自动驾驶专题介绍 ———— 激光雷达

介绍

 激光雷达 —— LiDAR(Light Detection And Ranging)，是以发射激光束探测目标的位置速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标发射探测信号（激光束），然后将接收到的从目标反射回来的信号（目标回波）与发射信号进行比较，做适当处理之后，可获得目标的相关信息，从而对障碍物、移动物体进行探测、跟踪和识别。

工作原理

 激光雷达是一种采用激光来进行的测距系统，用于获取数据并产生精确的数字高程模型（DEM - Digital Elevation Model）。从激光本身来看，其具有非常精确的测距能力，测距的精度可以达到厘米级。随着商用GPS和IMU（Inertial Measurement Unit，即惯性测量单元）的快速发展，通过激光雷达从移动平台上获得高精度的数据已经成为现实并被广泛应用。
 激光扫描测量是通过激光扫描器和距离传感器来获取目标的表面形态。激光扫描器的组成部件通常由激光发射器、接收器、时间计数器、微计算机等部分组成。激光脉冲发生器周期的驱动激光二极管发射激光脉冲，然后由接受透镜接收目标表面反射信号，产生接收信号。内部利用稳定的石英时钟对发射和接收时间差进行计算，计算数据经过微计算机对测量资料进行内部微处理，显示或存储、输出距离和角度信息，并与距离传感器获取的数据相匹配，最后经过相应系统软件进行一系列的处理，获取目标表面的三维数据，从而进行各种量算和立体模型的建立。激光雷达通过脉冲激光不断扫描目标物，就可以获取到目标物上所有的目标点数据，使用这些数据进行图像处理之后，可以得到一个精确的三维立体模型。

特点

 优点如下：
  1. 分辨率高，精度高；
  2. 抗有源干扰能力强；
  3. 获取的信息量丰富。

 缺点如下：
  1. 雨雪、雾霾等恶劣天气精度下降；
  2. 激光雷达难以分辨交通标识的含义和红绿灯颜色；
  3. 接受的是光信号，容易受到太阳光、其他车辆的激光雷达等光线影响；
  4. 现阶段成本过高。

应用

 在将来，以激光雷达为代表的高新技术会在多等级三维空间目标的实时获取方面产生重要突破。与其他雷达系统相比，激光雷达有责探测范围更广、探测精度更高的优势。激光雷达在自动驾驶中有两个核心功能：三维环境感知和SLAM加强定位。在三维感知方面，激光雷达通过激光扫描可以得到汽车周围环境的三维模型，加以算法的加持，可以通过比对上下帧的环境变化较为容易的探测出周围的障碍物，并进行检测、分类和跟踪。在SLAM加强定位方面，激光雷达可以通过扫描得到的点云数据实现同步创建地图信息。另外，激光雷达有着稳定，受光照影响小的优势，这就形成了定位和地图创建的精度高。
 在加强定位的过程中，一方面通过GPS得到初始位置，再通过IMU和车辆编码器配合得到车辆的初始位置；另一方面，将激光雷达的点云数据进行特征提取，结合车辆初始位置进行空间变化，获取基于全局坐标系下的适量特征。最后将初始位置信息、激光雷达提取的特征跟高精度地图的特征信息进行匹配，从而获取一个准确的定位。

分类

 1. 机械激光雷达 —— 机械激光雷达使用机械部件旋转来改变发射角度，这样导致体积过大，加工困难，且长时间使用电机损耗较大。但由于机械激光雷达是最早开始研发的，所以现在成本较低，大多数无人驾驶公司使用的都是机械激光雷达。
 2. MEMS激光雷达 —— MEMS全称Micro-Electro-Mechanical System，是将原本激光雷达的机械结构通过微电子技术集成到硅基芯片上。本质上而言MEMS激光雷达是一种混合固态激光雷达，并没有做到完全取消机械结构。主要原理为：通过MEMS把机械结构集成到体积较小的硅基芯片上，并且内部有可旋转的MEMS微振镜，通过微振镜改变单个发射器的发射角度，从而达到不用旋转外部结构就能扫描的效果。
 3. 相控阵激光雷达 —— 光学相控阵原理类似干涉，通过改变发射阵列中每个单元的相位差，合成特定方向的光束。经过这样的控制，光束便可对不同方向进行扫描。雷达精度可以做到毫米级，且顺应了未来激光雷达固态化、小型化以及低成本化的趋势，但难点在于如何把单位时间内测量的点云数据提高以及投入成本巨大等问题。
 4. FLASH激光雷达 —— FLASH激光雷达原理非常简单：在短时间内发射出一大片覆盖探测区域的激光，再以高度灵敏的接收器，来完成对环境周围图像的绘制。

性能参数

 1. 波长 —— 主流是905nm和1550 nm。1550nm波长LiDAR传感器可以以更高的功率运行，以提高探测范围，同时对于雨雾的穿透力更强。905nm的主要优点是硅在该波长处吸收光子。
 2. 探测距离 —— 激光雷达的测距与目标的反射率相关。目标的反射率越高则测量的距离越远，目标的反射率越低则测量的距离越近。
 3. 视场角 —— 激光雷达的视场角有水平视场角和垂直视场角。如果是机械旋转激光雷达，则其水平视场角为360度。
 4. 角分辨率 —— 一个是垂直分辨率，另一个是水平分辨率。水平分辨率一般可以做到0.01度级别。垂直分辨率一般可以做到0.1~1度级别。
 5. 出点数 —— 每秒激光雷达发射的激光点数。激光雷达的点数一般从几万点至几十万点每秒左右。
 6. 线束 —— 多线激光雷达，就是通过多个激光发射器在垂直方向上的分布，通过电机的旋转形成多条线束的扫描。多少线的激光雷达合适，主要是说多少线的激光雷达扫出来的物体能够适合算法的需求。

厂家

 在算力还无法完全弥补硬件感知缺陷的情况下，激光雷达的各项能力在高级别自动驾驶中具备无法替代的优势。激光雷达可以说是目前精度最高的传感器，精度达到毫米波雷达的 10 倍，且相比摄像头受到的环境干扰更小，还可以精准地得到外界的环境信息并进行 3D 建模，可以满足在高级别自动驾驶对信息精度的要求。鉴于当前的实际情况，各个主车厂采用以激光雷达为主导的多传感器融合方案收集海量信息，是目前提高汽车感知精度和可信度 的主流方案。高级别智能车落地加速激光雷达上车。
  1. 禾赛科技：首次亮相已获全球数百万台定点的车规级半固态激光雷 达 AT128，将于 22H2 交付，并发布将于 23Q1 交付的全新近距超广角 激光雷达 QT128，可应用于 L4 级 robotaxi 和 robotruck。
  2. 法雷奥：推出第三代扫描激光雷达，由微转镜方案转为 MEMS，可 检测 200 米开外肉眼、摄像头和雷达所看不到的物体，预计 2024 年投 放市场。目前法雷奥激光雷达出货已达 16 万只。
  3. 速腾聚创：第二代智能固态激光雷达 RS-LiDAR-M1 完成车规级量 产，获得比亚迪、广汽埃安、威马汽车、极氪等众多知名车企的定点订 单，并推出全新款 128 线机械式激光雷达 RS-Ruby Plus。
  4. Innovusion ：推出图像级超远距激光雷达猎鹰（Falcon），探测距 离最远可达 500 米，将首搭于蔚来 ET7，于 22Q1 交付。
  5. Luminar：宣布与沃尔沃深度合作，其 Iris 激光雷达将搭载于沃尔 沃一款纯电概念车上。