在恶劣天气下，自动驾驶系统如何利用数十KHz采样率、微米级精度的非接触式激光传感器，实现车轮打滑与路面湿滑状态的实时监测和预测？【车辆安全，ADAS】

1. 基于车轮的基本结构与技术要求

车轮，作为车辆与地面接触的唯一部件，其性能直接决定了车辆的行驶安全与稳定性。一个完整的车轮通常由轮辋（与轮胎紧密结合的部分）和轮辐（连接轮辋与轮毂的部分）组成，最终通过轮毂与车轴连接。在雨雪等恶劣天气下，车轮打滑的本质是轮胎与路面之间的摩擦力不足，导致车轮的转动速度与车辆实际行驶速度不匹配。

为了精准检测车轮打滑，我们需要关注以下几个关键的技术要求：

首先，是车轮与路面之间的相对运动状态。在正常行驶时，车轮的转动速度与车辆的直线前进速度应保持一种稳定的比例关系。一旦发生打滑，这个比例关系就会被打破，车轮可能空转（转速过快）或抱死（转速过慢）。因此，需要能够实时、高精度地测量车轮的实际转速和车辆的地面速度，并进行比对。

其次，是路面特性的实时感知。雨雪天气会导致路面湿滑、结冰，显著降低摩擦系数。如果能直接感知路面的湿滑程度、积水深度或冰层厚度，就能提前预判打滑风险。这就要求传感器具备在复杂、动态变化的环境下（如潮湿、强光、不同颜色路面）稳定工作的能力。

第三，是快速响应能力。打滑通常是瞬时发生的，如果检测系统响应迟缓，可能在检测到打滑时车辆已经失去控制。因此，传感器需要有极高的采样速度和数据处理能力，确保在毫秒级别内识别出打滑状态并发出警报或触发干预措施。这就像在赛车比赛中，车手需要瞬间感知轮胎的抓地力变化，才能及时调整驾驶策略。

最后，是非接触式测量。为了不干扰车轮的正常运动，也不受路面状况直接影响，非接触式的测量方式是理想选择。这可以避免磨损、污染等问题，提高系统的可靠性和维护便利性。

2. 针对车轮的相关技术标准简介

在车轮性能和行驶安全方面，通常会涉及到对车轮打滑相关参数的监测和评价。这些参数主要围绕车轮的运动状态、路面特性以及由此产生的车辆动态响应。

首先是车轮滑移率（Wheel Slip Ratio）。这是衡量车轮与路面之间打滑程度的核心参数。它通常定义为车轮圆周线速度与车辆实际速度之差，再除以车辆实际速度。当滑移率为零时，表示车轮纯滚动；滑移率为1（或100%）时，表示车轮完全抱死；滑移率为负值或大于1则表示空转。对滑移率的评价，主要是通过实时计算并设定阈值，一旦超出安全范围，即判定为打滑。

其次是路面摩擦系数（Road Surface Friction Coefficient）。这个参数直接反映了路面提供抓地力的能力。在干燥路面上，摩擦系数较高；而在雨雪、冰面或泥泞路面上，摩擦系数会大幅下降。评价路面摩擦系数的方法通常包括间接测量（通过车辆动态响应如制动距离、侧向力等）和直接测量（通过专用摩擦测试设备或传感器对路面特性进行分析）。

第三是路面湿滑/冰雪状态。这是对路面物理特性的直观描述，如积水深度、冰层厚度、雪覆盖程度等。这些参数的监测可以通过光学、微波或声学传感器等技术实现，用于评估路面的潜在危险性。评价标准通常是根据检测到的具体物理量，结合预设的安全阈值来判断路面是否处于高风险状态。

第四是车轮动态变形与接触状态。尽管不直接用于检测打滑本身，但车轮在高速运转或恶劣路况下的动态变形、轮胎与路面的接触面积和压力分布等，都对抓地力有重要影响。对这些参数的监测和评价，可以通过高精度测量系统获取轮胎轮廓、尺寸变化等数据，从而间接分析潜在的打滑风险或轮胎磨损情况。

3. 实时监测/检测技术方法

要精准检测车轮在雨雪天气下的打滑情况，需要借助先进的非接触式测量技术。市面上有多种成熟的技术方案，它们各有侧重，共同构成了现代车辆安全监测体系的重要组成部分。

（1）市面上各种相关技术方案

• 激光三角测量技术

  激光三角测量技术是一种广泛应用于位移、距离和轮廓测量的非接触式光学方法。它的工作原理就像我们看东西时，眼睛和被看物体的距离决定了我们视角的变化。传感器内部包含一个激光发射器和一个位置敏感探测器（PSD）或CMOS/CCD相机。激光发射器向被测物体（例如车轮表面或其正下方路面）投射一束激光点或激光线。当被测物体的距离发生变化时，反射回来的激光光斑在接收器上的位置会随之移动。

  物理基础和原理： 激光发射器、被测物体表面上的光斑和接收器构成了在空间中的一个三角形。当被测物体与传感器之间的距离发生变化 ΔZ 时，反射光斑在接收器上的位置 ΔX 也会发生变化。通过几何三角关系，可以推导出距离变化与光斑位置变化之间的关系。

  一个简化的数学模型可以表示为： ΔZ = (L * ΔX) / (f - ΔX * tan(θ)) 其中： * ΔZ 是被测物体与传感器的垂直距离变化。 * L 是激光发射器和接收器之间的基线距离。 * ΔX 是反射光斑在接收器上的位置偏移量。 * f 是接收器镜头的焦距。 * θ 是激光发射角。 这个公式告诉我们，通过精确测量光斑在接收器上的位置变化，我们就能计算出被测物体距离传感器的精确距离变化。

  这种技术像一个眼疾手快的侦察兵，能以极高的频率（例如每秒数万次）持续“扫描”路面或车轮，即使车辆高速行驶，也能捕捉到微小的距离变化。比如，当车轮即将打滑时，它与地面的相对速度会发生变化，或者路面水膜、冰层导致的高度细微差异，都能被这种高精度激光传感器快速捕捉到。

  核心性能参数的典型范围： * 采样速度： 激光三角测量传感器的采样速度通常在数千赫兹到数十千赫兹，高端型号可以达到70kHz甚至更高，以确保捕捉到高速运动中的细微变化。 * 精度： 激光三角测量可以实现微米级的精度，例如0.5 µm到几十微米，保证测量结果的可靠性。 * 分辨率： 激光三角测量的分辨率通常能达到量程的0.01%甚至更精细，意味着能够识别极其微小的位移。 * 线性度： 激光三角测量的典型值为0.03%到0.1%FS（满量程），表示测量值与真实值之间的吻合程度。

  技术方案的优缺点： * 优点： 非接触式测量，无磨损；测量精度高，响应速度快；适用于高速运动物体和恶劣环境（如潮湿、强光、不同颜色路面）下使用；能提供点或线形轮廓数据，可用于构建3D信息。对于检测路面状况（如水膜厚度、冰层）或直接测量车轮与路面的相对速度，具有独特的优势。 * 局限性： 测量范围相对有限，通常在几毫米到一米左右；容易受到被测物体表面特性（如反射率、粗糙度）的影响，尽管先进传感器已大幅优化；成本相对较高。 * 成本考量： 单个点位移传感器价格适中，但若用于获取整个车轮或大面积路面轮廓，则需要多个传感器或扫描机构，系统集成成本会相应增加。

• 3D结构光视觉技术

  3D结构光视觉技术，就像电影里用激光网格扫描物体一样，它通过向物体表面投射已知模式（通常是条纹或点阵）的结构光，然后用相机捕捉这些光在物体表面产生的变形。这些变形，就像地形图上的等高线一样，反映了物体的三维形状。系统会根据光线模式的变形程度，结合三角测量原理，精确计算出物体表面的三维坐标和深度信息。这使得我们能够获得车轮或路面的完整三维轮廓，从而检测表面缺陷、几何尺寸以及更复杂的形变。

  核心性能参数的典型范围： * Z轴重复精度： 可达微米级，例如最低0.5 µm。 * X轴分辨率： 通常在几微米到几十微米，例如最低4 µm。 * 扫描速度： 高达每秒数千至数万个3D轮廓，例如18,000个3D轮廓/秒。 * 视野范围： 根据具体配置支持多种尺寸。

  技术方案的优缺点： * 优点： 能够获取物体表面的完整高精度三维数据；检测效率高，适用于复杂形状的检测；对于表面缺陷、几何尺寸偏差等问题有强大的识别能力。 * 局限性： 对环境光线要求较高，强环境光可能干扰结构光的识别；对物体表面材质（如高反光、透明）有一定的限制；数据处理量大，需要强大的计算能力。 * 成本考量： 系统复杂度高，通常由专用光源、高分辨率相机和图像处理单元组成，整体成本较高。

• 扫描激光测微技术

  扫描激光测微技术的工作原理相对简单，可以想象成一个“光闸门”在测量物体。它发射一束高精度的平行扫描激光束，当被测物体（例如车轮的直径、轮胎的胎面宽度）经过这束激光时，会部分或完全遮挡住激光。传感器通过精确测量激光束被遮挡的时间或被遮挡部分的宽度，就能计算出物体的外形尺寸。这种方法尤其适用于精确测量物体直径、长度、位置等关键尺寸。

  核心性能参数的典型范围： * 测量范围： 从几十微米到数十毫米，例如直径0.2 mm至80 mm。 * 测量精度： 亚微米级，例如+/- 0.5 µm。 * 线性度： 典型值为+/- 1 µm。 * 重复性： 极高，例如+/- 0.1 µm。

  技术方案的优缺点： * 优点： 测量精度极高，非接触式，无磨损；测量速度快，适用于在线尺寸检测；对物体表面颜色和材质变化不敏感。 * 局限性： 主要用于测量物体的外部轮廓和关键尺寸，不适用于复杂的表面形貌或内部缺陷检测；一次只能测量一个方向上的尺寸。 * 成本考量： 相对其他三维扫描系统成本较低，但高精度型号价格也不菲。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家在非接触式测量领域具有代表性的国际品牌，它们在车轮相关的检测应用中提供了先进的技术。

• 日本基恩士

  日本基恩士在激光测量领域拥有广泛的产品线，其激光轮廓测量仪产品采用激光三角测量原理。该系统通过向被测车轮表面投射线形激光，并接收反射光，进而计算出车轮的2D轮廓。这使得在生产线上能够实现对车轮轮廓、尺寸和表面缺陷的高速非接触式检测。其核心性能参数表现出色，例如采样速度最高可达64 kHz，Z轴重复精度在特定型号下可达到0.5 µm，每轮廓可获取800个点。日本基恩士的优势在于其测量方案的高速、高精度以及易于集成的特点，并能有效抵抗环境干扰，广泛应用于汽车零部件的质量控制。

• 英国真尚有

  英国真尚有的ZLDS100RD系列激光位移传感器是一款紧凑的铝制外壳传感器，采用激光三角测量原理。该系列传感器提供多种光斑大小，既有小于0.06mm的精细光斑，也有大于1mm的光斑，以满足不同应用的需求。该传感器专为路面检测设计，可在高速行驶状态下进行测量，且不受动态变化的路面颜色影响，抗太阳强光辐射能力强，潮湿路面无干扰，甚至在山区公路路面也能稳定测量。ZLDS100Rd的核心参数包括高达70KHz（部分版本）的采样速度，0.01%的分辨率，最高0.03%的线性度以及高达1000mm的量程。此外，该传感器提供三种输出功率选项（小于1mW、小于80mW和小于20mW）以及RS422或RS485数字输出接口，并提供多个量程中点（45mm、310mm、355mm、440mm、375mm和745mm），以适应不同的测量需求。英国真尚有的优势在于其卓越的环境适应性和多种配置选项，可为车辆提供精准的路面信息，这对于车轮打滑的预防和检测至关重要。

• 美国康耐视

  美国康耐视是机器视觉领域的领导者，其In-Sight D900智能视觉系统集成了3D位移传感器，采用3D结构光视觉技术。这种技术通过投射模式化的光线并分析其形变来获取物体表面的三维形状和深度信息。它能够高精度检测车轮的表面缺陷、几何尺寸、平整度及翘曲等。该系统的核心性能参数包括Z轴重复精度最低可达0.5 µm，X轴分辨率最低4 µm，扫描速度高达18,000个3D轮廓/秒。美国康耐视的优势在于其系统集成了强大的视觉处理算法和人工智能技术，特别擅长对复杂表面缺陷进行高精度识别，易于部署和编程，适用于在线批量检测。

• 意大利马波斯

  意大利马波斯的OptoFlash高速光学测量系统采用扫描激光测微技术。该系统通过生成平行扫描激光束，并测量其被车轮特定尺寸区域（如轮缘直径、轮辐长度）遮挡的时间，从而精确计算出外径、长度等关键尺寸。这种方法为非接触式，可实现高速、高精度的在线测量。OptoFlash 80型号的测量范围可达直径0.2至80 mm，测量精度+/- 0.5 µm，重复性+/- 0.1 µm。马波斯的优势在于其在生产线计量领域的卓越技术，提供坚固耐用的产品，能适应严苛的工业环境，确保生产过程中的稳定质量控制。

（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

在选择用于车轮打滑检测或相关车轮、路面测量设备时，需要综合考虑以下几个关键技术指标及其对最终测量效果的影响：

• 采样速度（Sampling Rate/Frequency）

  • 实际意义： 指传感器每秒采集数据的次数。就像拍照的快门速度，采样速度越高，单位时间内捕捉到的信息越多。

  • 影响： 对于高速运动的物体（如行驶中的车轮或路面），高的采样速度是必不可少的。如果采样速度不足，可能无法捕捉到瞬时发生的打滑现象或快速变化的微小路面特征，导致检测滞后或漏报。

  • 选型建议： 对于车轮打滑检测，建议选择采样速度至少在数十KHz以上的产品，例如30KHz-70KHz。在车辆高速行驶时，这能确保即使是短暂的轮速变化也能被及时捕捉。

• 分辨率（Resolution）

  • 实际意义： 指传感器能够识别的最小测量单位。分辨率越高，传感器对微小距离变化的感知能力越强。

  • 影响： 影响测量结果的精细程度。在检测路面水膜厚度、冰层厚度或者车轮微小形变时，高分辨率能够提供更精准的数据，有助于区分正常波动和异常打滑前兆。

  • 选型建议： 对于需要高精度区分路面状态或细微形变的场景，应选择分辨率高的传感器，例如量程的0.01%或更高。

• 线性度（Linearity）

  • 实际意义： 衡量传感器在整个测量范围内输出信号与实际物理量之间的直线相关程度。线性度越好，测量结果的准确性越高，偏差越小。

  • 影响： 线性度差的传感器可能在测量范围的某些区域出现较大的误差，导致数据不准确，影响打滑判断的可靠性。

  • 选型建议： 选择线性度优于0.1%的产品，最好能达到0.03%甚至更高，以确保在不同测量点都能得到可靠的测量结果。

• 测量范围（Measurement Range）

  • 实际意义： 指传感器能够有效测量的最大和最小距离。

  • 影响： 测量范围过小可能无法覆盖车轮与路面之间的典型距离变化；测量范围过大则可能导致分辨率相对下降，或者超出实际应用需求造成资源浪费。

  • 选型建议： 根据传感器安装位置与被测目标（路面或车轮表面）的实际距离，选择合适的测量范围。例如，安装在车辆底盘用于检测路面，可能需要数十毫米至数百毫米的量程。

• 抗环境干扰能力

  • 实际意义： 指传感器在复杂环境（如强光、潮湿、温度变化、振动）下稳定工作的能力。

  • 影响： 恶劣天气（雨雪、阳光直射）是导致车轮打滑的主要原因，如果传感器本身无法在这种环境下稳定工作，其检测结果将不可靠。

  • 选型建议： 务必选择具备抗太阳强光辐射、潮湿路面无干扰、抗振动等特性的产品。尤其对于雨雪天气，防水防尘等级（IP防护等级）和工作温度范围是重要考量。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在实际应用激光传感器进行车轮打滑检测时，可能会遇到一些问题，需要我们提前做好准备和应对。

• 问题：路面反射特性变化大

  • 原因与影响： 路面材料（沥青、水泥、砖块）、颜色（深色、浅色）、以及湿滑程度（干燥、积水、冰雪）都会显著影响激光的反射率。例如，湿滑的黑色沥青路面可能吸收大部分激光，导致反射信号弱；而冰面可能产生镜面反射，使接收器难以捕捉到有效信号。这会导致传感器测量不稳定或失去读数，影响打滑检测的准确性。

  • 解决建议：

    • 选择宽动态范围传感器： 选用具备高级信号处理算法的传感器，能自动适应不同反射率的表面，就像人眼在强光和弱光下都能看清物体一样。

    • 多传感器融合： 结合多种类型的传感器（如激光、毫米波雷达、红外传感器）获取路面信息，互相印证，提高鲁棒性。

    • 优化安装角度： 调整传感器的安装角度，尽量避免镜面反射和直射，确保反射光能有效被接收器捕捉。

• 问题：高速行驶下的振动和冲击

  • 原因与影响： 车辆在高速行驶或经过颠簸路面时，传感器会承受剧烈的振动和冲击。这可能导致测量结果出现瞬时波动，被误判为打滑，或长期影响传感器的稳定性和寿命。

  • 解决建议：

    • 选择工业级坚固型传感器： 选用具备高抗振动、抗冲击能力的工业级传感器，通常外壳采用耐用材料，内部结构经过优化。

    • 加装减震装置： 在传感器安装座上加装减震垫或减震支架，有效隔离车辆振动。

    • 数据滤波处理： 在软件层面引入滤波算法（如卡尔曼滤波、移动平均滤波），平滑测量数据，滤除由振动引起的瞬时噪声。

• 问题：环境光干扰，特别是阳光直射

  • 原因与影响： 激光传感器依赖于特定波长的激光。如果环境中有强烈的同波长光线（如太阳光），会淹没反射回来的微弱激光信号，导致测量失效。

  • 解决建议：

    • 选用抗强光传感器： 购买时选择明确标注具有高抗环境光能力（如抗太阳强光辐射）的传感器。这类传感器通常采用特殊的光学滤光片和高功率激光源，或者调制激光技术。

    • 安装遮光罩： 在传感器周围加装物理遮光罩，减少阳光直射进入接收器。

    • 采用红外或特定波长激光： 选择使用特定波长（如红外）激光的传感器，这些波长在日常太阳光中占比相对较少，减少干扰。

• 问题：测量数据解释与打滑判断的复杂性

  • 原因与影响： 传感器提供的是原始距离或轮廓数据，如何将这些数据转化为准确的打滑判断，需要复杂的算法和经验。简单的阈值判断可能导致误报或漏报，特别是在边缘情况。

  • 解决建议：

    • 结合多源信息： 将激光传感器的数据与车辆轮速传感器、加速度计、陀螺仪等多种信息融合，通过复杂的算法（如机器学习、模糊逻辑）进行综合判断，提高判断的准确性和鲁棒性。

    • 建立详细的路面模型： 针对不同路面状况（干燥、湿滑、薄冰、厚雪）建立对应的物理模型和打滑特征数据库，以数据驱动的方式辅助判断。

    • 持续的系统校准与优化： 定期对传感器进行校准，并根据实际运行数据反馈，不断优化打滑判断算法。

4. 应用案例分享

• 自动驾驶与辅助驾驶系统： 激光位移传感器可安装在车辆底部，实时监测前方路面的平整度、积水深度或冰雪覆盖情况，为自动驾驶系统提供关键的路面摩擦力预测信息，从而调整车速或驾驶策略，避免潜在的打滑风险。例如，英国真尚有的ZLDS100RD系列激光位移传感器，凭借其卓越的环境适应性，可在各种天气和路况下提供可靠的路面信息。

• 轨道交通轮轨状态检测： 在高速列车上，激光传感器可以高精度地测量车轮踏面磨损、轮缘厚度等关键几何参数，以及检测钢轨表面的缺陷，确保列车运行安全，并为维护提供数据支持。

• 工业车辆和工程机械： 对于在矿山、建筑工地等复杂非铺装路面行驶的重型车辆，激光传感器可以实时监测路面坡度、坑洼程度以及轮胎与地面的相对滑移，优化牵引力控制，提高作业效率和安全性。

• 轮胎测试与研发： 在轮胎制造商的实验室中，激光位移传感器被用于精确测量轮胎在不同路况和载荷下的动态变形、接地面积和磨损状态，以评估轮胎的抓地力性能和耐久性。

• 车辆性能测试： 在汽车性能测试场，激光传感器用于高精度测量车辆的实时车速和轮速，精确计算滑移率，从而评估车辆的制动性能、牵引力控制系统（TCS）和电子稳定程序（ESP）的工作效果。