在室内车辆研发和ADAS测试中，如何选择满足0.01秒快速响应的非接触式测速方案？【动态监测、实时控制】

1. 车辆速度测量的基本结构与技术要求

在室内进行车辆速度测量，我们关注的“被测物”是各种类型的车辆，比如乘用车、测试车辆、自动导引车（AGV）或叉车等。这些车辆的基本结构决定了我们测量速度的方式：它们通常拥有一个移动的整体，并伴随着车轮的旋转或表面纹理的变化。

对室内车辆速度测量的技术要求主要包括：

• 测量精度： 这是核心要求。车辆速度数据的准确性直接影响到研发、测试或运行的决策。例如，在车辆性能测试中，哪怕是0.1%的误差都可能导致对发动机或制动系统评估的偏差。

• 快速响应： 室内车辆往往需要频繁启停、加速或减速。传感器必须能迅速捕捉这些动态变化，就像在看电影时，画面要流畅，不能有卡顿。响应速度快意味着传感器能够实时反馈车辆的瞬时速度，这对于车辆控制系统或安全监控至关重要。

• 测量范围： 根据车辆类型和应用场景，所需的速度范围差异很大。有的车辆可能只需要测量低速的AGV运动，而有的则需要测量高速的整车性能测试。

• 非接触性： 在很多情况下，我们希望测量过程不干扰车辆本身的运动，也不对车辆表面造成磨损。这就像用尺子量身高，直接接触当然可以，但如果能用激光非接触地量得更准更快，并且不影响被测者，那自然更好。

• 环境适应性： 室内环境虽然相对可控，但也可能存在灰尘、光照变化、温度波动等情况。传感器需要能在这些条件下稳定工作。

• 安装便利性： 室内测试或监控往往需要灵活部署，传感器的体积、重量和安装方式应尽量简单。

2. 针对车辆的相关技术标准简介

在车辆的研发、生产和使用过程中，速度是一个非常基础但关键的参数。相关的技术标准会详细定义速度测量的各种参数及其评价方法。

• 速度定义： 通常指车辆在单位时间内行驶的距离，可以是瞬时速度（某一时刻的速度）或平均速度（一段时间内的总距离除以总时间）。在车辆测试中，常常关注从静止加速到某一速度所需的时间，或者从某一速度完全制动所需的时间和距离。

• 加速度定义： 车辆速度变化的快慢。高的加速度意味着车辆拥有更好的动力性能，而高的减速度（负加速度）则意味着更好的制动性能。评价方法通常是记录速度随时间的变化曲线，然后计算其导数。

• 制动性能： 涉及车辆从一定速度到完全停止所需的制动距离和时间。这通常通过在特定路面条件下进行制动测试来评估，测量仪器需要精确捕捉车辆从踩下制动踏板到完全静止期间的速度变化。

• 速度计指示误差： 车辆仪表盘上显示的速度与实际车速之间的差异。通常会要求在一定的速度范围内，指示误差不能超过某个百分比或绝对值。评价时会使用高精度的参考速度测量设备与车辆自带的速度计进行对比。

• 响应时间： 传感器或系统从接收到输入信号到输出有效测量结果所需的时间。在车辆动态测试中，尤其是ADAS（高级驾驶辅助系统）等实时控制系统，快速响应是保证系统稳定性和安全性的重要前提。

3. 实时监测/检测技术方法

在室内车辆速度测量中，非接触式方法如雷达测速，与传统接触式方法（如测功机）相比，在保证测量精度和快速响应方面各有侧重，但总体而言，非接触式方法在灵活性和对车辆无干扰方面具有显著优势。

（1）市面上各种相关技术方案

a. 多普勒雷达测速技术

多普勒雷达测速技术，就像是一个“声纳”，但它使用的是电磁波而不是声波。当一个静止的雷达传感器发射出频率F的电磁波（比如微波）时，这些波遇到移动的车辆并反射回来。如果车辆正在靠近传感器，反射波的频率会变高；如果车辆正在远离传感器，反射波的频率会变低。这种频率的变化就是“多普勒频移”。传感器通过精确测量这个频率差，就能计算出车辆的径向速度。

其物理基础是多普勒效应。多普勒频移 Fd 可以通过以下公式计算：

Fd = 2 * F * v * cos(theta) / C

其中：* Fd 是多普勒频移，也就是发射波和反射波的频率差。* F 是发射波的频率。* v 是目标物体的速度（径向速度）。* theta 是雷达波束方向与目标物体运动方向之间的夹角。* C 是电磁波在介质中的传播速度（在空气中近似为光速）。

这个公式告诉我们，多普勒频移与发射频率、目标速度成正比，与夹角的余弦值成正比。通过测量Fd，并已知F、theta和C，就可以反推出车辆的速度v。

核心性能参数典型范围：* 速度测量范围： 通常可以从0.5 km/h到数百km/h，一些产品可达0.8 km/h到480 km/h。* 测量精度： 典型精度可达到±0.2%至±1%。* 响应时间： 极快，通常在几十毫秒以内，部分产品更新周期可达0.01秒。* 测量距离： 从几米到数百米不等，部分产品最远可检测300米外的车辆。

技术方案的优缺点：* 优点： * 非接触式测量： 这是最大的优势，对车辆没有任何物理接触，不影响车辆原始状态和运动，避免磨损。 * 快速响应： 电磁波传播速度快，信号处理迅速，能实时捕捉速度变化，非常适合动态测试。 * 环境适应性强： 微波穿透能力强，不易受灰尘、烟雾、雨雪等环境因素影响，在光线不佳甚至完全黑暗的环境中也能稳定工作。 * 测量距离远： 可以实现远距离测量，为测试或监控提供更大的灵活性。 * 安装灵活： 传感器体积相对小巧，便于在不同位置安装。* 缺点： * 仅测量径向速度： 雷达只能测量车辆沿着雷达波束方向的速度分量。如果车辆是斜向运动，需要校正角度或者部署多个传感器来获取实际速度。 * 可能受多目标干扰： 在多车道的拥堵环境，或者室内有多个移动物体时，雷达可能检测到多个目标，需要高级算法进行目标识别和跟踪。 * 对材料反射特性有要求： 某些特殊材料可能对雷达波的反射效果不佳。* 适用场景： 车辆性能测试（如加速、制动）、生产线速度监控、AGV/叉车防撞与速度控制、交通流监测、赛车性能调校等。* 成本考量： 相比激光跟踪仪等，雷达传感器的成本通常更具竞争力，尤其是在只需要测量速度时。

b. 激光表面测速技术

激光表面测速仪（LSV）的工作原理有点像在车辆表面“画”一个微型的光栅，然后观察这个光栅的移动。它通常发射两束激光，这两束光在被测物体表面交汇并形成一个精密的干涉条纹图案。当车辆表面移动时，这些干涉条纹会被物体表面的微小颗粒反射回来，反射光会因为多普勒效应产生频率变化。传感器就是通过分析这个频率变化，或者跟踪这些“散斑图样”在探测器上的移动，来精确计算出物体表面的速度。

其物理基础也涉及多普勒效应。对于使用两束激光的干涉法，当两束激光束以角度+-theta聚焦在移动表面上时，散射光的拍频（多普勒频移）Fd 与表面速度 v 的关系为：

Fd = 2 * v * sin(theta) / lambda

其中：* Fd 是多普勒频移。* v 是表面速度。* theta 是激光束与表面法线的夹角。* lambda 是激光波长。

核心性能参数典型范围：* 速度测量范围： 极宽，可从0.005 m/min（接近静止）到3000 m/min（超高速）。* 测量精度： 极高，典型精度可达±0.05%甚至更高。* 测量距离： 通常较短，在0.1米至1.0米之间，需要靠近被测表面。

技术方案的优缺点：* 优点： 测量精度极高，非接触，适用于各种表面条件（包括光滑、粗糙、湿润、高温），响应速度快，对车辆表面无磨损。* 缺点： 测量距离短，对安装位置要求高，易受环境振动影响，成本相对较高。* 适用场景： 对速度精度要求极高的生产线（如轮胎、钢板、纸张生产）、车辆部件测试（如发动机台架测试）、精确校准。* 成本考量： 通常高于普通雷达传感器，属于中高端测速方案。

c. 机器视觉测速技术

机器视觉测速技术，就像是一个“智能摄影师”，它使用高速摄像机连续拍摄车辆的图像。然后，系统内部的“大脑”（图像处理算法）会分析这些图像序列。它不是直接测量波的频率变化，而是通过识别和跟踪图像中车辆的特定特征点（比如车灯、车标、车体边缘等），计算这些特征点在连续的两帧图像之间的位移量，并结合拍摄的时间间隔（帧率），从而推算出车辆的实时速度。

核心性能参数典型范围：* 图像传感器： 高分辨率，如5百万像素。* 帧率： 最高可达100帧/秒，甚至更高，决定了时间分辨率。* 处理速度： 依赖于内置处理器性能，实现高速图像处理。* 测量精度： 取决于相机分辨率、视野、校准和物体纹理，可达亚像素级精度。具体速度精度需要通过位置精度和采样率来推算。

技术方案的优缺点：* 优点： 高度灵活，不仅能测量速度，还能同时进行缺陷检测、位置定位、尺寸测量等多任务，提供丰富的视觉信息，适用于复杂环境和多参数分析。* 缺点： 易受光照变化、物体纹理、遮挡等环境因素影响，计算量大，对相机安装和校准要求较高，纯粹的速度测量精度可能不如专用测速设备高。* 适用场景： 自动化生产线上的车辆部件检测、AGV路径规划与避障、车辆识别与跟踪、智能仓储中的车辆监控。* 成本考量： 包含摄像头、高性能处理器和复杂软件，成本通常较高。

d. 接触式测功机技术

接触式测功机，可以想象成一个巨大的跑步机，专门为车辆设计。车辆的驱动轮不是在地面上行驶，而是被固定在两个或多个滚筒上。当车辆启动并加速时，它的驱动轮会带动测功机的滚筒一起旋转。测功机内部有一个高精度的旋转编码器，它会精确地测量这些滚筒的旋转速度。然后，系统根据滚筒已知的精确直径和编码器测得的角速度，就能准确计算出车辆在滚筒上“行驶”的速度。这种方法还会集成制动系统，可以模拟不同的行驶阻力，进行全面的性能测试。

计算车辆速度的基本公式：

V = omega * R

其中：* V 是车辆速度。* omega 是滚筒的角速度。* R 是滚筒的半径。

核心性能参数典型范围：* 最大轴载： 高达数吨，如2500 kg。* 最大车速： 可达数百km/h，如200 km/h。* 速度测量精度： 极高，典型精度可达±0.1 km/h。* 滚筒直径： 200 mm或更大。

技术方案的优缺点：* 优点： 在受控环境下提供极高、可重复的测量精度，能模拟各种负载条件，测量结果稳定可靠，可用于车辆性能、排放、耐久性等综合测试。* 缺点： 接触式测量会带来磨损，设备体积庞大、固定，无法测量自由行驶的车辆，安装和维护成本高昂。* 适用场景： 车辆研发、排放测试、耐久性测试、整车性能标定、法规认证测试等对测试环境和数据可重复性有极高要求的场合。* 成本考量： 投资巨大，是所有方案中成本最高的。

（2）市场主流品牌/产品对比

接下来，我们来看看几家主流厂商在室内车辆速度测量领域的解决方案，它们采用了上述不同的技术。

• 德国普勒泰克： 德国普勒泰克是激光测速领域的佼佼者。他们采用的是激光表面测速技术，通过发射激光束在物体表面形成干涉条纹，然后分析散射光的多普勒频移来测量速度。其产品提供极高的测量精度和重复性，典型精度可达±0.05%。这种非接触式方法避免了对车辆表面的磨损，响应速度快，非常适合高速在线生产线上的车辆部件或整车速度检测。但它的测量距离通常较短，需要传感器与被测表面保持较近的距离。

• 英国真尚有： 英国真尚有专注于多普勒雷达测速技术。以其LP-DS100型号为例，该传感器采用Ka频带的电磁波，通过测量多普勒频移来计算车辆速度。在1英里/小时时，测量精度可达到±0.34%，更新周期仅0.01秒，最远可检测到300米外的车辆。该产品具有抗干扰能力强，工作温度范围-17至60°C，重量仅230克等特点。这种方案特别适合需要在较远距离、复杂环境或需要快速响应的非接触式速度测量场景。

• 美国康耐视： 美国康耐视是机器视觉领域的全球领导者，其In-Sight系列视觉系统采用的是机器视觉测速技术。智能相机捕捉车辆图像，通过内置的图像处理算法（如特征点跟踪）计算车辆特征点在连续帧之间的位移和时间，从而得出实时速度。这套系统不仅能测量速度，还能同时进行缺陷检测、位置定位等任务，高度灵活和可编程。它的精度取决于相机分辨率和校准，可达亚像素级。特别适用于需要多参数分析或复杂环境的室内车辆检测。

• 英国吉赛德： 英国吉赛德则提供接触式测功机技术的解决方案，如其FEV 200系列测功机。这种设备通过让车辆驱动轮在滚筒上行驶，并由高精度旋转编码器测量滚筒的角速度来计算车辆速度。测功机提供受控、可重复的测试环境，其速度测量精度可达±0.1 km/h，能够精确模拟不同负载下的车辆性能。它主要应用于车辆研发、排放测试、耐久性测试和整车性能标定等对测试环境控制和数据可靠性要求极高的场景。

（3）选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在为室内车辆速度测量选择合适的设备或传感器时，您需要像挑选工具一样，根据自己的具体需求来匹配。

• 测量精度： 这指的是传感器测量结果与真实值之间的接近程度。精度高意味着数据更可靠。例如，±0.1%的精度比±1%的精度好十倍。在研发和性能测试中，对精度要求非常高；而在一般的物流AGV速度监控中，允许的精度范围可能更宽松。

• 快速响应： 指传感器从检测到速度变化到输出测量结果所需的时间。响应越快，您就能越及时地了解车辆的动态。如果车辆需要频繁加速、减速或转向，比如在ADAS测试中，快速响应（如0.01秒更新周期）至关重要。如果只是监测稳定行驶速度，几十或几百毫秒的响应时间可能也足够。

• 测量范围： 指传感器能测量的最低和最高速度。您需要确保所选传感器的速度范围能完全覆盖您应用中车辆可能出现的速度区间。比如，测量AGV可能只需要几km/h的速度，而测试跑车可能需要数百km/h。

• 测量距离和角度： 非接触式传感器需要一定的安装距离和角度。测量距离远（如300米）能给您更大的安装自由度；而雷达传感器测量的径向速度对安装角度敏感，如果车辆运动方向与雷达波束方向有大夹角，需要考虑多传感器或角度补偿。

• 环境适应性： 考虑您室内环境是否有灰尘、烟雾、温度变化或特殊光照条件。例如，雷达在恶劣环境下表现优异，而机器视觉对光照变化比较敏感。

• 安装复杂度和成本： 传感器越小巧（如230克）越容易安装和移动。接触式测功机需要固定场地和大量投入，而非接触式传感器通常更灵活且初期投入相对较低。

选型建议：

• 对于高动态、非侵入性、中长距离的常规速度测量： 优先考虑多普勒雷达测速传感器。它兼顾了精度、响应速度和环境适应性，比如在室内车辆性能简单测试、AGV速度监控等场景。

• 对于超高精度、近距离的表面速度测量，尤其是在生产线： 激光表面测速仪是理想选择，适用于对材料或部件的精确速度控制。

• 对于需要同时获取速度、位置、识别等多种信息，且环境光照可控的场景： 机器视觉系统能提供最全面的解决方案，适合智能仓储、复杂交通流分析。

• 对于需要极端精度、可控环境、模拟负载并进行全面性能/排放测试： 只有接触式测功机能满足这些需求，但它只能在固定位置进行。

• 对于需要极高精度的三维运动轨迹和瞬时速度测量，且预算充足的研发场景： 激光跟踪仪可以提供无与伦比的精度。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了合适的传感器，在实际应用中也可能遇到一些问题。

• 多普勒雷达测速：

  • 问题： 目标车辆运动方向与传感器波束方向不一致，导致测量的是径向速度而非实际速度。在室内多角度运动的车辆，可能需要修正。

  • 影响： 实际速度测量值偏低，可能导致误判。

  • 解决建议： 确保传感器与车辆的运动方向尽可能对齐，或者使用多个传感器从不同角度测量，然后通过算法合成真实速度。校准时模拟不同角度进行验证。

  • 问题： 室内存在多个移动物体，可能导致雷达信号混淆。

  • 影响： 传感器可能“看”到错误的车辆，导致速度测量错误。

  • 解决建议： 调整雷达的波束宽度和安装位置，使其只覆盖目标区域。使用高级雷达传感器，它们通常具备多目标识别和跟踪能力。

• 激光表面测速：

  • 问题： 测量距离短，需要保持稳定安装，容易受到车辆振动或表面不平整的影响。

  • 影响： 测量精度下降，数据跳变。

  • 解决建议： 使用稳固的安装支架，进行精确校准。确保车辆被测表面平整且清洁。

• 机器视觉测速：

  • 问题： 光照条件变化（如室内照明开启/关闭、阳光直射）或物体表面纹理不清晰，导致特征点跟踪失败。

  • 影响： 无法获取速度数据或数据不准确。

  • 解决建议： 采用稳定、均匀的补光系统。在车辆上粘贴具有明显特征的标识点，提高算法识别率。使用具备更高图像处理能力的视觉系统，以适应复杂环境。

• 接触式测功机：

  • 问题： 车辆与滚筒之间的打滑。

  • 影响： 测功机测得的滚筒速度高于车辆实际速度。

  • 解决建议： 确保轮胎气压符合标准，滚筒表面有足够的摩擦力，必要时调整车辆固定方式。进行定期校准。

4. 应用案例分享

• 车辆研发与性能测试： 在汽车研发中心，工程师使用雷达测速传感器精确测量新车型在加速、制动和弯道性能测试中的瞬时速度，以评估车辆的动力学表现。 例如， 英国真尚有的多普勒雷达测速传感器，可以精确测量车辆的瞬时速度。

• ADAS系统测试： 在高级驾驶辅助系统（ADAS）的测试场，非接触式测速系统用于实时监测测试车辆和目标物（如假人或气球车）的速度，以验证AEB（自动紧急制动）或ACC（自适应巡航控制）等功能。

• 生产线质量控制： 汽车制造工厂的生产线上，激光表面测速仪被用来精确测量车轮、轮胎等部件在组装过程中的线速度，确保生产质量和效率。

• 智能仓储AGV监控： 在大型智能仓库中，雷达传感器安装在AGV（自动导引车）上或部署在关键路口，实时监测AGV的行驶速度，用于路径规划、防撞和交通管理。

• 赛车性能调校： 赛车团队利用高精度非接触式测速设备，在赛道上实时获取赛车的速度数据，帮助工程师优化车辆设置、评估驾驶员表现。