摘 要

随着科技水平的不断发展，汽车自动化驾驶的程度越来越高。当前，汽车工业已经开始向无人驾驶的时代迈进，无人驾驶技术已经在全球范围成为智能网联汽车发展的热门领域。各个国家、各大汽车制造厂商以及国际知名的科技公司都开始对无人驾驶汽车进行深入研究。汽车想要实现无人驾驶功能，必须对外部环境做出准确判断，传感器在环境感知系统中发挥着不可替代的作用。因此，本文将主要研究无人驾驶汽车传感器发展趋势。

本文首先分析了无人驾驶汽车的国内外研究现状及传感器使用情况。其次，对无人驾驶汽车相关技术做出了详细论述。最后，通过搜集和整理无人驾驶汽车传感器相关专利，并结合各国的相关政策法规，分析了传感器技术发展趋势。

研究结果表明：无人驾驶汽车传感器相关技术近五年正处于发展期。

本文的特色：本文借助相关专利数据进行运用定量分析，与此同时，结合各国与无人驾驶汽车相关的政策进行定性分析，以此总结国内外无人驾驶汽车传感器的发展趋势。

关键字：无人驾驶；传感器；专利；政策

Abstract

With the development of science and technology, the degree of automatic driving is becoming higher and higher. At present, the automobile industry has begun to march towards the era of driverless cars. Driverless technology has become a hot field in the development of intelligent network vehicles worldwide. Various countries, major automobile manufacturers and internationally renowned technology companies have begun to conduct in-depth research on driverless cars. In order to realize the function of unmanned driving, an accurate judgment of the external environment must be made. Sensors play an irreplaceable role in the environmental perception system. Therefore, this paper will mainly study the development trend of sensors in driverless cars.

Firstly, the research status and sensor usage of driverless vehicle at home and abroad were analyzed. Then, the relevant technologies of driverless cars were discussed in detail. Finally, through collecting and sorting out the patents related to sensors of driverless vehicles, and combining with the relevant policies and regulations of various countries, the development trend of sensor technology was analyzed.

The results show that the sensor technology of unmanned vehicle is in the development stage in the past five years.

Characteristics of this paper: in this paper, with the help of patents data, quantitative analysis was used. At the same time, qualitative analysis was carried out in combination with the relevant policies of various countries. On these basis, the development trend of sensors for driverless vehicles at home and abroad was summarized.

Keywords: driverless; sensor; patent; policy

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景及意义 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2研究意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 3

1.3研究的主要内容及预期目标 3

1.3.1研究的主要内容 3

1.3.2预期目标 4

第2章 无人驾驶汽车及车载传感器工作原理 5

2.1无人驾驶汽车的发展趋势 5

2.2传感器系统的组成及作用 6

2.2.1无人驾驶汽车传感系结构 6

2.2.2环境感知对象 6

2.3无人驾驶汽车的应用 7

2.3.1交通出行 7

2.3.2物流配送 7

2.3.3环境卫生 8

2.3.4安全巡防 8

2.4无人驾驶汽车常用传感器介绍 8

2.4.1视觉传感器 8

2.4.2二维激光雷达 9

2.4.3三维激光雷达 9

2.4.4超声波雷达传感器 10

2.4.5毫米波雷达传感器 10

2.4.6红外摄像头 10

2.5传感器在无人驾驶汽车系统中的应用 11

2.5.1 Boss无人驾驶汽车的环境感知系统 11

2.5.2 Junior无人驾驶汽车的环境感知系统 11

2.5.3 Talos无人驾驶汽车的环境感知系统 11

2.5.4 Google无人驾驶汽车的环境感知系统 12

2.5.5百度无人驾驶汽车的环境感知系统 12

2.6本章小结 13

第3章 国内外无人驾驶汽车传感器发展趋势 14

3.1检索方式及结果 14

3.2近五年各国无人驾驶汽车传感器相关专利数据分析 15

3.2.1时间分析 15

3.2.2地区分析 18

3.3本章小结 19

第4章 无人驾驶汽车传感器发展趋势与政策关系分析 21

4.1中国 21

4.2美国 22

4.3德国 23

4.4日本 24

4.5韩国 25

4.6本章小结 25

第5章 总结与展望 26

5.1总结 26

5.2展望 26

参考文献 28

致谢 29

第1章 绪论

无人驾驶汽车是以计算机为中心的陆地轮式移动机器人，依靠智能系统实现自动驾驶，赋予汽车环境感知、路径规划、车辆自动控制的能力，通俗地说，无人驾驶汽车是一类能够实现模仿人类驾驶的汽车^[1]。随着科学技术的不断发展，如今智能化、网联化已经成为汽车工业发展的主要方向之一，而对于无人驾驶汽车的研究则是近些年来汽车产业智能网联化发展的重点领域。世界上很多国家，尤其是发达国家都在无人驾驶汽车领域技术发展上投入了大量的资源。

1.1课题研究的背景及意义

1.1.1研究背景

随着时间的推移，无人驾驶汽车领域越来越热门。目前，有不少国际知名的大企业都已经投身到了这一领域的研究之中，其中不仅包括像奥迪、宝马、梅赛德斯、丰田、本田、福特这样的传统汽车制造企业，还包括像谷歌、百度、亚马逊、腾讯、阿里巴巴、优步、华为这样的国际知名互联网、电子科技等非传统汽车企业的公司。这些公司在无人驾驶汽车领域的研究上投入了大量的资金，相继推出了各自的无人驾驶概念车，这也从侧面证明了无人驾驶汽车的发展前景十分可观，对我们人类社会未来的发展具有一定的意义。此外，国家不断出台无人驾驶汽车相关政策也进一步推动了这个领域的发展。

1.1.2研究意义

研究表明，无人驾驶汽车技术的发展趋于成熟后，未来将会使得高速公路的通行能力在原来的基础上翻两番。与此同时，车联网技术与汽车共享技术相结合，可以将路上行驶的车辆数量减少为原来的80%。无人驾驶汽车还将进一步减少道路拥堵，汽车迷路的可能性，并且缩短人们的出行时间。此外，据统计现在仅仅是我国每年因交通事故死亡的人数就达到了6万人以上，而在全球范围这一数字则高达120万人之多，无人驾驶汽车有望帮助减少交通事故发生的频率。同时，无人驾驶汽车技术的发展也能够为人类带来相当可观的经济利益，根据知名咨询公司麦肯锡的预测：在法律允许的前提下，无人驾驶汽车预计将会在2025年正式开始上市进行销售，产值预计可达一万亿美元；到2035年，无人驾驶汽车的保有量预计为1180万辆。这一切的实现都要基于网络、传感器、移动通讯和实时信息的应用与发展。

现代汽车的发展与传感器技术的发展有着密不可分的关系，传感器作为无人驾驶汽车中的一部分，在无人驾驶汽车的行驶过程中发挥着至关重要的作用，无人驾驶汽车所搭载的传感器不仅仅是汽车电控系统的关键部件，而且是其重要的信息来源，无人驾驶汽车对外部环境、车辆位置以及障碍物等的感知与识别都要依靠传感器才能进行下去，在越来越复杂的交通条件下，传感器对于无人驾驶汽车实现安全、稳定、经济的行驶目标具有不可替代的重要意义，无人驾驶汽车未来将成为传感器技术应用的重要领域，车载传感器技术的发展与革新就显得尤为重要。

目前，应用在无人驾驶汽车上的传感器主要是视觉传感器（立体摄像头、长距摄像头、环绕摄像头）、激光传感器、微波传感器（毫米波雷达、超声波雷达）以及通讯传感器这几种，不同车型对传感器安装的种类和数量要求不同，根据来自法国Yole Développement市场分析机构的统计信息：现在最先进的自动驾驶汽车上安装有17个传感器，到2030年，这一数字有可能上升到29个。根据相关机构的预测，市场对传感器的需求量不断增加，全球车载摄像头、夜视系统以及毫米波雷达市场预计在2020年左右进入快速发展期，其中仅车载摄像头领域，在中国2014年车载摄像头的产能就达到了1880万颗，到2020年总需求量将达到4200万枚，到2035年无人驾驶汽车车载摄像头的新增市场为108.3亿元。2015年，全球毫米波雷达的市场规模达到229亿元，到2020年预计将增长到576亿元。夜视系统领域2015市场规模达到293亿元，到2020年预计达514亿元。目前，各类传感器的高端技术基本掌握在外国企业手中，我国多数企业在高端传感器领域仍处在研发阶段，部分企业在个别领域打破了市场壁垒，成为知名车企的供应商，但这些还不能满足我们对传感器领域的追求。因此本项目聚焦于无人驾驶汽车用传感器的发展趋势研究，具有重要的现实意义，研究国内外无人驾驶汽车传感器的发展趋势，可以帮助我们更好地在时代浪潮中把握住发展先机，对于汽车工业级无人驾驶技术的发展具有指导性意义。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

国际上美国关于无人驾驶汽车的研究较为深入，从1970年开始，美国就开始了对无人驾驶汽车的研究，到80年代，美国一些著名院校也加入了对这一领域的研究，比如麻省理工学院、斯坦福大学等。国外的无人驾驶汽车技术大多采用激光传感器获得的数据来检测障碍物。比如斯坦福大学的智能汽车（Junior）使用激光雷达传感器对跟踪目标的几何特征进行建模，然后用贝叶斯滤波器更新每个障碍物的状态。卡内基梅隆大学的BOSS无人驾驶汽车从激光传感器传输的数据中提取出障碍物特征，并将不同时间的激光传感器数据与动态障碍物关联起来，检测和跟踪障碍物。2011年，英国的牛津大学改装了一辆越野型无人驾驶汽车，该车在行驶中可以不用GPS，而是采用激光雷达来感知外部环境，可以实现在山路中行驶^[2]。

1.2.2国内研究现状

我国在这方面的起步则较晚，一直到1980年，我国才开始进行这方面的研究，到1992年，我国真正意义上的第一辆无人驾驶汽车由国防科技大学成功研发出。2006年，清华大学研发出可以在高速公路和城市道路两种不同环境下分为不同驾驶模式的无人驾驶汽车，其最高时速约为100千米。

近几年国内不少厂商都推出了自己的无人驾驶概念车：2018年7月4日，百度宣布L4级别自动驾驶巴士Apollo正式下线，百度Apollo 2.0系统使用了多传感器融合的方式做环境感知，摄像头负责红绿灯的检测，毫米波雷达最大的作用是提供目标的运动速度，目标识别主要靠激光雷达完成的；2017年，吉利公司推出了无人驾驶汽车智能驾驶技术G-PILOT2.0，车顶安装了64线激光雷达，安装了四个毫米波雷达来监测前方路面车辆情况，在挡风玻璃上加装摄像头来监测车道标记，通过超声波探头探测车辆侧后方盲点区域是否有车辆；2018年，东风公司在“15周年科技展”上推出了搭载自动驾驶系统的纯电动轻卡凯普特EV300，该车配备了两个16线激光雷达传感器和6个毫米波雷达传感器来感知周围环境。

无论国内与国外，无人驾驶技术都是一个重要的研究方向，与之相对应的，传感器作为无人驾驶汽车的重要部件，也随之蓬勃发展起来，但是，目前国内传感器的发展水平与国外相比还存在一定的差距，国际厂商在传感器产业的发展中占主导地位，美国的技术研发以及产业化进程相对领先，多数传感器高端技术仍然掌握在其他国家手中，我国厂商还未能实现突破。

1.3研究的主要内容及预期目标

1.3.1研究的主要内容

本文共分五个章节来阐述，主要内容是：

第一章绪论：详细介绍无人驾驶汽车及车载传感器技术的研究背景及意义，分别说明无人驾驶汽车车载传感器的国内外研究现状，最后说明文章研究的主要内容。

第二章无人驾驶汽车及车载传感器工作原理：首先明确无人驾驶汽车的概念，说明无人驾驶汽车的发展趋势，以及国际上对自动驾驶汽车的分级标准。论述无人驾驶汽车传感系统的基本框架构成，介绍了无人驾驶汽车的实际应用。详细介绍无人驾驶汽车上主要搭载的传感器种类及其工作原理和优缺点以及几种应用实例，为后续分析奠定理论基础。

第三章国内外无人驾驶汽车传感器应用发展趋势：搜集检索无人驾驶汽车领域有关传感器应用的专利，进行数据统计分析，对比各国近五年发表相关专利的数量及趋势，得出有关结论。

第四章无人驾驶汽车传感器发展趋势与政策关系分析：搜集各国近几年无人驾驶汽车领域的产业政策，进行对比分析。

第五章总结与展望：总结全文研究成果，对无人驾驶汽车未来发展进行展望。

1.3.2预期目标

本文目标是搜集资料明确无人驾驶汽车及传感器技术概念，通过对近五年世界无人驾驶汽车传感器技术相关专利进行统计分析，得出目前传感器系统的发展趋势。结合各国产业政策分析，对无人驾驶汽车传感技术发展做出展望。

第2章 无人驾驶汽车及车载传感器工作原理

无人驾驶汽车能够感知周围环境并控制汽车行驶的能力来自以处理器为中心的环境感知系统。环境感知系统使用安装在车辆上的一系列传感器来在驾驶期间感测车辆的周围环境。接受来自多种传感器的信息（包括道路信息、行人信息、指示牌信息等），对所获得的数据信息进行综合处理之后，控制调整汽车的行驶状态，以此来保证汽车能够在道路上像人类驾驶一样安全行驶^[1]。

2.1无人驾驶汽车的发展趋势

不同机构或国家对于自动驾驶汽车分级的标准存在差异，所分等级数也有不同。本文根据国际自动机工程师学会（SAE）所提出的概念，自动驾驶汽车可以分为以下六个等级：

L0级：最原始的人工驾驶，在这一等级汽车系统对驾驶员没有提供任何辅助操作，在道路行驶过程中，驾驶员完全完成对驾驶操作的判断；

L1级：辅助驾驶，这时汽车控制系统可以根据收集到的信息帮助我们在一定范围内完成车辆方向盘角度调整和汽车加减速，现在一般的自动挡汽车已经可以达到这一等级，但操作汽车的人要为汽车的行车安全担负负责；

L2级：部分自动驾驶，控制系统在L1级的基础上可以获得更多的外界信息，具备更加丰富的辅助驾驶功能，驾驶员和驾驶员的辅助系统共享汽车的控制，并且驾驶员在某些情况下不需要操作汽车。但随时要准备好在出现意外情况导致自动驾驶系统失灵时接管汽车；

L3级：条件自动驾驶，当汽车行驶在比较简单的道路上时，比如高速公路，人们就可以将驾驶权暂时交给汽车，由控制系统来操控汽车行驶，但是驾驶员不能放松警惕，需要一直观察汽车的行驶状况，避免发生意外；

L4级：高度自动驾驶，在这一等级，人们只用提前设置好必要的条件，就可以在行驶过程中不再操作汽车，但需要避免在环境感知系统准确率较低的情况下使用自动驾驶系统，比如道路条件差或天气恶劣等情况^[3]；

L5级：完全自动驾驶，此时，驾驶员只需要在系统中确定出发地和目的地，汽车就可以自动控制一切，中途人们不需要进行任何操作，就可以到达目标地点，可是说是真正意义上的无人驾驶。

从当前的定义看，实现L5级自动驾驶就是我们开发无人驾驶技术的最终目的。2018年L3级别的自动驾驶汽车已经能够量产上市，但是更高级别的自动驾驶汽车仍然处于测试阶段，世界上各大车企及其合作的互联网公司均希望能够在未来五到十年的时间内实现L5级自动驾驶即无人驾驶汽车的应用。

2.2传感器系统的组成及作用

2.2.1无人驾驶汽车传感系结构

想要真正实现无人驾驶，汽车上就必须搭载精度能够满足环境感知需求的硬件——传感系。传感系通常由这四个系统组成：

（1）导航定位系统：一般的GPS系统精度比较低，大约在五米范围内，不能满足无人驾驶的需求。对于无人驾驶汽车实现精确导航和定位，他们必须依靠与GPS结合的各种类型的传感器。这样控制系统根据传感器和GPS系统输入的信息，才能够准确合理地进行无人驾驶汽车行驶路径规划，帮助车主避免车辆拥堵，减少交通事故的可能性。

（2）视觉系统：该系统一般主要由摄像头和激光雷达等组成。计算机通过编译好的程序把传感器输入的信息转化为虚拟图像，根据得到的计算结果进行道路规划，进一步保证行车安全。

（3）标志识别系统：该系统通常使用计算机视觉技术实现，而且能够把视觉系统和标志识别集成在一起。彩色摄像头是这一系统的核心硬件，通过拍摄道路两侧及上方环境，并将拍摄到的图像实时地输入到系统的计算中心。计算机可以检测出交通标志所特有的形状和颜色。无人驾驶汽车的控制系统根据计算结果可以更好地辅助汽车行驶。