《智能網聯汽車技術概論》教案課題智能網聯汽車技術綜述授課對象專業：智能網聯年級：班級：授課方式講授法、討論法、舉例課時5授課地點教室教材《智能網聯汽車技術概論》教材、PPT、教學視頻、教案教具多媒體教學目標學習目標：（1）理解智能網聯汽車的含義；（2）熟悉SAE對自動駕駛等級的劃分；（3）熟悉我國對汽車智能化和網聯化的等級劃分；（4）了解我國工信部制定的自動駕駛測試的相關規定；（5）熟悉智能網聯汽車智能駕駛的關鍵技術；（6）了解智能網聯汽車可實現的功能；（7）了解國內外智能網聯汽車的發展現狀。教學重點（1）智能網聯汽車的定義；（2）SAE對自動駕駛等級的劃分；（3）我國對汽車智能化和網聯化的等級劃分；（4）智能網聯汽車智能駕駛的關鍵技術。教學難點（1）智能網聯汽車智能駕駛的關鍵技術。教學過程及時間分配教學內容方法及手段組織教學10分鐘自我介紹、課程介紹、考核方案、課前考勤、了解學生情況。課堂導入5分鐘本學期開設《智能網聯汽車概論》這門課程，首先給大家進行一下入門教育，學習這門課程的目的、要求及學習目標是什么?課堂討論理論課第一部分25分鐘1.智能網聯汽車定義？出自《國家車聯網產業標準體系建設指南》。搭載先進的車載傳感器、控制器、執行器等裝置，并融合現代通信與網絡技術，實現車與X（人、車、路、云端等）智能信息交換、共享，具備復雜環境感知、智能決策、協同控制等功能，可實現“安全、高效、舒適、節能”行駛，并最終可實現替代人來操作的新一代汽車。2.車聯網的定義是？依托信息通信技術，通過車內、車與車、車與路、車與人、車與服務平臺的全方位連接和數據交互，提供綜合信息服務，形成汽車、電子、信息通信、道路交通運輸等行業深度融合的新型產業形態。3.智能網聯汽車在智能化與網聯化層面分別定義了哪些內容？（1）在智能化層面配備多種傳感器（攝像頭、超聲波雷達、毫米波雷達、激光雷達），實現對周圍環境的自主感知。通過一系列傳感器信息識別和決策操作，汽車按照一定控制算法實現預定的駕駛任務。（2）在網聯化層面采用新一代移動通信技術（LTE-V、5G等），實現車輛位置信息、車速信息、外部信息等車輛信息之間的交互。3.汽車駕駛自動化都有哪些分級？SAE定義我國現行標準GB/T40429-20214.我國在網聯化方面等級是如何劃分的？網聯化等級等級名稱等級定義控制典型信息傳輸需求1網聯輔助信息交互基于車-路、車-后臺通信，實現導航等輔助信息的獲取以及車輛行駛與駕駛員操作等數據的上傳。人地圖、交通流量、交通標志、油耗、里程等信息。傳輸實時性、可靠性要求較低。2網聯協同感知基于車-車、車-路、車-人、車-后臺通信，實時獲取車輛周邊交通環境信息，與車載傳感器的感知信息融合，作為車輛自動駕駛決策與控制系統的輸入。人與系統周邊車輛/行人/非機動車位置、信號燈相位、道路預警等信息。傳輸實時性、可靠性要求較高。3網聯協同決策與控制基于車-車、車-路、車-人、車-后臺通信，實時并可靠獲取車輛周邊交通環境信息及車輛決策信息，車-車、車-路等各交通參與者之間信息進行交互融合，形成車-車、車-路等各交通參與者之間的協同決策與控制。人與系統車-車、車-路間的協同控制信息。傳輸實時性、可靠性要求最高。課堂講授課堂討論舉例證明課堂回顧5分鐘1.智能網聯汽車定義？2.我國在網聯化方面等級是如何劃分的？課堂提問，課堂討論作業汽車駕駛自動化都有哪些分級？下次上課檢查組織教學5分鐘上節課程內容回顧、本節課程內容介紹、課前考勤。課堂導入5分鐘上節課，我們介紹了智能網聯汽車的定義及相關知識，大家想一下智能網聯汽車有哪些系統組成呢？課堂提問理論課第二部分30分鐘1.智能網聯汽車相關概念關系？2.智能網聯汽車組成有哪些？環境感知層：環境感知傳感器、信息通信技術智能決策層：車載電腦控制執行層：汽車底盤（線控制動、線控轉向、線控驅動）、車身電器控制、智能座艙系統3.智能網聯汽車的新功能有哪些？3.智能網聯汽車的新技術有哪些？（1）環境感知技術1）視覺圖像識別技術2）雷達周邊檢測技術：激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達3）車輛網絡通信技術4）多源信息融合技術5）傳感器冗余設計技術（2）智能決策技術1）風險建模技術2）全局路徑規劃技術3）局部路徑規劃技術4）駕駛模式分析技術（3）控制執行技術1）驅動/制動/轉向控制技術2）基于驅動/制動/轉向/懸架的集成底盤控制3）多車隊列協同控制4）人機交互技術（4）2X通信技術1）車輛專用通信系統2）車與車信息共享與協同控制通信保障機制3）移動自組織網絡技術4）多模通信融合技術（5）云平臺和大數據技術1）云平臺架構和數據交互標準2）云操作系統3）數據高效存儲及檢索系統4）大數據關聯分析5）數據挖掘技術（6）信息安全技術1）汽車信息安全建模技術2）通信加密機制3）證書管理4）秘鑰管理5）汽車信息安全測試方法6）信息安全漏洞應急機制（7）高精度地圖和高精度定位技術1）高精度地圖數據模型和采集方式標準化技術2）交換格式和物理存儲技術3）基于衛星定位系統和差分增強的高精度定位技術4）多元輔助定位技術（8）標準與法規1）智能網聯汽車整體標準體系2）涵蓋汽車、交通、通信等各個領域的關鍵技術標準（9）實驗評價1）智能網聯汽車實驗評價方法2）實驗環境建設課堂講授課堂討論課堂提問課堂回顧5分鐘1.汽車智能化，網聯化衍生出的新功能有哪些？2.智能網聯汽車都有哪些新技術？課堂提問，課堂討論作業智能網聯汽車智能決策層的主要功能？下次上課檢查組織教學5分鐘上節課程內容回顧、本節課程內容介紹、課前考勤。課堂導入5分鐘自動駕駛技術，是什么時候開出現的？它的發展歷程是什么？同學們都接觸過哪些與自動駕駛相關的作品？課堂討論理論課第三部分30分鐘1.世界自動駕駛汽車技術的發展歷程？2018年，谷歌公司的子公司Waymo推出了第一款可以在城市道路上實現完全自主行駛的汽車，不需要人類駕駛員進行監控和干預。這款汽車采用了激光雷達、攝像頭、雷達等多種傳感器，可以實現高精度的定位和環境感知。現如今，老牌汽車廠商奔馳、寶馬、豐田等也都推出了高級別輔助駕駛系統。自動駕駛汽車迎來了從試驗到量產的重大變革。2.中國自動駕駛汽車技術的發展歷程20世紀90年代初由北京理工大學、南京理工大學、國防科技大學、清華大學和浙江大學聯合研制的ATB-1，之后研究ATB-2，與第一代相比，速度增加了3-4倍。2003年，國防科技大學與一汽合作的紅旗CA7460實現了高速公路自動駕駛示范，最高時速170Km/小時，可以實現自動超車。2011年7月，國防科技大學自主研發的紅旗HQ3無人駕駛汽車首次完成了長沙至武漢286Km的高速全程無人駕駛試驗，2015年12月，百度和寶馬的無人駕駛汽車在G7“五環高速-奧林匹克森林公園”路線上來回行駛，吸引了無數眼球。長安汽車在2020年3月10日實現了國內首個L3級自動駕駛量產車體驗活動，測試路段全程23公里，長安L3級自動駕駛系統傳感器配置包括5個毫米波雷達、6個攝像頭、12個超聲波雷達，此外配合ADAS地圖，可以實現自適應巡航、自動變換車道、安全過彎等功能。2021年4月6日威馬汽車推出了全球首款無人駕駛的量產車型威馬W6，它在某些特定場景上可以達到相當于L4級別的自動駕駛，并且具有一鍵召喚的黑科技功能。威馬汽車還承諾，在無人駕駛時如果發生事故，責任歸車企。現如今如小鵬、蔚來、華為等造車新勢力不斷突出高級別自動駕駛系統。3.我國自動駕駛戰略發展要求目前，美國、歐洲、日本等發達國家和地區也已將智能網聯汽車作為汽車產業未來發展的重要方向，加快產業布局。跨國汽車企業已經實現了一些L2級自動駕駛汽車的批量生產。一些高端品牌率先推出L3級自動駕駛汽車，以谷歌為代表的新技術力量也在積極進行全自動駕駛技術L4級、L5級的開發和測試。（1）測試道路建設北京市于2017年12月發布《北京市自動駕駛車輛道路測試管理實施細則（試行）》及相關文件，確定33條、共計105公里開放測試道路，已發放首批試驗用臨時號牌。如圖1-7所示，上海市2018年3月發布《上海市智能網聯汽車道路測試管理辦法（試行）》，劃定第一階段5.6公里開放測試道路，并發放第一批測試號牌。重慶、保定也相繼發布了相應的道路測試實施細則。（2）2018年4月，我國工業和信息化部頒發了《智能網聯汽車道路測試管理規范》（3）2023年7月18日，工業和信息化部、國家標準化管理委員會印發《國家車聯網產業標準體系建設指南（智能網聯汽車）（2023版）》。課堂講授課堂討論舉例說明課堂回顧5分鐘1.世界上最早的無人駕駛汽車是哪一年，在哪個國家開始的？2.我國最早對無人駕駛汽車的研發在哪一年？課堂提問，課堂討論作業現在我國的自動駕駛汽車，達到了哪個級別？下次上課檢查組織教學5分鐘上節課程內容回顧、本節課程內容介紹、課前考勤。課堂導入5分鐘國外自動駕駛技術的發展處于一個什么樣的狀態？課堂討論理論課第四部分30分鐘1.國外自動駕駛發展現狀（1）美國自動駕駛技術發展美國對自動駕駛技術的發展在政策上做了工作與支持？2013年，美國公路交通安全管理局發布了《關于自動駕駛儀車輛控制政策的初步意見》2016年9月，美國交通部發布了《聯邦自動駕駛汽車政策》。2017年9月，發布了《自動駕駛法案》2018年10月，發布的《未來交通準備：自動駕駛3.0》（2）德國自動駕駛技術發展歐盟于2012年頒布法規，要求所有商用車在2013年11月之前安裝AEB緊急自動剎車系統。自2014年起，在歐盟市場銷售的所有新車都必須配備AEB，沒有該系統的車輛不符合E-NCAP五星級安全認證。德國加入《維也納道路交通公約》2017年頒布《道路交通法修訂案》，世界第一部自動駕駛法（3）英國自動駕駛技術發展英國政府設立了2億英鎊的特別基金促進英國自動駕駛技術的研究、開發和部署。2017年2月，英國政府頒布了《汽車技術與航空法》2017年8月，英國交通部和國家基礎設施保護中心發布了《聯網和自主車輛網絡安全的關鍵原則》。（4）法國自動駕駛技術發展2014年，法國就公布了自動駕駛汽車的路線圖。2016年8月，法國通過了一項法令，允許對自動駕駛汽車進行道路試驗，但對試驗路段和試驗等級有明確要求。（5）日本自動駕駛技術發展在2017年的官民ITS構想及線路圖中，明確了自動駕駛技術的推廣計劃：2020年實現高速公路上的L3自動駕駛、L2自動駕駛和特定區域的L4自動駕駛。到2025年，將實現高速公路上的L4自動駕駛。2018年3月，提出了《自動駕駛相關制度整備大綱》。2018年9月，發布《自動駕駛汽車安全技術指南》。課堂講授課堂討論舉例說明課堂回顧5分鐘1.美國自動駕駛技術發展都頒布了哪些政策？2.世界上第一部自動駕駛法案是那部法案？課堂提問，課堂討論作業日本對自動駕駛技術發展有哪些政策？下次上課檢查組織教學5分鐘上節課程內容回顧、本節課程內容介紹、課前考勤。課堂導入5分鐘我國自動駕駛技術的發展處于一個什么樣的狀態？課堂討論理論課第五部分30分鐘2.國內自動駕駛汽車發展現狀（1）2015年將智能網聯汽車列為未來十年國家智能制造發展的重要領域。（2）2016年發布了《節能與新能源汽車技術路線圖》（3）2017年，發布《新一代人工智能發展規劃》（4）2018年1月，國家發展改革委發布了《智能汽車創新發展戰略（征求意見稿）》《智能汽車創新發展戰略》重要內容（5）2018年，我國建立了20個智能網聯汽車測試示范區。20個智能網聯汽車測試示范區（6）2018年4月，工信部、公安部、交通部聯合發布了《智能網聯汽車道路測試管理規范（試行）》，批準了全國20個智能網聯汽車測試示范區。（7）我國智能網聯汽車的推進可分為四個階段，是哪四個階段？1）自動駕駛輔助系統（ADAS）輔助駕駛操作系統有兩種類型：預警系統和控制系統。①預警系統正面碰撞預警系統（FCW）車道偏離預警系統（LDW）盲區預警系統（BSW）駕駛員疲勞預警系統（DFM）全景觀測系統（MVC）胎壓監測系統（TPMS）等；②控制系統車道保持系統（LKA）自動停車輔助系統（PLA）自動緊急制動系統（AEB）自適應巡航系統（ACC）等。2）網聯駕駛輔助依靠信息和通信技術來感知車輛周圍環境并預測周圍車輛未來運動來幫助駕駛員駕駛的系統。典型技術：LTE-V5G系統3）人機共駕人機共駕是指駕駛員與智能系統同時共享對車輛的控制，并與人機結合完成駕駛任務。包括三個層次：感知層決策層控制層4）高度自動化/無人駕駛駕駛員不需要參與車輛操作，車輛將在所有條件下自動完成自動駕駛。L4高自動駕駛階段：遇到無法控制的駕駛條件時，車輛提示駕駛員接管。L5無人駕駛階段：車輛沒有駕駛員，需要處理所有駕駛條件并確保安全。3.中國汽車技術發展方向？中國汽車技術發展方向：電動化、智能化、網聯化、共享化課堂講授課堂討論課堂提問課堂展示課程回顧5分鐘1.《智能網聯汽車管理規范（試行）》中批準的自動駕駛示范區有哪些？2.自動駕駛輔助系統（ADAS）輔助操作系統都有哪些類型？都包含哪些具體應用？課堂提問、課堂討論作業1.我國智能網聯汽車的推進可分為四個階段，是哪四個階段？下次上課檢查課后反思

《智能網聯汽車技術概論》課程授課教案模板課題視覺傳感器在智能網聯汽車上的應用授課對象專業：智能網聯年級：班級：授課方式講授法、討論法、舉例課時8授課地點教室教材《智能網聯汽車技術概論》教材、PPT、習題、教學視頻教具多媒體教學目標學習目標：（1）熟悉視覺傳感器的種類；（2）了解單目視覺傳感器的原理和特點；（3）了解雙目視覺傳感器的原理和特點；（4）了解紅外夜視視覺傳感器的原理和特點；（5）了解智能網聯汽車領域中的圖像處理方法及應用；（6）熟悉視覺傳感器在智能網聯汽車中的應用。教學重點（1）單目視覺傳感器的原理和特點；（2）雙目視覺傳感器的原理和特點；（3）智能網聯汽車領域中的圖像處理方法及應用；（4）視覺傳感器在智能網聯汽車中的應用。教學難點（1）單目視覺傳感器的原理和特點；（2）雙目視覺傳感器的原理和特點；（3）智能網聯汽車領域中的圖像處理方法及應用；教學過程及時間分配教學內容方法及手段組織教學10分鐘上節課程內容回顧、本節課程內容介紹、課前考勤。課堂導入5分鐘我們生活中的視覺傳感器有哪些?他們是如何工作的？課堂討論理論課第一部分30分鐘1.車載視覺傳感器的定義？視覺傳感器又稱為成像裝置或攝像裝置，是智能車輛路徑識別模塊中攝像頭的重要組成部分，可以檢測可見光、紫外線、X射線、近紅外光等，實現視覺功能的信息采集、轉換和擴展，提供可視化、真實、多級、多內容的視覺圖像信息。2.視覺傳感器在汽車上的常規應用有哪些？倒車影像360度全景環視系統前視攝像頭等3.視覺傳感器的組成是什么？組成：光源、鏡頭、圖像傳感器、模數轉換器、圖像處理器、圖像存儲器核心部件：圖像傳感器4.視覺傳感器的成像原理是什么？依靠圖像傳感器成像，有兩種：CCD視覺傳感器CMOS視覺傳感器（1）CCD視覺傳感器一種半導體芯片，能夠將光線轉變為電荷，再通過模數轉換器芯片轉換成電信號。由許多獨立的感光單位組成，通常以百萬像素為單位。CCD像素數目越多，單一像素尺寸越大，收集到的圖像就會越清晰。1）優點：靈敏度高、噪聲小、信噪比大。2）缺點：成本大、復雜度高、良品率低、功耗高；速度慢、高感差，并不適應高速拍攝的需求。3）應用專業攝像機（2）CMOS視覺傳感器利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS傳感器上共存著帶N（-）和P（+）的半導體，這兩個互補效應所產生的電流可被處理芯片記錄并解碼成影像。1）優點：耗電小（僅為CCD芯片的1/10左右）體積小、重量輕、集成度高、價格低2）缺點：成像質量不如CCD傳感器。3）應用：除了專業攝像機，大部分帶有攝像頭的設備。3.視覺傳感器分為哪些種類？（1）按傳感器的數量分類：單目視覺傳感器雙目視覺傳感器三目視覺傳感器環視視覺傳感器（2）按照成像原理不容分類：可見光視覺傳感器紅外視覺傳感器（3）按照安裝位置分類：前視視覺傳感器后視視覺傳感器環視視覺傳感器（4）按鏡頭類型分類：長焦視覺傳感器魚眼視覺傳感器課堂講授課堂討論舉例證明課堂回顧5分鐘1.車載視覺傳感器的定義？2.視覺傳感器的成像原理？3.視覺傳感器的分類方式及有哪些種類？課堂提問，課堂討論作業視覺傳感器都有哪些部件組成？CMOS圖像傳感器的優缺點是什么？下次上課檢查組織教學5分鐘上節課程內容回顧、本節課程內容介紹、課前考勤。課堂導入5分鐘上節課，我們介紹了智能網聯汽車的定義及相關知識，大家想一下智能網聯汽車有哪些系統組成呢？課堂提問課堂講述理論課第二部分30分鐘1.單目視覺傳感器是如何工作的？1）原理：先識別后測距首先通過圖像匹配對圖像進行識別，然后根據圖像大小和高度進一步估計障礙物和車輛移動時間。有自己的樣本數據庫，通過算法學習，識別目標。2）特點：目前可識別40米～120米的范圍，未來將達到200米或更多；視角越寬，可以檢測到的精確距離長度越短；視角越窄，檢測到的距離越長；測距精度遠低于激光雷達和毫米波雷達，需要其他傳感器進行信號補充。3）應用場景：車道線檢測、車輛檢測、行人檢測等。用于車道保持，自適應巡航等功能。長短焦距攝像頭組合，提供精確距離探測和近距離大范圍探測。多個魚眼攝像頭組合，實現環視功能。優點：成本低、幀速率高、信息豐富、檢測距離遠。缺點：受光照、氣候等環境影響；缺乏目標距離等深度信息；對目標速度的測量效果差。2.雙目攝像頭是如何工作的？1）原理：先測量距離，再識別物體測距原理與人眼相似：利用視差測量距離。目標識別與單目視覺傳感器相同；兩個攝像頭間距需在10-20mm之間，關系到測距精度；安裝后，需要進行標定。2）特點：20米范圍內具有明顯的測距優勢；在20米以外，很難縮小視差的范圍；測距鏡頭之間的距離越近，探測距離越大；鏡頭間距越大，探測距離越遠；需要其他傳感器進行信號補充。3）應用場景：能實現環境感知、體感、建模和行為識別等多種應用；能夠適應單目攝像頭的應用場景；輸出的深度圖不能直接用于自動緊急制動功能；精度可以滿足L1、L2和部分L3場景的功能要求。優點：能夠計算出場景中的三維空間位置信息；識別距離精度高。缺點：安裝要求高，需要標定、算法復雜；受光照、氣候等環境影響；對芯片的算力要求高。課堂講授課堂討論課堂展示課堂提問課堂回顧5分鐘1.單目視覺傳感器是如何工作的？2.雙目視覺傳感器的優缺點有哪些？課堂提問，課堂討論作業1.雙目視覺傳感器如何測距？2.單目視覺傳感器都有哪些特點？下次上課檢查組織教學5分鐘上節課程內容回顧、本節課程內容介紹、課前考勤。課堂導入5分鐘大家有沒有聽說過紅外夜視儀呢？它可是戰場上的利器。能夠在晚上輔助人們看見。紅外夜視儀也是一種視覺傳感器，它也被應用到汽車上，輔助駕駛員提升夜間感知能力。那么它是如何工作的呢？課堂討論課堂解說理論課第三部分30分鐘3.紅外夜視視覺傳感器是如何工作的？1）原理基于紅外熱成像原理通過能夠透過紅外輻射的紅外光學系統，將視場內景物的紅外輻射聚焦到紅外探測器上，紅外探測器再將強弱不等的輻射信號轉換成相應的電信號，然后經過放大和視頻處理，形成可供人眼觀察的視頻圖像。2）紅外線定義波長從0.78~1000μm的電磁波。短波端接可見光的紅光部分；長波端與微波相接。紅外線以光速傳播；遵守同樣的反射、折射、衍射和偏振等定律。3）分類：主動和被動兩種類型被動紅外夜視技術：利用目標物發出的紅外線形成環境的熱圖像。主動紅外夜視技術：主動向外發射強紅外線，再由反射光學系統接收，最后成像。4）應用場景：對光照不足條件下對基于可見光的視覺傳感器的應用的一種有效補充。5）特點：能夠像可見光攝像頭一樣，獲取環境中的目標大小及距離信息。4.多傳感器的組合應用1）特點：組合不同焦距和不同仰角的多個單目攝像頭。獲取不同位置、不同角度的環境信息。2）應用場景：獲得不同位置的交通標志、信號燈和各種道路標志的檢測和識別能力。常見方案：3）三目視覺傳感器組合形成25°視場、50°視場和150°視場的組合。分工協作：25°視場攝像頭探測距離遠，用于探測前車道線、交通燈；50°視場攝像頭探測距離和范圍均衡，用于一般道路狀況監測；150°視場攝像頭探測范圍廣，用于檢測平行車道、行人和非機動車行駛狀態；3個攝像頭組合，獲得覆蓋范圍更大的視場角。優勢：獲得覆蓋范圍更大的視場角。缺點：標定復雜、對計算芯片要求高。課堂回顧5分鐘1.紅外夜視視覺傳感器是如何工作的？2.視覺傳感器中，多傳感器融合的典型案例有哪些？課堂提問課堂討論作業1.三目視決傳感器的工作特點？2.紅外夜視視覺傳感器都有哪些種類，各自特點是什么？下次上課檢查組織教學5分鐘上節課程內容回顧、本節課程內容介紹、課前考勤。課堂導入5分鐘計算單元是如何通過視覺傳感器信號進行識別的？智能網聯汽車的視覺識別系統都能識別哪些交通信息呢？課堂討論理論課第四部分30分鐘1.智能網聯汽車計算機圖像處理流程？識別流程：圖像輸入→預處理→特征提取→特征分類→匹配→安全識別2.智能網聯汽車能夠識別的對象有哪些？識別對象：車牌、道路邊界、車道線、交通信號、交通標志、車輛/行人等交通參與者、自由行駛空間等。3.視覺傳感器如何進行信息編碼？（1）信息編碼的目的：通過數字化的圖像對環境信息編碼，目的是使信息可以被計算機處理。（2）圖像編碼格式：灰度、RGB（紅、黃、藍）、CMYK（青色、洋紅色、黃色、黑色）等1）使用RGB編碼格式實現圖像采集和編碼的過程。（3）標準圖像格式：BMP、JPG（JPEG）、PNG、TIF、GIF、PCX、TGA、EXIF、FXP等4.圖像處理算法都有哪些方法及類型？圖像處理算法類型：傳統的機器視覺、基于人工神經網絡的深度學習（1）機器視覺圖形算法圖像數據的解碼→圖像特征的提取→識別圖像中的目標（2）圖像數據的解碼利用圖像標準，將圖像中的信息提取出來。遵循編碼方法，及標準圖像格式。（3）圖像特征提取圖像在計算機中的存在形式：矩陣式的點存儲方式圖像特征提取方法：使用統計學等算法，獲取特征信息。特征提取是對圖像數據進行降維的處理方式，目的是找出代識別的各類目標在圖像中的典型特征，通過計算機算法及數據結構描述圖像的特征點，通過特征描述判斷特征是否匹配。判斷當前圖像中是否存在待識別目標，以及待識別目標在圖像中的位置。1）人工圖像特征提取：典型特征：SIFT特征、HOG特征、Haar-like特征細分特征：SIFT、SURF、FAST、HOG、ORB、LBP等①SIFT特征（Scale-InvariantFeatureTransform）：尺度不變特征變換，在不同的尺度空間搜索特征點及其方向，獲取圖像中的目標特征。②HOG特征（HistogramofOrientedGradient）：方向梯度直方圖，通過計算和統計圖像中局部區域的梯度方向直方圖來構成特征。用于行人檢測。③Haar-like特征：由邊緣特征、線性特征、中心特征和對角線特征組成。特征模版內有白色和黑色兩種矩形，并定義改模板的特征值為，白色矩形像素減去黑色矩形像素和。Haar-like特征反應了圖像的灰度變化情況。優點直觀、可分析。圖像識別領域廣泛應用。缺點需要對圖像中的結構化信息有深入理解。能構建可直觀區分用能夠通過數字處理方法提取的特征。特征的性能指標特征對旋轉、尺度縮放、亮度變化的不變性、特征對視角變化、仿射變換、噪聲的穩定性等。課堂講授課堂討論舉例說明課堂回顧5分鐘1.視覺傳感器信息編碼的常用格式有哪些？2.人工圖像提取的典型特征有哪些，它們各自的特點是什么？課堂提問，課堂討論作業1.Haar-like特征的優點和缺點？2.圖像特征的性能指標都有哪些？下次上課檢查組織教學5分鐘上節課程內容回顧、本節課程內容介紹、課前考勤。課堂導入5分鐘計算單元是如何通過視覺傳感器信號進行識別的？課堂討論理論課第五部分30分鐘（2）神經網絡特征提取1）特點：算力大，需要應用GPU等大算力芯片。2）典型：卷積神經網絡（CNN），根據腦科學對人類感知機理研究中探索出的計算機特征學習方法。3）基于人工神經網聯的目標檢測與識別方法的3種類型：基于區域建議的目標檢測和識別算法；基于回歸的目標檢測與識別算法；基于搜索的目標檢測與識別算法。4）優勢消除圖像處理過程中人工特征設計、提取、預處理等步驟，將感知過程簡化為輸入圖像→輸出結果兩個步驟，具有自適應、自學習的特點。6.圖像識別算法在智能網聯汽車領域的應用（1）車道線檢測1）目地：檢測車道的形狀及車輛在車道上的位置。①車道特征：寬度和曲率等幾何特征。車道由圓弧、直線、與曲線構成，緩和曲線由不同曲率（例如螺旋曲線）的圓弧連接過渡段或直線連接過渡段，車道與路面車輛的幾何模型元素包括車道曲率、弧長、偏航角等。②車輛位置特征：橫向偏移和偏航角。2）檢測方法：基于霍夫變換的車道線檢測基于仿射變換的車道線檢測基于邊緣點擬合的車道線檢測①基于霍夫變換的車道線檢測用圖像空間的邊緣數據點計算參數空間中的參考點的可能軌跡，并在累加器中統計軌跡上的參考點，最后選擇出參考點最多的軌跡。檢測方法準確簡單，缺點是無法識別曲率半徑大于100m的車道線，需要融合其他檢測方法進行深入學習和算法設計。②基于仿射變換的車道線檢測通過仿射變換將前方路面圖像轉換為俯視圖，并提取俯視圖中的車道線。優點是能找到多車道線，實時性好。缺點，復雜道路的穩定差，仿射變換時圖像丟失較大，變換后的車道線在仿射圖中有時檢測不到，受周圍物體遮擋的影響嚴重，不使用于路況復雜、攝像頭視角小的前視野。③基于邊緣點擬合的車道線檢測原理為，車道線為白色，路面為灰色，路面與車道線間有穩定的灰色差。通過合理的圖像灰度與之設定，可以提取車道線的邊緣。優點是計算量小，能擬合出曲率較大的車道線；缺點是環境適應性差，易受光照干擾，穩定性差。3）跟蹤預測道路特征在下一幀圖像中的位置。如果在預測范圍內未檢測到道路特征，則使用估計或參考上一特征的位置。如果連續幀未檢測到道路特征，則啟動全圖像道路特征檢測。跟蹤算法，為后續檢測縮小了搜索范圍，也保證了在攝像頭遮擋、車道線不清晰時檢測的連續性和穩定性。課堂回顧5分鐘1.人工神經網絡算法特征提取的特點及優勢？2.基于人工神經網聯的目標檢測與識別方法的都有哪些類型？3.圖像識別算法車道線檢測的檢測方法有哪些？課堂提問，課堂討論作業簡述車道的幾何特征是什么？簡述車輛的位置特征？下次上課檢查組織教學5分鐘上節課程內容回顧、本節課程內容介紹、課前考勤。課堂導入5分鐘智能網聯汽車視覺傳感器的算法有很多，用于識別出環境目標，我們接上節課的內容，繼續學習視覺傳感器的其他算法。課堂討論理論課第六部分30分鐘（2）語義分割指圖像處理算法試圖從語義上理解圖像中每個像素的角色，該物體是汽車還是其他分類的物體。1）目的：識別出物體如人、路、車、樹等；確定每個物體的邊緣。2）方法：使用語義分割模型來對物體做出像素級的分割；通過語義形式提供物體的特征和位置等信息。3）過程：特征提取→像素級分割→特征識別→語義標注等；實現對圖像中各類目標的識別、分類、語義信息標注。4）應用：語義分割是無人車駕駛的核心算法技術，車載攝像頭，或者激光雷達探查到圖像后輸入到神經網絡中，后臺計算機可以自動將圖像分割歸類，以避讓行人和車輛等障礙。（3）立體視覺與場景流立體視覺是雙眼觀察景物能分辨物體遠近形態的感覺。1）目的：在于重構場景的三維幾何信息。場景流是空間中場景運動形成的三維運動場。用作立體視覺研究的圖像在時間、視點、方向上有很大的變動范圍，直接受所應用領域的影響。2）應用領域：自動測繪中的航空圖片的解釋；自主車的導引及避障；人類立體視覺的功能模擬。3）三種實現方式：利用雙目視覺傳感器建立三維描述；利用一副圖像提供的信息來推斷三維形狀的方法；利用兩個或多個圖像在不同試點或不同時間提供的信息，重建三維結構的方法。（4）視覺里程計算方法視覺里程計算法的特點是它只關心局部運動，而且大部分時間是指兩個時刻之間的運動。當以一定的時間間隔采樣時，可以估計運動物體在每個時間間隔內的運動。由于該估計值受噪聲的影響，故將前一時刻的估計誤差加入后一時刻的運動，會產生誤差累計。（5）目標跟蹤指系統跟蹤特定場景中感興趣的一個或多個特定對象的過程，目標跟蹤在無人駕駛領域很重要，一方面可以提高后續檢測的準確性，另一方面能夠對目標的運動狀態進行跟蹤。目標跟蹤算法可分為兩類：生成算法和判別算法。生成算法：利用生成模型來描述目標表面特征，并使重構誤差最小化來搜索目標；判別算法：又稱檢測跟蹤算法，通過區分待識別目標和道路、天空等背景，將待識別目標提取并進行跟蹤。課堂講授課堂討論舉例說明課堂回顧5分鐘1.語義分割算法放入目的和意義是什么？2.目標跟蹤都有哪些類型，它的的功能是什么？課堂提問課堂討論作業立體視覺場景六算法的意義和實現方式有哪些？下次上課檢查組織教學5分鐘上節課程內容回顧、本節課程內容介紹、課前考勤。課堂導入5分鐘視覺傳感器在智能網聯汽車上都有哪些應用場景呢？課堂討論理論課第七部分30分鐘1.視覺傳感器應用到智能網聯汽車的條件？小型化和嵌入式的視覺傳感器的廣泛應用，人們可以從車載攝像頭中獲得更智能的結果，即通過攝像頭的視場，感知駕駛環境。2.智能網聯汽車使用的攝像頭都有哪些種類？單目攝像頭、雙目攝像頭、紅外攝像頭、組合攝像頭智能汽車視覺傳感器應用案例：特斯拉Autopilot2.0L2級三個前視攝像頭，三個后視攝像頭，兩個側視攝像頭3.智能網聯汽車使用的攝像頭能夠實現哪些功能？車道偏離警告、盲點監控、駕駛人注意力監控、全景環視、泊車輔助、車道保持輔助、交通標志識別、前方碰撞預警、行人碰撞預警等。（1）車道偏離警告一種輔助駕駛員通過警告來減少因為車道偏離引起的交通事故的系統。1）攝像頭作用作為環境感知傳感器2）車道偏離預警系統組成主要有：① 圖像處理模塊② 防抱死制動系統控制模塊③ 動力轉向控制模塊④ 儀表盤⑤ 方向盤模塊⑥ 車身控制模塊/網關模塊⑦ 動力傳動系統控制模塊3）原理攝像頭持續檢測車輛前方環境→圖像處理識別車道線（感知道路幾何形狀及車輛位置參數）→獲取車輛動態參數（車速、轉向燈狀態、轉向盤轉角等）→車道偏離評估算法評估車道偏離系數→偏離報警（聲音、儀表顯示、轉向盤/座椅振動等）→正常換道或轉向不做提示（打轉向燈）。4）目的車輛異常偏離，及時提醒，為駕駛員提供更多反應時間。（2）車道保持輔助系統基于車道偏離警告系統。原理：駕駛員未能及時相應預警，系統自動控制底盤執行系統，使車輛保持車道內安全行駛。（3）汽車防碰撞預警系統用于協助駕駛員避免高速、低速追尾，高速中無意識偏離車道，與行人碰撞等重大交通事故。原理：基于智能視頻分析處理技術通過動態視頻攝像技術、計算機圖像處理技術來實現其預警功能。通過視覺傳感器或雷達檢測前方障礙物，通過運算，評估碰撞風險，根據碰撞風險等級進行不同形式預警，直到主動制動等方式提醒駕駛員主動控制車輛，避免碰撞事故發生。運行過程：檢測到汽車前方障礙物→亮起警告燈，鳴響警報提醒駕駛員→危險增加，進行制動準備→即將碰撞，自動制動，避免事故減少傷害。（4）交通標志識別通過特征識別算法，利用前置攝像頭組合模式識別道路上的交通標志，提示警告或自動調整車輛運行狀態，從而提高車輛的安全性和合規性，提醒駕駛員注意前方的交通標志。1）交通標志種類警告標志、禁止標志、指示標志。2）識別方法①顏色和形狀，初步識別。②視覺識別方法：基于不同距離的模板匹配識別方法大量數據樣本的機器學習識別方法粒子群優化和遺傳算法等課程回顧5分鐘1.車道偏離警告系統是如何工作的？2.交通標志有哪些類型？課堂提問課堂討論作業1.車道偏離警告系統的組成？下次上課檢查組織教學5分鐘上節課程內容回顧、本節課程內容介紹、課前考勤。課堂導入5分鐘視覺傳感器在智能網聯汽車上都有哪些應用場景呢？課堂討論理論課第八部分30分鐘3.智能網聯汽車使用的攝像頭能夠實現哪些功能？（5）換道輔助系統1）目的攝像頭或者雷達探測車輛兩側后視鏡盲點區域，輔助駕駛人變換車道，減少事故的發生。2）工作原理車輛行駛過程中，駕駛員操作轉向燈，準備換道，此時傳感器檢測車輛兩側及后方區域，如適合換道，在儀表上提示換道信息，輔助駕駛員換道；如不適合換道，儀表將提示不適合換道，并語音提醒，提示駕駛員換道有事故風險，不能換道。3）效果可有效防止，惡劣天氣、駕駛員疏忽、后視鏡盲點、新手上路等駕駛過程中的潛在危險因素，造成交通事故。（6）駕駛人監控系統1）目的：不斷檢測駕駛人的駕駛狀態，使駕駛人保持安全駕駛所需的注意力，在自動駕駛和人工駕駛切換過程中，保證駕駛人有足夠時間接管車輛。2）內容：包括，疲勞監控、駕駛行為監控、注意力監控、3）類型：間接式監控、直接式監控①間接式監控：通過駕駛人對車的操控，判斷駕駛人是否處于正常駕駛狀態。②直接式監控：通過攝像頭對駕駛人的視線、面部狀態等進行跟蹤，判斷駕駛人狀態是否滿足安全駕駛需求。（7）泊車輔助系統用于泊車或倒車的安全輔助裝置。工作原理：車位檢測、泊車路徑規劃、自動泊車控制。自動泊車輔助系統應用的初級階段，系統的功能并不完善，并衍生出需要不同類型的泊車輔助系統，統稱為“自動泊車系統”。這些自動泊車系統，有些只能實現垂直車位/側向車位的檢測與路徑規劃；有些則需要駕駛員的輔助，比如自動泊車過程中，需要駕駛員輔助換擋或控制車速等。最終泊車目標：自主泊車車輛自主完成泊車，自動從車位駛出接應成員。（8）紅外夜視系統采用紅外夜視技術實現對夜間行車過程中環境的感知。（9）全景環視系統目的：形成360°全景視圖。組成：包括多個安裝在車輛四周的攝像頭、圖像采集組件、視頻合成/處理組件、數字圖像處理組件、車輛顯示器。工作過程：攝像頭采集車輛周圍圖像→圖像處理單元進行變形恢復→視圖轉換→圖像拼接→圖像增強效果：提供立體環視的效果，輔助駕駛員了解車輛周圍環境。（10）電子后視鏡原理：通過攝像頭成像，將后視圖像投影到車內顯示屏上，取代傳統后視鏡。目的：減小后視盲區，提供全面視野。電子后視鏡攝像頭配置：高像素、無畸變、寬動態、低照度、高可靠性。應用：大部分國家不能使用。（11）智能照明系統目的：環境光線不足時，補充燈光；通過燈光變化，與其他交通參與者交互。能夠調整燈光滿足駕駛人和前視攝像頭的照明需求。課程回顧5分鐘1.換道輔助系統的工作原理？2.全景環視系統的工作過程？課堂提問、課堂討論作業1.自動泊車系統的發展方向？3.電子后視鏡的效果，及攝像頭的配置要求？下次上課檢查課后反思

《智能網聯汽車技術概論》課程授課教案模板課題雷達在智能網聯汽車上的應用授課對象專業：智能網聯年級：班級：授課方式講授法、討論法、舉例法課時8授課地點教室教材《智能網聯汽車技術概論》教材、PPT、習題、教學視頻教具多媒體教學目標學習目標：（1）知道汽車雷達的分類及特征區別；（2）了解超聲波雷達的結構、原理和性能指標；（3）熟悉超聲波雷達在智能網聯汽車中的應用；（4）了解毫米波雷達的結構、原理及特點；（5）熟悉毫米波雷達在智能網聯汽車中的應用；（6）了解激光雷達的結構、原理及特點；（7）熟悉激光雷達在智能網聯汽車中的應用。教學重點（1）超聲波雷達的工作原理及應用；（2）毫米波雷達的種類，工作原理及應用；（3）激光雷達的分類、原理及應用。教學難點（1）毫米波雷達的結構及工作原理；（2）激光雷達的分類及工作原理。教學過程及時間分配教學內容方法及手段組織教學10分鐘上節課程內容回顧、本節課程內容介紹、課前考勤。課堂導入5分鐘汽車上應用的雷達有哪些類型？在汽車上哪種雷達的應用最廣泛呢？課堂討論理論課第一部分30分鐘1.汽車雷達的種類？超聲波雷達、毫米波雷達、激光雷達。雷達的原理不同，其性能特點也有各自的優點，可用于實現不同的功能。2.超聲波雷達？超聲波雷達是利用超聲波的特性研制而成的雷達。仿生雷達：蝙蝠、海豚都使用超聲波定位。（1）原理傳感器中的超聲波發生器產生超聲波，然后接收探頭接收障礙物反射的超聲波，并根據超聲波反射接收的時差計算出與障礙物的距離。（2）應用工業、國防、生物醫藥等方面。（聲吶探測）汽車應用：使用雷達的測距功能。（3）結構汽車超聲波雷達發生器和接收器合成為一個探頭。結構如圖所示：（4）基礎原理利用壓電效應原理將電能和超聲波互相轉換。超聲波發生器將電信號發送到壓電晶片，晶片振動產生超聲波；同時內部計時，超聲波遇到障礙物返回，壓電晶片將回波轉換成電信號發送給接收器，同時計時。控制模塊根據超聲波發射和接收的時間差，算出障礙物與探頭之間的距離。公式：s=(t×340)/2（5）超聲波雷達性能指標工作頻率、工作溫度、靈敏度、多普勒效應、溫度影響、噪聲干擾、線性驅動干擾、機械特性等。超聲波雷達的有效探測范圍，誤差±5cm。（6）超聲波雷達的應用檢測車輛近距離障礙物的情況，通常多個探頭同時使用（探頭探測范圍有限）用于倒車輔助、自動泊車輔助、盲區監測等（7）種類UPA/APA1）UPA短程超聲波雷達檢測范圍：25cm-2.5m用于檢測車輛前后方的障礙物2）APA遠程超聲波雷達檢測范圍：35cm-5m用于檢測汽車側方障礙物（8）超聲波雷達在智能網聯汽車上的應用1）倒車輔助2）自動泊車輔助3）前方障礙物探測課堂講授課堂討論舉例證明課堂回顧5分鐘1.超聲波雷達的種類？2.超聲波雷達結構？3.超聲波雷達的應用場景？課堂提問，課堂討論作業超聲波雷達的工作原理？超聲波雷達的測距原理？下次上課檢查組織教學5分鐘上節課程內容回顧、本節課程內容介紹、課前考勤。課堂導入5分鐘上節課，我們介紹了汽車雷達的種類，提到了毫米波雷達，毫米波雷達用在汽車有哪些功能？理論課第二部分30分鐘1.什么是毫米波雷達？（1）雷達1）定義通過發射和接收無線電波來測量物體與物體之間的距離、角度和相對速度的裝置。（2）毫米波雷達1）定義使用毫米波段的無線電波來探測車輛與車輛間距離、角度和相對速度的裝置。2）毫米波指長度為1～10毫米的電磁波，毫米波的頻帶頻率高于射頻，低于可見光和紅外線，相應的頻率范圍為30～300GHz。3）特點：能夠全天候工作分辨率高、方向性好、抗干擾能力強、檢測性能好大氣衰減小、對煙霧的穿透性好、受天氣影響小4）頻率分類24GHz、60GHz、77GHz、79GHz用于汽車。常見24GHz、77GHz①24GHz毫米波雷達檢測距離：用于50-70米的中、短程檢測應用：盲點監測、換道輔助、自動泊車輔助、后碰撞預警等②77GHz毫米波雷達用于100-250m的中遠程檢測自適應巡航、前碰撞預警、高級緊急制動5）結構天線、收發器芯片、信號處理芯片①收發器芯片MMIC芯片，常見材料：GaAs、SiGe、CMOS課堂講授課堂討論課堂回顧5分鐘1.毫米波雷達如何分類，它都有哪些類型？2.毫米波雷達的定義？3.毫米波的定義？4.毫米波雷達都有哪些特點？5.毫米波雷達收發器芯片的材料類型以及各自的特點？課堂提問課堂討論作業1.毫米波雷達的結構？2.毫米波雷達如何分類？都有哪些類型？下次上課檢查組織教學5分鐘上節課程內容回顧、本節課程內容介紹、課前考勤。課堂導入5分鐘毫米波雷達除了根據頻率分類，還有其他的分類方式嗎？車載毫米波雷達使用哪種類型的毫米波雷達呢？課堂提問課堂討論理論課第三部分30分鐘6）車載毫米波雷達類型調頻連續波（FMCW）雷達1）常見連續波種類：三角波、鋸齒波、編碼調制波、噪聲調頻波。2）目標測量參數：①距離②速度③方位角7）工作原理發射天線發出電磁波，接收天線接收到雷達回波并解調后，雷達處理芯片對模擬信號進行數字采樣，并進行相應濾波，進一步使用快速傅里葉變換算法將信號轉換成頻域，然后再尋找信號中的特定特征，如：信號強度、頻率變化等，獲取目標的位置及速度等測量信息，并對目標進行編號和跟蹤。8）探測距離分類長距毫米波雷達、中距毫米波雷達、短距毫米波雷達長距和中距毫米波雷達通常布置在車輛的前后方，檢測前后方較遠范圍的目標短距毫米波雷達通常布置在車輛四角位置，用于檢測側前方、側后方等范圍目標。長距毫米波雷達主要為77GHz雷達。中短距雷達以24GHz毫米波雷達為主。79GHz雷達探測行人效果好，逐漸開始應用。1）77GHz雷達優勢探測距離遠；頻段獨特，不易干擾；尺寸小。課堂講授課堂討論課堂回顧5分鐘1.毫米波雷達如何分類，它都有哪些類型？2.毫米波雷達的定義？課堂提問課堂討論作業1.毫米波雷達的工作原理是什么？2.毫米波雷達測量的參數有哪些？下次上課檢查組織教學5分鐘上節課程內容回顧、本節課程內容介紹、課前考勤。課堂導入5分鐘毫米波雷達是智能網聯汽車上的不可或缺的傳感器。馬斯克是視覺傳感器的最大擁躉者，一度取消了特斯拉的毫米波雷達，但是現在特斯拉上還是安裝了毫米波雷達，證明了，目前階段，毫米波雷達的功能在智能網聯汽車上不可或缺，那么它都有哪些應用呢？課堂討論理論課第四部分30分鐘1.毫米波雷達在汽車上的應用場景有哪些？自適應巡航控制（ACC）、前方防撞報警（FCW）、盲點檢測（BSD）、輔助停車（PA）、輔助變道（LCA）、自主巡航控制等領域。（1）自適應巡航系統自適應巡航是一種駕駛輔助功能，它可以按照設定的車速或距離跟隨前面的車輛，或者根據前面的車速主動控制車輛的行駛速度，最終使車輛與前面的車輛保持安全距離。優點是可以有效地解放駕駛員的腳，提高駕駛舒適性。1）工作原理毫米波雷達掃描前方環境，車速傳感器采集車速信號；情況1，檢測到前方安全距離內無車，自適應巡航系統控制發動機，按設定的巡航車速行駛。情況2，檢測到前車車速與自身車速，及兩車間的距離；如與前車距離過小，自適應巡航系統發送信號給發動機和制動系統，適當降低發動機功率甚至制動車輪，使本車與前車保持安全距離。情況3，檢測到前車車速大于自身車速，且小于設定車速；如與前車距離加大，自適應巡航系統發送信號給發動機，適當增大發動機功率，提升車速，使本車與前車保持安全距離跟車行駛。（2）自動緊急制動系統自動緊急制動是汽車的主動安全輔助裝置，目的是減少應駕駛人注意力不集中，導致的追尾事故。1）原理毫米波雷達測量汽車或障礙物的距離→決策裝置將測量的距離與報警距離和安全距離做比較，當小于報警距離時，系統報警提示。當小于安全距離時，自動制動車輛，從而確保安全駕駛。2）特點自動緊急制動系統通常包含前方碰撞預警功能。（3）換道輔助系統輔助駕駛員換道行駛，讓駕駛員掌握最佳換道時機，防止換道引起的交通事故。1）原理通過傳感器（毫米波雷達、視覺傳感器）檢測車輛兩側及車道側后方的道路環境，獲取車輛側面和后方物體的運動信息。根據當前車輛的狀態，結合環境感知情況，通過聲音，視覺等方式提醒駕駛人，掌握換道的最佳時機，防止換道引起交通事故。2）功能盲點監測、換道輔助、后碰撞預警防止變道、轉彎、追尾等交通事故的發生。課堂講授課堂討論舉例說明課堂回顧5分鐘1.自適應巡航系統的工作原理是什么？2.換道輔助系統都有哪些功能？課堂提問課堂討論作業1.換道輔助系統可以使用哪些傳感器，檢測環境？2.AEB自動緊急制動系統是如何工作的？下次上課檢查組織教學5分鐘上節課程內容回顧、本節課程內容介紹、課前考勤。課堂導入5分鐘馬斯克多次在公開場合對激光雷達無下限的貶低：2015年10月——激光雷達毫無意義，對于自動駕駛汽車來說，沒有必要。2017年4月——激光雷達很差勁，他們會拋棄激光雷達，記住我的話，這是我的預測。2018年2月——激光雷達昂貴、丑陋、沒有必要。2019年4月——激光雷達就像人身上長了一堆闌尾，闌尾本身的存在基本是無意義的，如果長了一堆的話，那就太可笑了。任何依賴激光雷達的公司都可能無疾而終。大家想一下，他為啥要這樣？激光雷達真的有那么差勁嗎？課堂討論理論課第五部分30分鐘1.激光雷達是一個什么東西？（1）激光雷達概述1）定義：通過發射激光光束來掃描環境，并接收反射回來的光束，獲取檢測數據的雷達系統。2）功能是集激光、全球定位系統（GPS）和IMU慣性測量裝置三大技術為一體的系統。獲取環境中，目標的距離、速度、方位、姿態甚至形狀尺寸等參數。3）原理通過發射激光光束來掃描環境，并接收反射回來的光束，獲取檢測數據，通過飛行時間法測量激光發射器到物體的距離。通過機械、電子等處理方式控制激光光束，實現多條光束對環境的掃描，獲得環境中物體的點云，用于實現對環境精確的三維測量。通過對空間環境點云的處理，可以獲取環境中目標的距離、速度、方位、姿態等參數。接收系統采用了各種形式的光電探測器，如光電倍增管、半導體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外線和可見光多元探測器。激光雷達使用兩種工作模式：脈沖和連續波。根據探測原理，探測方法可分為米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射、熒光、多普勒等。激光雷達原理示意圖4）應用汽車自動駕駛、無人駕駛、定位導航、空間測繪、安保安防等領域。5）特點高分辨率隱蔽性好，抗干擾能力強低空探測性能好體積小，重量輕受氣候、天氣影響大課堂講授課堂討論舉例說明課堂回顧5分鐘1.激光雷達都能探測物體的哪些信息參數？2.激光雷達都有哪些特點？課堂提問課堂討論作業激光雷達的基礎原理是？激光雷達的定義？下次上課檢查組織教學5分鐘上節課程內容回顧、本節課程內容介紹、課前考勤。課堂導入5分鐘上節課，我們了解到激光雷達的功能十分強大，特別貼合自動駕駛汽車的環境檢測，那么激光雷達為什么沒有大量裝配到汽車上，只是因為價格昂貴嗎？課堂討論理論課第六部分30分鐘（2）激光雷達的分類1）按照激光發射波形分類連續型、脈沖型2）按光束控制方式分類機械式、混合固態式、固態式激光雷達3）按工作介質分類半導體激光雷達、固體激光雷達、氣體激光雷達。4）按照線數分類單線激光雷達、多線激光雷達5）按照載荷平臺分類車載激光雷達、機載激光雷達、星載激光雷達2.多線旋轉式激光雷達（機械式）是什么樣的激光雷達？（1）特點依靠旋轉部件來控制激光發射的角度體積大，測量精度高360°的探測角度（2）結構激光發射器、光學接收器、伺服電動機、光學旋轉編碼器、傾斜鏡等組成（3）原理激光發射器將電脈沖變成光脈沖發射出去，光學接收器再把從目標反射回來的光脈沖還原成電脈沖，將聯系檢測獲取的360°環境信息進行數據處理，得到環境的電源信息。激光束越多，掃描頻率越快，對環境中物體輪廓的獲取就越全面。（4）類型分為16線、32線、64線和128線。課堂講授課堂討論舉例說明課堂回顧5分鐘1.激光雷達是如何進行分類的？2.多線旋轉式激光雷達都有哪些種類？3.簡述多線旋轉式激光雷達的工作原理。課堂提問課堂討論作業1.激光雷達都有哪些分類方式及種類？2.多線旋轉式激光雷達的結構是什么？下次上課檢查組織教學5分鐘上節課程內容回顧、本節課程內容介紹、課前考勤。課堂導入5分鐘現在的智能駕駛實驗車以及固定環境行駛的特種自動駕駛車輛（無人配送車、智能叉車、掃地車、礦車）上普遍使用機械式激光雷達，那么駕駛環境更加復雜的量產車上配置的激光雷達又是那種類型的激光雷達呢？車載激光雷達的發展方向是什么？課堂討論理論課第七部分30分鐘1.混合固態激光雷達是一種什么類型及特點的激光雷達？（1）特點用“微動”器件來代替宏觀機械式掃描器，在微觀尺度上實現雷達發射端的激光掃描。旋轉幅度和體積減小，提高系統可靠性，降低成本。機械旋轉部件更加小巧，并隱藏在外殼之中。（2）種類轉鏡式、棱鏡式和MEMS微型諧振鏡式激光雷達1）轉鏡式激光雷達激光收發模塊是保持不動的，由電機帶動反光裝置在一定角度范圍內擺動，或者360°轉動，轉鏡在運動的過程中，將光束反射至一定范圍的空間，從而實現掃描探測，其技術創新方面與機械式激光雷達類似。早期雷達解決方案①應用最早應用到量產車的激光雷達：2017年發布的一款AudiA8雷達類型：法雷奧與IBEO共同開發的SCALA當前應用：華為開發的激光雷達，用于極狐阿爾法S、華為問界等車型②缺點仍然存在較大的機械轉動部件；掃描頻率上限偏低；對惡劣環境的承受能力以及耐久性有限；無法通過半導體工藝大批量出貨實現降本。2）棱鏡式激光雷達內部包括兩個楔形棱鏡，激光在通過第一個楔形棱鏡后發生一次偏轉，通過第二個楔形棱鏡后再一次發生偏轉。控制兩面棱鏡的相對轉速便可以控制激光束的掃描形態。①應用我國應用廣泛典型類型：小鵬P5搭載的Livox雙楔形棱鏡激光雷達②特點能夠實現非重復掃描；能夠實現近100％的視場覆蓋率；沒有電子元器件的旋轉磨損；可靠性更高，更符合車規級標準。3）MEMS混合固態激光雷達通過微型諧振鏡的擺動實現環境掃描。①微振鏡MEMS激光雷達的核心組成具有平整的光學鏡面；將機械式激光雷達的旋轉部件微縮，增加集成度②特點MEMS將機械微型化，掃描單元變成了MEMS微鏡；它消除了大型的機械旋轉結構，降低了激光雷達的成本；可以通過MEMS的結構設計實現更多線束的掃描來提高分辨率，而不必增加激光雷達的發射器和接收器。2.固態激光雷達是激光雷達的發展方向嗎？通過電子元件控制激光光束發射角度，實現掃描范圍的調整。（1）特點：不需要旋轉部件，尺寸可以小，使用壽命長，成本可降低；具有數據采集速度快、分辨率高、對溫度和振動適應性強等優點；通過光束控制，探測點（點云）可以任意分布；探測范圍小，需要多個雷達配合使用。（2）調整光束的方式不同進行分類相控陣、Flash兩種類型（3）相控陣固態激光雷達采用相控陣原理，通過調整發射陣中各發射單元的相位差類改變激光的出射角，實現探測范圍的調整。1）核心元件光學相控陣、光學集成電路、遠場輻射模式2）特點①掃描速度快、精度高、可控性好；②很容易形成旁瓣，影響光束作用距離和角分辨力。（4）Flash固態激光雷達通過發射面陣光配置激光掃描范圍的激光雷達，是一種聚焦于二維或三維圖像的激光雷達。1）特點穩定性和成本都很好；探測距離很近；技術可靠性方面存在問題。課程回顧5分鐘1.固態激光雷達都有哪些種類？2.華為設計生產的激光雷達是那種激光雷達？課堂提問課堂討論作業1.混合固態式激光雷達都有哪些類型，它們是如何工作的？下次上課檢查組織教學5分鐘上節課程內容回顧、本節課程內容介紹、課前考勤。課堂導入5分鐘號外、號外，馬斯克的特斯拉，使用激光雷達進行特斯拉車自動駕駛功能的測試了。因為之前對激光雷達上車的言論，馬斯克用手在臉上輕輕的蹭了一下。激光雷達應用到智能網聯汽車，都應用到哪些方面呢？課堂討論理論課第八部分30分鐘1.激光雷達應用到智能網聯汽車，應用到哪些功能？有什么樣的優勢呢？通過三維點云精確還原環境。提供高精度地圖建圖、高精度定位、復雜物體的識別與跟蹤。（1）應用車道線檢測、目標分類和運動跟蹤、SLAM高精度定位。1）案例：（64線機械激光雷達）①早期無人駕駛案例，機械式激光雷達實現高精度建圖、定位、環境目標的檢測和跟蹤，被廣泛應用。②測繪、高精度地圖構建、其他類型傳感器測試（特斯拉）自動駕駛環境感知算法的探索提供環境信息。2）在汽車上的應用（固態激光雷達）①要求：低成本、高度環境適應性、強抗干擾能力、規定的安全等級高②案例：混合固態激光雷達是量產車配置激光雷達的主流，我國的許多新能源汽車，如小鵬P5、極狐阿爾法S、蔚來ET7和廣汽AIONLX都安裝了不同類型的混合固態激光雷達。③趨勢混合固態激光雷達是機械式激光雷達和純固態激光雷達方案的妥協方案。隨著半導體技術的發展和固態激光雷達技術的成熟，固態激光雷達的價格將大大降低，成為車載激光雷達的主流。課堂講解課堂舉例課堂討論課堂提問課程回顧5分鐘1.激光雷達車載應用領域？2.哪種激光雷達是車載激光雷達主流？為什么？課堂提問、課堂討論作業1.分析車載激光雷達的發展趨勢。下次上課檢查課后反思

《智能網聯汽車技術概論》課程授課教案課題高精度定位與導航系統授課對象專業：智能網聯年級：班級：授課方式講授法、討論法、舉例課時8授課地點教室教材《智能網聯汽車技術概論》教材、PPT、習題、教學視頻教具多媒體教學目標學習目標：（1）知道高精度地圖包含的信息；（2）知道高精度地圖在智能網聯汽車中的作用；（3）熟悉高精度地圖的采集與生成過程；（4）熟悉GPS和北斗衛星定位系統的組成；（5）理解全球導航衛星系統的定位原理；（6）理解慣性導航系統測量的原理；（7）熟悉全球導航衛星系統和慣性導航系統的優缺點及其組合應用；（8）熟悉智能網聯汽車中高精度定位的實現方式；（9）熟悉智能網聯汽車中導航定位系統的集成應用。教學重點（1）高精度地圖的采集與生成過程；（2）全球導航衛星系統的定位原理；（3）慣性導航系統測量的原理；（4）智能網聯汽車中高精度定位的實現方式；（5）智能網聯汽車中導航定位系統的集成應用。教學難點（1）慣性導航系統測量的原理；（2）智能網聯汽車中高精度定位的實現方式。教學過程及時間分配教學內容方法及手段組織教學10分鐘上節課程內容回顧、本節課程內容介紹、課前考勤。課堂導入5分鐘什么是高精度定位？高精度定位在智能網聯汽車上起什么作用？課堂討論理論課第一部分25分鐘1.高精度地圖的概念是什么？高精度地圖與傳統導航有什么區別？（1）傳統導航概念數字地圖根據起始位置、目標位置為使用者規劃行駛路徑，輔助駕駛人駕駛。屬于道路級別導航，描述一些典型的道路交通特征（限速、測速、紅綠燈等）、路口指引（左轉、右轉、直行等）等道路級別的導航信息，導航中10m級的定位精度即可滿足系統需求。（2）高精度地圖概念1）高精度地圖的定義：分為兩種，狹義高精度地圖和廣義高精度地圖。①狹義高精度地圖是由傳統圖形商定義的精度更高、內容更詳細的地圖。例如，定義更詳細信息（如車道和交通標志）的地圖。②廣義的高精度地圖直接為我們構建了一個真實的三維世界。除了絕對位置的形狀信息和拓撲關系外，還包括點云、語義和特征等屬性。2）高精地圖的功能用于導航、路徑規劃；為環境感知提供先驗知識；輔助車載傳感器實現高精度定位；是L3級以上自動駕駛不可或缺的關鍵技術。3）高精度地圖的特點：（地圖信息的豐富性和準確性高）道路參考線為了實現車道級別導航、路徑規劃功能，需要在原始地圖數據中抽象道路結構，形成由頂點組成的拓撲圖形結構，同時為了優化數據的存儲，需要將道路用連續的曲線段來表示。道路連通性除道路參考線外，高精度地圖還應描述道路的連通性。比如路口中沒有車道線的部分，需要將所有可能的行駛路徑抽象成道路參考線，在高精度地圖數據庫中體現。車道模型除了記錄道路參考線、車道邊緣（標線）和停車線外，高精度地圖數據庫還需要記錄無車道道路的拓撲結構，且除車道的幾何特性外，道路模型還包括車道數、道路坡度、功能屬性等。對象模型對象模型記錄道路和車道行駛空間范圍邊界區域的元素，模型屬性包括對象的位置、形狀和屬性值。這些地圖元素包括路牙、護欄、互通式立交橋、隧道、龍門架、交通標志、可變信息標志、輪廓標志、收費站、電線桿、交通燈、墻壁、箭頭、文字、符號、警告區、分流區等。4）智能網聯汽車領域，高精度地圖作用高精度定位、輔助環境感知、規劃決策①規劃決策高精度地圖是超視距傳感器，提供極遠距離的道路信息，用于智能駕駛系統的全局路徑規劃毛病對局部路徑規劃做出有效的輔助。②輔助車輛高精度定位高精度地圖可以提供道路中，特征物（標志牌、龍門架等）的形狀、尺寸、高精度位置等語義信息，車載傳感器在檢測到相應特征物時，就可根據測到的特征物信息去匹配上述語義信息，由車輛與特征為間的相對位置推算出當前車輛的絕對高精度位置信息。高精度定位是高精度地圖有效應用的重要方向，也是自動駕駛系統自主導航。自動駕駛的重要前提。③輔助環境感知能夠提高自動駕駛車輛數據處理效率，自動駕駛車輛感知重構周圍三維場景時，可以利用高精度地圖作為先驗知識減少數據處理時的搜索范圍。在高精度地圖上標記詳細的道路信息，可以為自車感知系統提供有效的輔助識別，可以優化感知系統的計算效率，提高識別精度、減少誤識別的發生。動態交通信息的更新需要實時反映在地圖上，以確保智能網聯汽車駕駛的安全，實現實時高精度地圖在技術存在諸多難點，大量信息安全、信息完整、數據更新、高速傳輸等問題需要解決。但是隨著智能網聯汽車的廣泛應用、車聯網技術的發展，更豐富的動態交通信息分享可以使汽車更智能。課堂講授課堂討論課堂提問課堂展示課堂回顧5分鐘1.傳統地圖的概念？2.高精度地圖與傳統地圖有哪些區別？課堂提問，課堂討論作業高精度地圖都有哪些特點？下次上課檢查組織教學5分鐘上節課程內容回顧、本節課程內容介紹、課前考勤。課堂導入5分鐘上節課，我們介紹了高精度地圖的概念。明白了它的優勢，以及在無人駕駛中不可替代的作用，那么它是如何生產的呢？理論課第二部分30分鐘1.地圖如何采集存儲？（1）地圖的存儲1）傳統地圖的存儲方法依賴于拓撲結構和傳統的數據庫，將各種元素作為對象堆放在地圖上，將道路存儲為路徑。2）高精度地圖的存儲方法為了提高存儲效率和機器可讀性，地圖在存儲時分為矢量層和對象層。（2）高精地圖的采集1）實地采集實地采集是制作高精度地圖的第一步，主要通過采集車的現場采集來完成。采集地圖的核心設備是激光雷達、高精度差分-慣導-衛星定位系統，它通過激光反射形成點云，完成對環境中各種物體的采集，并通過高精度定位系統記錄行駛軌跡和環境中物體的高精度位置信息。（2）加工加工的過程包括人工處理、深度學習的感知算法（圖像識別）等。采集的設備越精密，采集的數據越完整，就可以降低算法所需的不確定性。收集到的數據越不完整，就需要更多的算法來補償數據缺陷，也可能會產生更大的誤差。采集的設備越精密，采集的數據越完整，就可以降低算法的不確定性；收集到的數據不完整，就需要更復雜的算法來補償數據缺陷，且容易產生更大的誤差。3）后續更新因為道路的整改工作會經常發生，包括突發性路況。后續地圖更新也可以采取“眾包方式”或與政府實時交通處理部門合作來解決。2.采用“眾包數據”構建高精度地圖使用安裝了成本相對低廉的車載傳感器的智能網聯汽車收集路況與道路特征，然后通過深度學習和圖像識別算法將其轉換為結構化數據，生成高精度地圖眾包信息。數據來源于用戶，而且服務于用戶，不僅可以向此類車輛提供高精度地圖、還可以提供高精度定位服務。通用、日產、豐田、上汽等汽車廠商也積極采用“眾包采集”方式為各自品牌的汽車提供相關服務。3.實時定位與地圖構建實時定位與地圖構建（SLAM）是一種在機器人領域廣泛使用的地圖構建與定位技術。可以使用激光、視覺、紅外等傳感器，在機器人移動過程中獲取傳感器檢測的環境特征，進一步識別行駛過程不同時刻環境特征中類似的部分，將檢測到的環境信息進行拼接，對行駛過的環境進行基于當前傳感器信息的完整描述，即高精度地圖構建。課堂講授課堂討論課堂回顧5分鐘1.高精地圖是如何采集的？2.使用眾包數據如何構建高精度地圖？課堂提問，課堂討論作業1.高精地圖的存儲方式與傳統地圖有何不同？下次上課檢查組織教學5分鐘上節課程內容回顧、本節課程內容介紹、課前考勤。課堂導入5分鐘現在導航已經深入我們的生活，同學們都應該對導航并不陌生。那么我們自動駕駛汽車的導航，與我們生活中的導航是相同的嗎？如果有所不同，它們的不同點又在哪里？課堂討論理論課第三部分30分鐘1.什么是全球導航衛星系統？該系統是由多顆覆蓋全球的衛星組成的衛星系統，可以保證地球上任何一點在任何時候都能觀測到四顆衛星，以能獲得觀測點的經緯度、高度，為全球導航、定位、定時等功能提供三維位置和速度等信息。（1）GNSS的種類中國的北斗導航、美國的GPS、俄羅斯的GLONASS衛星導航、歐盟伽利略衛星導航。（2）GPS導航最早完全建成并投入使用的衛星導航系統1）結構空間部分、地面控制部分和用戶設備①空間部分共24顆衛星，21衛星導航，3顆衛星備用，GPS定位衛星星座有24顆衛星均勻分布在6個軌道面上，軌道傾角為55°，每一軌道面相距60°，即軌道的高度為60°。各軌道平面上衛星間的仰角相隔90°，其中一個軌道平面上的衛星比西部相鄰軌道平面上相應的衛星提前30°。工作衛星根據設置發送定位信號。②地面控制部分主控站、地面天線、監測站和通信輔助系統主控站——采集各監測站的數據地面天線——接收GPS衛星信號。監測站——監測和采集數據。通信輔助系統——實現兩個或兩個以上地點之間的通信。③用戶設備部分衛星導航接收器、衛星天線根據一定的衛星截止角捕獲被測衛星。當接收機捕獲被跟蹤的衛星信號時，可以測量接收天線對衛星偽距和距離的變化率，并解調衛星軌道參數等數據，基于這些數據，接收器中的微處理器可以根據定位解算方法進行定位計算，并計算用戶地理位置的緯度、經度、高度、速度、時間等信息。課堂講授課堂討論舉例說明課堂回顧5分鐘1.全球衛星定位導航系統都有哪些種類？2.GPS衛星導航系統都有哪些組成？課堂提問，課堂討論作業1.GPS衛星導航的地面控制部分都有哪些部件組成？它們是如何工作的？2.GPS系統的衛星是如何分布的？下次上課檢查組織教學5分鐘上節課程內容回顧、本節課程內容介紹、課前考勤。課堂導入5分鐘中國一直沒有放棄全球導航衛星系統的發展，現在我國的衛星導航系統究竟達到什么水準呢？衛星導航系統是如何定位的呢？課堂討論理論課第四部分30分鐘1.中國的全球衛星定位系統北斗系統。北斗衛星導航系統是中國著眼于國家安全和經濟社會發展需要，自主建設運行的全球衛星導航系統，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要時空基礎設施。（1）北斗導航系統的目標規劃了3步走的發展戰略：第一步，2000年底，建成北斗一號系統，向中國地區提供服務；第二步，2012年底，建成北斗二號系統，向亞太地區提供服務；第三部2020年，建成北斗三號系統，向全球提供服務。這個目標已經完成。（2）應用在交通運輸、農林漁業、水文監測、氣象測報、通信授時、電力調度、救災減災、公共安全等領域得到廣泛應用，服務國家重要基礎設施，產生了顯著的經濟效益和社會效益。（3）結構空間段、地面段和用戶段三部分組成。1）空間段：北斗衛星導航系統空間段由35顆衛星組成，其中地球靜止軌道衛星5顆、中地軌道衛星27顆、傾斜同步軌道衛星3顆。五顆地球靜止軌道衛星的固定位置為東經58.75°、80°、110.5°、140°和160°。中地軌道衛星運行在三個軌道面上，軌道面均勻分布120°。2）地面段主控站、注入站和監測站。主控站用于系統運行管理和控制，接收來自監測站的數據，并對其進行處理，生成衛星導航信息和差分完整性信息，然后將信息傳送到注入站進行發送。注入站用于向衛星發送信號、控制和管理衛星，在接收到主站調度后，向衛星發送衛星導航信息和差分完整性信息。監測站用于接收衛星信號并將其發送到主站進行衛星監測，以確定衛星軌道，并為時間同步提供觀測。3）用戶段包括北斗用戶終端和與其他衛星導航系統兼容的終端。接收器需要捕捉和跟蹤衛星的信號，并根據數據以一定的方式進行定位計算，最終獲得用戶的緯度、經度、海拔、速度、時間等信息。具有短消息通信能力；提供區域導航、定位和定時功能，定位精度為10米，測速精度為0.2m/s，定時精度為10ns。（3）衛星定位原理目標物定位需要3個參數，經度、維度和海拔。通過這3個參數，就能夠確定地球上所有物體在3維空間的位置。如何算出這3個參數呢？需要通過3個至少方程式進行計算。這時候就可以通過衛星，獲取3個方程式的參數。接收模塊接收衛星信號，獲取衛星到接收機模塊的距離，利用三維坐標中的距離公式，利用3顆衛星，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置（X,Y,Z）。但是，衛星的時鐘與接收模塊時鐘之間存在誤差，鐘差可以這樣理解，我們的手表的時間都與全球的標準時間存在誤差，這個就是鐘差。衛星是標準時鐘，接收模塊的時鐘有誤差。實際上，定位過程就有4個未知數，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛星，形成4個方程式進行求解，從而得到觀測點的經緯度和高度。事實上，接收模塊往往可以鎖住4顆以上的衛星，這時，接收模塊就會按照衛星的星座分布分成若干組，每4顆一組，然后通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。到這里GPS的工作原理就講完了，接下來講一下慣性導航。課堂講授課堂討論舉例說明課堂回顧5分鐘1.北斗衛星導航系統的3步走戰略是什么？是否已經完成目標？2.北斗導航系統空間段衛星的分布情況如何？課堂提問，課堂討論作業衛星導航系統是如何工作的？下次上課檢查組織教學5分鐘上節課程內容回顧、本節課程內容介紹、課前考勤。課堂導入5分鐘開過車的人都知道，在衛星導航過程中，如果車輛進入隧道或高樓林立的區域，車載導航就失去目標了，其實不止這些場景，比如地下停車場場景，高架橋場