng)主要由光學系統(tǒng)、光掃描機構(gòu)、紅外探測器、前置放大群電路等組成，如圖3-25所示。光掃描機構(gòu)通過光機掃描來覆蓋總視場；紅外探測器將不可見光的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可測量的信號；光學系統(tǒng)接收被測目標的紅外輻射，經(jīng)光譜濾波將紅外輻射能量分布圖形反映到焦平面上的紅外探測器陣列的各光敏元上，探測器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號，探測器偏置與前置放大的輸入電路負責輸出放大信號，并流入讀出電路，以便進行多路傳輸。任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用一、車載單目視覺傳感器1.車載單目視覺傳感器的組成車載單目視覺傳感器主要由鏡頭、相機、視頻采集卡、計算機四部分組成。（1）鏡頭。鏡頭是指用于聚集光線以使感光元件獲得清晰圖像的由透鏡組成的光學裝置。鏡頭按焦距大小可分為標準鏡頭、廣角鏡頭、長焦距鏡頭；按變焦方式可分為固定焦距鏡頭、手動變焦距鏡頭、電動變焦距鏡頭；按光圈方式可分為固定光圈鏡頭、手動變光圈鏡頭、自動變光圈鏡頭。（2）相機。相機是一種利用電子傳感器把光學影像轉(zhuǎn)換成電子數(shù)據(jù)的設(shè)備，主要包括單反相機、大/全幅相機、雙反相機、微單相機、卡門相機、無反相機等。任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用（3）視頻采集卡。視頻采集卡也稱為視頻卡，用于將視頻或音視頻混合信息轉(zhuǎn)換成計算機可識別的數(shù)字信號，最終形成可編輯處理的視頻數(shù)據(jù)文件存儲在計算機或記憶卡中。視頻采集卡按用途可分為廣播級視頻采集卡、專業(yè)級視頻采集卡、民用級視頻采集卡。（4）計算機。車載單目傳感器中的計算機即控制模塊，主要用來接收視頻采集卡的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行解析，然后利用簡單的邏輯門與積體電路原理進行處理，以識別車輛周圍的狀況，并決定采取什么樣的動作，讓車輛按照合理的路線行駛。任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用2.車載單目視覺傳感器的性能參數(shù)車載單目視覺傳感器的性能參數(shù)主要有視場角、焦距和俯仰角等。（1）視場角：在光學儀器中，以光學儀器的鏡頭為頂點，以被測目標的物像可通過鏡頭的最大范圍的兩條邊緣構(gòu)成的夾角稱為視場角。（2）焦距：平行光入射時從透鏡光心到光聚集焦點的距離，用于衡量光的聚集或發(fā)散的程度，（3）俯仰角：機體坐標系的X軸與水平面的夾角。任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用3.車載單目視覺傳感器的成像原理相機的鏡頭相當于一個凸透鏡，來自物體的光經(jīng)過相機的鏡頭后會聚集在感光元件上，成倒立、縮小的實像，如圖3-26所示。傳統(tǒng)相機將膠卷作為記錄信息的載體，而數(shù)碼相機的膠卷就是其成像感光元件，該元件與相機是一體的，是數(shù)碼相機的心臟。數(shù)碼相機通過感光元件將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，再?jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后記錄在存儲卡上。任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用4.車載單目視覺傳感器的工作過程車載單目視覺傳感器的工作過程主要分為圖像獲取、圖像預(yù)處理、特征提取、目標識別4個步驟。（1）圖像獲取。圖像獲取指的是物體成像的過程，是將模擬圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像。一般應(yīng)遵循以下幾點共性原則：1）所獲取圖像中的被辨識目標應(yīng)盡可能清晰、直觀。2）盡可能提高被辨識目標與整幅圖像像素點的比例。3）盡可能增強被辨識目標與背景的灰度反差。4）圖像獲取速度應(yīng)能滿足車輛控制的動態(tài)響應(yīng)需求。任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用（2）圖像預(yù)處理。圖像預(yù)處理是將每個文字圖像分檢出來交給識別模塊識別。圖像預(yù)處理的主要目的是消除圖像中無關(guān)的信息，恢復(fù)有用的真實信息，增強有關(guān)信息的可檢測性和最大限度地簡化數(shù)據(jù)，從而改進特征抽取、圖像分割、匹配和識別的可靠性。圖像預(yù)處理包括圖像去噪、邊緣增強、灰度拉伸、圖像分割、形態(tài)學處理等。預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用水平會在很大程度上影響圖像識別效果。任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用1）圖像去噪。數(shù)字圖像在數(shù)字化和傳輸過程中常受到成像設(shè)備與外部環(huán)境噪聲的干擾，這種圖像稱為含噪圖像或噪聲圖像。圖像去噪是指減少數(shù)字圖像中的噪聲，可在空間域?qū)D像像素灰度值進行平滑運算處理，如圖3-27所示，常用的方法有圖像平均法、鄰域平均法、自適應(yīng)平滑濾波、高斯濾波和中值濾波等。任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用2）邊緣增強。由于許多景物具有明顯的邊緣特征，所以人們在處理該類圖像時，希望能突出其邊緣信息，于是研發(fā)了各種邊緣增強圖像預(yù)處理算法。邊緣增強是指將圖像相鄰像元（或區(qū)域）的亮度值（或色調(diào)）相差較大的邊緣（即影像色調(diào)突變處或地物類型的邊界線）加以突出強調(diào)。經(jīng)邊緣增強后的圖像能更清晰地顯示不同物體類型、現(xiàn)象的邊界或線形影像的行跡，以便于對不同的物體類型進行識別并圈定其分布范圍。3）灰度拉伸。灰度拉伸又稱為反差增強或?qū)Ρ榷仍鰪?，是一種點處理方法，通過對像元亮度值（又稱為灰度級或灰度值）的變換來實現(xiàn)。在一些數(shù)字圖像中，目標的灰度特征值變化很小，難以將其與背景灰度值區(qū)分開；而通過擴展目標灰度特征的對比度，便可提高目標識別準確性。對比度增強常采用直方圖錐形拉伸算法。任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用4）圖像分割。圖像分割就是把圖像分成若干個特定的、具有獨特性質(zhì)的區(qū)域，以便將目標與背景有效分割，提出目標并加以識別。5）形態(tài)學處理。形態(tài)學處理就是改變物體的形狀，比如腐蝕就是“變細”，膨脹就是“變粗”。這樣做的好處包括：消除噪聲；分割出獨立的圖像元素，在圖像中連接相鄰的元素；尋找圖像中明顯的極大值區(qū)域或極小值區(qū)域；求出圖像的梯度。任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用（3）特征提取。特征提取指的是使用計算機提取圖像信息，確定每個圖像的點是否屬于一個圖像特征。特征提取的結(jié)構(gòu)是把圖像上的點分為不同的子集，這些子集屬于孤立的點、連續(xù)的曲線或者連續(xù)的區(qū)域。特征的好壞對泛化性能有至關(guān)重要的影響。對于智能車輛進行環(huán)境感知時需要識別的物體，形狀、面積、體積、顏色、運動狀態(tài)、對稱性、表面粗糙度、聲光反射性、穿透性等常是需要被提取的典型特征。任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用（4）目標識別。目標識別是指將一個特殊目標（或一種類型的目標）從其他目標（或其他類型的目標）中被區(qū)分出來的過程。車載單目視覺傳感器常用的目標識別方法有特征匹配法、模型匹配法、學習識別法（機器學習）。任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用1）特征匹配法。特征匹配（FBM）是指將從影像中提取的特征作為共軛實體，將特征屬性或描述參數(shù)（實際上是特征的特征，也可以認為是影像的特征）作為匹配實體，通過計算匹配實體之間的相似性測度實現(xiàn)共軛實體配準的影像匹配方法。特征匹配的過程如圖3-28所示。任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用2）模型匹配法。提取訓練樣本的特征作為識別特征；對訓練樣本的識別特征用狀態(tài)空間模型建模；用期望最大化方法估計訓練樣本狀態(tài)空間模型的所有參數(shù)，并將所有參數(shù)存入識別系統(tǒng)模板庫；提前測試樣本的識別特征，并對測試樣本的識別特征進行識別。物體的結(jié)構(gòu)和形狀可以通過恰當?shù)膸缀文Ｐ蛠肀硎荆深A(yù)先基于特定信息制作相應(yīng)的模板，對獲取的圖像與模板進行匹配尋找，將相關(guān)性最大的區(qū)域作為目標存在區(qū)域。模型匹配的過程如圖3-29所示。任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用3）學習識別法（機器學習）。機器學習是指用某些算法指導(dǎo)計算機利用已知數(shù)據(jù)得出適當?shù)哪Ｐ?，并利用此模型對新的情境做出判斷的過程，是對人類學習過程的模擬。整個過程中最關(guān)鍵的是數(shù)據(jù)。機器學習主要研究的是如何通過經(jīng)驗自動改進計算機算法、優(yōu)化計算機程序。機器學習算法分為3種：監(jiān)督學習、半監(jiān)督學習和無監(jiān)督學習。任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用5.車載單目視覺傳感器的基本測距原理車載單目視覺傳感器的基本測距原理是先通過圖像匹配進行目標識別（各種車型、行人、物體等），再通過圖像中目標的大小估算目標距離，如圖3-30所示。完成估算需要三大前提：龐大的樣本特征庫、準確的相機標定、強大的圖像識別算法。任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用二、車載雙目視覺傳感器1.車載雙目視覺傳感器概述雙目視覺傳感器是基于視差原理并利用成像設(shè)備從不同的位置獲取被測目標的兩幅圖像，通過計算圖像對應(yīng)點間的位置偏差來獲取目標的立體幾何信息。雙目視覺傳感器測量方法具有效率高、精度合適、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點。如圖3-31所示為常用的車載雙目視覺傳感器。任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用2.車載雙目視覺傳感器的組成與應(yīng)用目前，車載雙目視覺傳感器主要應(yīng)用于機器人導(dǎo)航、微操作系統(tǒng)的參數(shù)檢測、三維測量、虛擬現(xiàn)實四大領(lǐng)域。如圖3-32所示為車載雙目視覺傳感器的成像過程，包括以下幾個方面：（1）圖像采集。要求相機絕對同步，圖像畫質(zhì)清晰，對比度高。（2）圖像校正。依據(jù)相機的內(nèi)外參數(shù)對畸變圖像進行平行等位校正，獲得無畸變且平行等位的左右圖像。任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用（3）雙目匹配。對校正后的圖像進行匹配，獲得視差圖像，供后續(xù)算法使用。（4）ADAS功能。根據(jù)視差圖像進行障礙物檢測預(yù)警和車道線檢測。任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用3.車載雙目視覺傳感器的工作原理如圖3-33所示，車載雙目視覺傳感器的攝像頭的工作原理與人眼相似，人眼能夠感知物體的遠近，是由于兩只眼睛觀察同一個物體呈現(xiàn)的圖像時存在差異，稱為視差。視差的大小對應(yīng)著物體與眼睛之間距離的遠近，物體距離越遠，視差越?。环粗?，視差越大。車載雙目視覺傳感器通過對兩幅圖像視差的計算，得出前方障礙物與自身的距離，同時判斷出障礙物的類型，進行必要的預(yù)警或制動。任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用4.車載雙目視覺傳感器的工作過程車載雙目視覺傳感器的工作過程包括圖像獲取、相機標定、圖像預(yù)處理、特征提取、立體匹配、立體還原、視頻分析。（1）相機標定。在機器視覺應(yīng)用中，為確定空間物體表面某點的三維幾何位置與其在圖像中對應(yīng)點之間的相互關(guān)系，必須建立相機成像的幾何模型，這些幾何模型參數(shù)就是相機參數(shù)，求解幾何模型參數(shù)的過程稱為相機標定，如圖3-34所示。大多數(shù)條件下，這些參數(shù)必須通過實驗與計算才能獲得，其標定結(jié)果的精度及算法的穩(wěn)定性直接影響相機的準確性。任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用（2）立體匹配。立體匹配是指將三維空間中的一點A（x，y，z）在左、右攝像頭的成像平面Ci和Cr上的像點ai（ui，vi）和ar（ur，vr）對應(yīng)起來，ai和ar稱為對應(yīng)點，求取左、右成像平面之間對應(yīng)點的過程就是立體匹配。求取的方法是定義Ci和Cr的矢量為視差矢量d（dx，dy），其水平分量為dx=ui-ur，垂直分量為dy=vi-vr。視差矢量描述了左、右成像平面中對應(yīng)匹配點的相對位移，通過視差矢量即可從立體圖像對中的一幅圖像預(yù)測另一幅圖像，如圖3-35所示。任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用（3）立體還原。在傳統(tǒng)光學時代，景深是每個光學成像系統(tǒng)都存在的基本問題，焦距、相對孔徑、倍率等性能參數(shù)都會影響景深。特別是在高倍放大的顯微成像領(lǐng)域，景深隨倍率增大而迅速變小，直至無法成像，因此只能分層看到物體，無法看到近與遠的“縱深”影像。完成雙目視覺傳感器的相機標定和立體匹配工作后，就可以利用多層掃描聚焦圖像合成技術(shù)對物體進行立體還原。任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用（4）視頻分析。視頻分析是指利用計算機視覺技術(shù)從圖像中監(jiān)測運動物體并對其進行運動分析、跟蹤或識別的技術(shù)。視頻分析技術(shù)能夠在圖像及圖像描述之間建立映射關(guān)系，從而使計算機能夠通過圖像處理和分析來理解畫面中的內(nèi)容，其實質(zhì)是“自動分析和抽取視頻源中的關(guān)鍵信息”。常用的方法有背景刪除法和時間差分法。1）背景刪除法。背景刪除法是指對當前圖像和背景圖像進行差分處理，進而檢測出運動區(qū)域，該方法可以提供比較完整的運動目標特征數(shù)據(jù)，精確度和靈敏度比較高，具有良好的性能表現(xiàn)。任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用2）時間差分法。時間差分法是指利用視頻圖像特征，從連續(xù)得到的視頻流中提取所需的動態(tài)目標信息。時間差分法的實質(zhì)是通過對相鄰幀圖像相減來提取前景目標移動的信息，該方法不能完全提取所有相關(guān)特征像素的像素點，在運動實體內(nèi)部可能產(chǎn)生空洞。3）分析過程。系統(tǒng)首先進行背景學習，之后進入分析狀態(tài)，如圖3-36所示，如果前景出現(xiàn)移動物體并在設(shè)置的區(qū)域內(nèi)，且目標物體的大小滿足設(shè)置要求，系統(tǒng)會對該目標進行提取并跟蹤，然后根據(jù)預(yù)置的算法（入侵、遺留、盜竊等）觸發(fā)報警；其間，如果背景出現(xiàn)隨機景物，系統(tǒng)將啟動預(yù)處理功能來過濾。在觸發(fā)報警之前，系統(tǒng)具有目標識別功能，即將提取的目標與已經(jīng)建立的模型進行比對，并選擇最佳的匹配任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用3.車載雙目視覺傳感器的應(yīng)用車載雙目視覺傳感器主要應(yīng)用有目標檢測、分類及測距，多目標追蹤，通行空間及場景理解。（1）目標檢測、分類及測距。目標檢測，也叫目標提取，可輸出被檢物的類別以及距離信息，包括車輛的3D信息和速度信息。目標檢測技術(shù)是一種基于目標幾何和統(tǒng)計特征的圖像分割，將目標的分割和識別合二為一，準確性和實時性較強。尤其是在復(fù)雜的場景中，需要對多目標進行實時處理時，自動提取和識別技術(shù)就顯得特別重要。任務(wù)三視覺傳感器的應(yīng)用（2）多目標追蹤。多目標跟蹤的主要任務(wù)是根據(jù)給定的圖像序列，找到序列中運動的物體，對不同幀的運動物體進行識別，即給定一個準確的ID，這些物體是任意的，如行人、車輛、動物等。（3）場景理解及通行空間。場景理解是指以圖形及視頻為研究對象，分析場景和目標之間的相互關(guān)系以及表達場景的方法和技術(shù)；通行空間是指系統(tǒng)輸出的車輛可以通行的安全區(qū)域，是對紅綠燈和交通標志等場景的理解。智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)21世紀技能創(chuàng)新型人才培養(yǎng)系列教材·汽車系列主編王皓張春蓉項目四高精度定位與導(dǎo)航系統(tǒng)任務(wù)一高精地圖任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)任務(wù)三智能網(wǎng)聯(lián)汽車的導(dǎo)航系統(tǒng)及其檢修任務(wù)一高精度地圖一、基本概念高精度地圖在自動駕駛系統(tǒng)中的應(yīng)用，除了包括導(dǎo)航、路徑規(guī)劃外，還包括為環(huán)境感知系統(tǒng)提供先驗知識，輔助車載傳感器達到高精度定位的標準。因此，高精度地圖已被認為是L3級及以上自動駕駛必備的關(guān)鍵技術(shù)。任務(wù)一高精度地圖與傳統(tǒng)地圖相比，高精度地圖的信息更加豐富，準確性有了較大提升。高精度地圖包含以下信息：（1）道路參考線。為了實現(xiàn)車道級導(dǎo)航和路徑規(guī)劃功能，需要在原始地圖數(shù)據(jù)中抽象出道路結(jié)構(gòu)，形成由頂點組成的拓撲圖形結(jié)構(gòu)，同時為了優(yōu)化數(shù)據(jù)的存儲，需要將道路以連續(xù)的曲線段表示。（2）道路連通性。除道路參考線外，高精度地圖還應(yīng)描述道路的連通性。例如路口沒有車道線的部分，需要將所有可能的行駛路徑抽象成道路參考線，在高精度地圖數(shù)據(jù)庫中體現(xiàn)。任務(wù)一高精度地圖（3）車道模型。除了記錄道路參考線、車道邊緣（標線）和停車線外，高精度地圖數(shù)據(jù)庫還需要記錄無車道道路的拓撲結(jié)構(gòu)、車道數(shù)、道路坡度、功能屬性等。（4）對象模型。對象模型可記錄道路和車道行駛空間范圍邊界區(qū)域的元素，包括對象的位置、形狀和屬性值，任務(wù)一高精度地圖高精度地圖在智能網(wǎng)聯(lián)汽車的應(yīng)用領(lǐng)域，如路徑規(guī)劃與決策、高精度定位輔助、環(huán)境感知輔助等環(huán)節(jié)均發(fā)揮了重要作用。（1）路徑規(guī)劃與決策。高精度地圖可看作超視距傳感器，能夠識別極遠距離的道路交通信息，可用于智能駕駛系統(tǒng)的全局路徑規(guī)劃，還可以對局部路徑的規(guī)劃和優(yōu)化提供輔助。（2）高精度定位輔助。高精度地圖能識別并提供道路中的特征物（如標識牌、龍門架等）的尺寸、形狀、高精度位置等語義信息，車載傳感器檢測到特征物時，就可以根據(jù)特征物信息去比對匹配內(nèi)存的語義信息，通過車輛和特征物之間的相對位置推測當前車輛的高精度位置信息，如圖4-3所示。任務(wù)一高精度地圖（3）環(huán)境感知輔助。高精度地圖可以提高自動駕駛汽車的數(shù)據(jù)處理速率，車輛在感知重構(gòu)周圍的三維環(huán)境時，將高精度地圖作為內(nèi)存知識庫，縮小數(shù)據(jù)處理時的搜索空間。詳細標記高精度三維地圖上的道路信息，可以為自動駕駛汽車的感知系統(tǒng)提供信息感知識別輔助，優(yōu)化感知系統(tǒng)的計算效率，提高識別精度，減少錯誤識別的發(fā)生概率。任務(wù)一高精度地圖高精度三維地圖是在高精度地圖的靜態(tài)地圖信息的基礎(chǔ)上主動添加動態(tài)交通信息的地圖，如圖4-4所示。這些動態(tài)的交通信息包含交通擁堵情況、道路施工、事故、交通管制以及天氣等。不同于如道路翻修、交通標志磨損、車道線重新刷涂、交通標志的改變等準靜態(tài)交通信息，動態(tài)交通信息可以通過定期對高精度地圖進行更新來完成。任務(wù)一高精度地圖任務(wù)一高精度地圖二、高精度地圖的生產(chǎn)與采集生產(chǎn)高精度地圖，需要提高數(shù)據(jù)的存儲效率和機器可讀性，地圖的存儲分為矢量層和對象層。在生產(chǎn)高精度地圖的過程中，通過提取車輛傳感器的數(shù)據(jù)采集單元可得到高精度地圖的信息特征值，生成特征地圖；進一步提取、處理和矢量標注，可得到道路網(wǎng)絡(luò)信息、道路屬性、幾何信息以及道路主要標志的抽象信息。高精度地圖的生產(chǎn)過程如圖4-5所示。任務(wù)一高精度地圖任務(wù)一高精度地圖高精度地圖的數(shù)據(jù)采集方法如下：（1）實地采集，一般稱為“外業(yè)”。實地采集作為制作高精度地圖的第一步，主要通過采集車的實地操作完成。核心設(shè)備是激光雷達、高精度差分-慣導(dǎo)-衛(wèi)星定位系統(tǒng)。激光的反射可以形成點云，從而完成對環(huán)境中各種物體的采集，再通過高精度定位系統(tǒng)把行駛軌跡和環(huán)境中各種物體的高精度位置信息記錄下來。（2）加工，一般稱為“內(nèi)業(yè)”。加工是指對采集的數(shù)據(jù)進行加工，對高精度地圖所需要的信息進行提取和表達，進而形成高精度地圖的數(shù)據(jù)庫。加工方法包括：人工處理、深度的學習感知算法等，如圖4-6所示。任務(wù)一高精度地圖任務(wù)一高精度地圖集的數(shù)據(jù)完整性不足，則需要更為復(fù)雜的算法來補充數(shù)據(jù)的缺陷，反而容易產(chǎn)生更大的誤差。所以，在實地采集中，通常選擇較好的采集設(shè)備，其主要目的就是確保采集的數(shù)據(jù)的精確性，提高數(shù)據(jù)利用率。如圖4-7所示為高級地圖采集設(shè)備，包括衛(wèi)星定位系統(tǒng)、激光雷達、慣性導(dǎo)航與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等。任務(wù)一高精度地圖（3）實時更新。隨著時間的推移，道路會因為破損、翻修、路線規(guī)劃等原因發(fā)生變化。為了確保高精度地圖可靠、有效，需要及時、準確地進行更新，這也是高精度地圖的重要維護工作，更新模式包括眾包和與交管部門合作等。如圖4-8所示為基于智能網(wǎng)聯(lián)交通系統(tǒng)的高精度地圖更新模式。任務(wù)一高精度地圖任務(wù)一高精度地圖三、高精度地圖的其他形式1.眾包數(shù)據(jù)形式的高精度地圖對于需求急迫、前景廣闊的高精度地圖市場，傳統(tǒng)的現(xiàn)場采集模式存在更新周期長、生產(chǎn)及維護困難的問題，而且實際應(yīng)用中也受到各類政策及法規(guī)的限制。隨著技術(shù)的進步，出現(xiàn)了一種通過眾包數(shù)據(jù)構(gòu)建高精度地圖的模式，該模式除了能夠降低成本外，還能夠?qū)崿F(xiàn)實時更新，有著很大的優(yōu)勢。任務(wù)一高精度地圖目前，視覺算法與芯片供應(yīng)商Mobileye、零部件供貨商博世公司分別向市場呈現(xiàn)了其Roadbook和REM的眾包高精度地圖技術(shù)方案，這些方案通過安裝了車載傳感器的智能網(wǎng)聯(lián)汽車收集行駛路況和道路環(huán)境特征，進行深度學習和圖像識別運算，轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，生成高精度地圖的眾包信息單元。數(shù)據(jù)取之于用戶，用之于用戶。該眾包模式不僅可以使得此類車輛的用戶擁有高精度地圖的使用權(quán)限，還可以享受高精度定位服務(wù)?，F(xiàn)在，通用、日產(chǎn)、豐田、上汽等車輛主機廠均積極地采用眾包采集方式為各自旗下的汽車提供相關(guān)的服務(wù)。任務(wù)一高精度地圖2.地圖的構(gòu)建與實時定位地圖的構(gòu)建與實時定位（SimultaneousLocalizationandMapping，SLAM）是一種在機器人領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的地圖構(gòu)建與實時定位技術(shù)，該技術(shù)使用激光、視覺、紅外感應(yīng)等傳感技術(shù)，把機器人在移動過程中獲得的檢測環(huán)境信號傳回中樞運算系統(tǒng)。在智能網(wǎng)聯(lián)汽車領(lǐng)域，該技術(shù)用于識別行駛過程中不同時刻的環(huán)境特征信息，并進行拼接，然后對行駛環(huán)境進行基于當前傳感器信息的描述。這便是高精度地圖的構(gòu)建過程。任務(wù)一高精度地圖目前，高精度地圖的商業(yè)化應(yīng)用尚未成熟，大批創(chuàng)新企業(yè)和科研單位正在這個技術(shù)領(lǐng)域進行研究與探索。其中，使用SLAM構(gòu)建的高精度地圖傳感器主要有視覺傳感器和激光雷達，這類傳感器有著共同的特征：能夠獲取足夠豐富的環(huán)境信息，特別是行駛環(huán)境中的事物輪廓點云，使在兩個連續(xù)時刻采集的環(huán)境信息中有足夠豐富的特征點值用于拼接和匹配。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)一、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)1.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的分類全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）給航海、航空以及人們的日常生活帶來了巨大的變革。該系統(tǒng)是由多個可以覆蓋全球的衛(wèi)星所組成的衛(wèi)星系統(tǒng)，能保證地球上的任意一點在任意時刻都能觀測到4顆衛(wèi)星，從而獲得觀測點的經(jīng)緯度及高度，進而為用戶提供三維位置和速度等信息，實現(xiàn)全球?qū)Ш?、定位、定時等功能。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)目前，全球有三大導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)：美國的GPS（GlobalPositioningSystem，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）、俄羅斯的GLONASS（GlobalNavigationSatelliteSystem，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）、歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)使用最為廣泛的是美國的GPS。20世紀70年代初，美國國防部設(shè)計開發(fā)了該系統(tǒng)，并在1993年建成投入使用。GPS包含24顆衛(wèi)星，它們均勻地分布在地球的6個軌道面上，傾角為55°，軌道面間相距60°，也就是說軌道的高度是60°。在各軌道面上，衛(wèi)星間的仰角間隔為90°，一個軌道面上的衛(wèi)星比其相鄰軌道面上相應(yīng)的衛(wèi)星提前30°，如圖4-9所示。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)20世紀90年代后期，我國開始著手探索適合中國國情的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展道路，已經(jīng)逐步形成了我國導(dǎo)航衛(wèi)星事業(yè)的“三步走”戰(zhàn)略：在2000年底，建成“北斗一號”系統(tǒng)，向中國提供服務(wù)；2012年底，建成“北斗二號”系統(tǒng)，向亞太地區(qū)提供服務(wù)；在2020年前后，建成“北斗導(dǎo)航系統(tǒng)”，向全球提供衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)；預(yù)計在2035年前建成更加完善、融合、智能的綜合時空體系。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)2.GPS的構(gòu)成（1）GPS是由地面控制部分、空間部分和終端用戶設(shè)備部分組成的。1）地面控制部分。GPS的地面控制部分包括主控站（負責管理、協(xié)調(diào)整個地面控制系統(tǒng)的工作）、注入站（在主控站的控制下，向衛(wèi)星注入導(dǎo)航信息）、監(jiān)測站（數(shù)據(jù)自動收集中心）和通信輔助系統(tǒng)（數(shù)據(jù)傳輸），如圖4-10所示。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)GPS地面控制部分又稱運控系統(tǒng)（OCS），由遍布全世界的地面站組成，包括1個位于美國范登堡空軍基地的主控站（MCS），5個分別位于夏威夷島、范登堡空軍基地、阿森松島、迭戈加西亞島以及夸賈林島的監(jiān)控站，3個用于給在軌衛(wèi)星上傳信息的大型地面天線站。地面控制部分主要用于收集在軌衛(wèi)星運行數(shù)據(jù)，計算導(dǎo)航信息，診斷系統(tǒng)狀態(tài)，調(diào)度衛(wèi)星。地面控制部分的另一個重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時間標準，即GPS時，這就需要地面控制部分監(jiān)測各顆衛(wèi)星的星載原子鐘信息，求出鐘差，然后由注入站發(fā)給衛(wèi)星，衛(wèi)星再通過導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)①主控站。主控站擁有以大型計算機為主體的數(shù)據(jù)收集、計算、傳輸、診斷等設(shè)備，對地面控制系統(tǒng)實行全面控制，主要任務(wù)是收集并處理各監(jiān)測站對GPS衛(wèi)星的全部觀測數(shù)據(jù)，包括各監(jiān)測站測得的距離和距離差、氣象要素、衛(wèi)星時鐘和工作狀況等，以及監(jiān)測站自身的狀態(tài)，然后根據(jù)收集的數(shù)據(jù)及時計算每顆GPS衛(wèi)星的星歷、時鐘改正值、狀態(tài)數(shù)據(jù)以及信號的大氣傳播改正，并按一定格式編制成導(dǎo)航電文，傳送到注入站。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)②監(jiān)控站。監(jiān)控站安裝有高精度原子鐘、高精度GPS用戶接收機，用于監(jiān)控整個地面控制系統(tǒng)是否工作正常，檢驗注入衛(wèi)星的導(dǎo)航電文是否正確，監(jiān)測衛(wèi)星是否將導(dǎo)航電文發(fā)出；調(diào)度備用衛(wèi)星替代失效的工作衛(wèi)星，將偏離軌道的衛(wèi)星“拉回”正常軌道；采集氣象要素等數(shù)據(jù)，并將它們發(fā)送給主控站。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)③注入站。范登堡空軍基地監(jiān)控站同時具有信息上注功能，又稱注入站，它的任務(wù)主要是在每顆衛(wèi)星運行至上空時把導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站的指令注入衛(wèi)星，在每顆GPS衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進行最后的信息注入。④通信輔助系統(tǒng)。衛(wèi)星通信是指在衛(wèi)星上安裝一個具有一定功率的轉(zhuǎn)發(fā)器，對地面的發(fā)射信號進行恰當處理，并傳送到另一地點，從而實現(xiàn)兩個及以上地點之間的通信。汽車上的導(dǎo)航定位信息通信通常要基于地理信息系統(tǒng)，地理信息系統(tǒng)是較為專業(yè)的空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，該技術(shù)可以用于勘探、測繪以及路線規(guī)劃等。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)2）空間部分。GPS的空間部分是由24顆衛(wèi)星組成的，位于距地表20200km的上空，運行周期為12h。衛(wèi)星均勻分布在6個軌道面上，軌道傾角為55°。每個工作的衛(wèi)星可發(fā)射導(dǎo)航信號和定位信號，終端用戶可以利用這些信號進行導(dǎo)航與定位。由于大氣摩擦等問題，隨著時間的推移，GPS的導(dǎo)航精度會逐漸降低。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)3）終端用戶設(shè)備部分。終端用戶設(shè)備部分即GPS信號接收機，其主要功能是捕獲按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行。當接收機捕獲到衛(wèi)星信號后，就可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)（2）GPS導(dǎo)航和定位過程中的誤差處理。GPS導(dǎo)航和定位過程中出現(xiàn)的各種誤差，根據(jù)來源可分為三類：與衛(wèi)星有關(guān)的誤差；與信號傳播有關(guān)的誤差；與接收機有關(guān)的誤差。這些誤差對GPS定位的影響各不相同，且誤差的大小還與衛(wèi)星的位置、待定點的位置、接收機設(shè)備、觀測時間、大氣環(huán)境以及地理環(huán)境等因素有關(guān)。具體處理時，針對不同的誤差采用不同的方法。此外，由于使用的不是同步衛(wèi)星，因此必須對衛(wèi)星時間進行修正。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)3.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeidouNavigationSatelliteSystem，BDS）是我國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其標識如圖4-11所示。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，是可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)的國家重要時空基礎(chǔ)設(shè)施，并且具備短報文通信能力。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)（1）空間段。北斗系統(tǒng)空間段由若干地球靜止軌道衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和中圓地球軌道衛(wèi)星等組成。（2）地面段。北斗系統(tǒng)地面段包括主控站、時間同步/注入站和監(jiān)測站等若干地面站，以及星間鏈路運行管理設(shè)施。（3）用戶段。北斗系統(tǒng)用戶段包括北斗兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的芯片、模塊、天線等基礎(chǔ)產(chǎn)品，以及終端產(chǎn)品、應(yīng)用系統(tǒng)與應(yīng)用服務(wù)等。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有以下特點：（1）北斗系統(tǒng)空間段采用的是3種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，北斗系統(tǒng)的高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力更強，尤其在低緯度地區(qū)性能特點更為明顯。（2）北斗系統(tǒng)提供多個頻點的導(dǎo)航信號，能夠通過多頻信號組合等方式提高服務(wù)精度。（3）北斗系統(tǒng)創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力，具有實時導(dǎo)航、快速定位、精確授時、位置報告和短報文通信服務(wù)五大功能。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)4.現(xiàn)階段全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的基本原理現(xiàn)階段全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)主要是利用衛(wèi)星作為參考基點，測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，同時在地面上進行三角交叉測量，進而計算得出接收機位置。通過測量未知點與已知衛(wèi)星間的瞬時間距實現(xiàn)定位，具體測量方法有虛擬距離觀測法和載波相位觀測法。因為載波相位測量的精度遠遠高于虛擬距離測量的精度，所以載波相位觀測法主要用于高精度測量。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)測量計算的基本原理是三球交會定位原理，如圖4-12所示。衛(wèi)星發(fā)射測距信號和導(dǎo)航電文，導(dǎo)航電文中含有衛(wèi)星的位置信息。用戶接收機在某一時刻同時接收3顆以上衛(wèi)星的信號，進而測量出測站點（用戶接收機）至3顆衛(wèi)星的距離，解算出衛(wèi)星的空間坐標，再利用距離交會法（從兩個已知點測量至某一待測點的距離，然后根據(jù)這兩段距離的交點確定該待測點）解算出測站點的位置。整個過程就是三球交會定位原理在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域中的體現(xiàn)。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)目前，GPS、GLONASS、伽利略和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位原理是相同的，均采用三球交會定位基本原理，具體流程如下：（1）用戶測量出自身到3顆衛(wèi)星的距離。（2）衛(wèi)星的精確位置已知，通過電文播發(fā)給用戶。（3）以衛(wèi)星為球心、衛(wèi)星至用戶的距離為半徑畫球面。（4）3個球面相交得到2個點，根據(jù)地理常識排除一個不合理點，即得用戶位置。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)5.衛(wèi)星導(dǎo)航定位與慣性導(dǎo)航的聯(lián)合全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)是當前應(yīng)用最為廣泛的定位系統(tǒng)，具有應(yīng)用便捷、成本低等特點，且定位精度較好，可以達到5m。但是應(yīng)用的普遍性也使該系統(tǒng)易受到干擾，在動態(tài)變化的使用場景中可靠性降低、數(shù)據(jù)的傳輸頻率降低，在高層建筑中衛(wèi)星信號較易受阻。倘若能將衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有機融合起來，則兩個系統(tǒng)可以相互補充、相輔相成，形成高效、可靠、穩(wěn)定的融合系統(tǒng)。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)二、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)1.慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理與結(jié)構(gòu)組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（InertialNavigationSystem，INS）也稱作慣性參考系統(tǒng)，簡稱慣導(dǎo)系統(tǒng)，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，通過慣性測量組件（IMU）測量載體相對慣性空間的角速率和加速度信息，利用牛頓運動定律自動推算載體的瞬時速度和位置信息。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)包括平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)。平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)是將陀螺儀和加速度計等慣性元件通過萬向支架角運動隔離系統(tǒng)與運動載物固聯(lián)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)是將慣性測量元件（陀螺儀和加速度計）直接安裝在諸如需要姿態(tài)、速度、航向等導(dǎo)航信息的主體上，用計算機把測量信號變換為導(dǎo)航參數(shù)的一種導(dǎo)航技術(shù)。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通常由慣性測量裝置、計算機、控制顯示器等組成。慣性測量裝置包括陀螺儀和加速度計，又稱慣性導(dǎo)航組合。3個自由度陀螺儀用來測量飛行器的3個轉(zhuǎn)動運動；3個加速度計用來測量飛行器的3個平移運動的加速度。計算機根據(jù)測得的加速度信息計算飛行器的速度和位置數(shù)據(jù)?？刂骑@示器顯示各種導(dǎo)航參數(shù)。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)（1）陀螺儀。陀螺儀是慣性系統(tǒng)的主要元件，結(jié)構(gòu)如圖4-13所示。

陀螺儀具有定軸性和進動性，人們利用這些特性制成了敏感角速度的速率陀螺和敏感角位移的位置陀螺。由于光學技術(shù)、MEMS技術(shù)等被引入陀螺儀的研制，現(xiàn)在習慣上把能夠完成陀螺功能的裝置統(tǒng)稱為陀螺儀。陀螺儀種類較多，按陀螺轉(zhuǎn)子主軸所具有的進動自由度數(shù)目可分為二自由度陀螺儀和單自由度陀螺儀；按支撐系統(tǒng)可分為滾珠軸承支撐陀螺，液浮、氣浮與磁浮陀螺，撓性陀螺（動力調(diào)諧式撓性陀螺儀），靜電陀螺；按物理原理分為利用高速旋轉(zhuǎn)體物理特性工作的轉(zhuǎn)子式陀螺，利用其他物理原理工作的半球諧振陀螺、微機械陀螺、環(huán)形激光陀螺和光纖陀螺等。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)單自由度陀螺儀敏感角速度，二自由度陀螺儀敏感角位移。為了將角速度和角位移轉(zhuǎn)換成慣性系統(tǒng)中可用的信號，需在陀螺儀上安裝信號傳感器；為了能控制陀螺儀按一定的規(guī)律進動，需在陀螺儀上安裝力矩器。（2）加速度計。加速度計是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心元件之一，可幫助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)確定載體的位置、速度以及產(chǎn)生跟蹤信號。載體加速度的測量必須十分準確，且要在由陀螺穩(wěn)定的參考坐標系中進行。在不需要進行高度控制的慣導(dǎo)系統(tǒng)中，兩個加速度計即可完成以上任務(wù)。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)加速度計的分類：按輸入與輸出的關(guān)系可分為普通型、積分性和二次積分型；按物理原理可分為擺式和非擺式，擺式加速度計包括擺式積分加速度計、液浮擺式加速度計和撓性擺式加速度計，非擺式加速度計包括振梁加速度計和靜電加速度計；按測量的自由度可分為單軸、雙軸、三軸；按測量精度可分為高精度（優(yōu)于10?4m/s2）、中精度（10-2m/s2～10-3m/s2）和低精度（低于0.1m/s2）。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)在慣性導(dǎo)航的實現(xiàn)過程中，該系統(tǒng)既不向載體外部發(fā)送信號，也不接收外部環(huán)境的信號，它是一種完全自動的導(dǎo)航系統(tǒng)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的信號還可協(xié)助接收器天線與導(dǎo)航衛(wèi)星定位校準，進而減少干擾對系統(tǒng)內(nèi)部的影響。針對導(dǎo)航載波相位測量，慣性導(dǎo)航能夠很好地解決衛(wèi)星定位時的周期跳變和信號缺失后全周模糊度參數(shù)的重新計算問題。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的主要優(yōu)點如下：（1）由于該系統(tǒng)是不依賴任何外部信息、不向外部輻射能量的自主式系統(tǒng)，故隱蔽性好、不受外界電磁干擾的影響。（2）可全天候、全球、全時間地工作于空中、地球表面乃至水下。（3）能提供位置、速度、航向和姿態(tài)角數(shù)據(jù)，產(chǎn)生的導(dǎo)航信息的連續(xù)性好且噪聲低。（4）數(shù)據(jù)更新率高、短期精度和穩(wěn)定性好。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的缺點如下：（1）導(dǎo)航信息需經(jīng)過積分產(chǎn)生，定位誤差隨時間增大，長期精度差。（2）每次使用之前需要較長的初始對準時間。（3）設(shè)備價格較昂貴。（4）不能給出時間信息。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)2.INS和GNSS組合導(dǎo)航技術(shù)的原理與應(yīng)用組合導(dǎo)航技術(shù)是指采用兩種或兩種以上的非相似導(dǎo)航系統(tǒng)對同一信息進行測量，從測量數(shù)據(jù)中計算出各導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差，并進行校正的導(dǎo)航技術(shù)。采用組合導(dǎo)航技術(shù)的系統(tǒng)稱為組合導(dǎo)航系統(tǒng)。任務(wù)二高精度定位系統(tǒng)INS是利用安裝在載體上的敏感慣性元件檢測載體的運動情況，然后將載體的姿態(tài)和位置信息輸出，具有很強的自主性、保密性和靈活