激光雷達(dá)在無人汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

山西省大同市第一中學(xué)校 李玖澤

1.引言

民用無人駕駛汽車受到現(xiàn)代社會(huì)自動(dòng)化研究的飛速發(fā)展的影響，也受到了技術(shù)上的支持。無人駕駛汽車的研發(fā)也受到了很多企業(yè)或科研機(jī)構(gòu)的青睞。

激光雷達(dá)技術(shù)誕生在傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)和現(xiàn)代激光技術(shù)相結(jié)合的現(xiàn)代社會(huì)，是一種先進(jìn)的光學(xué)遙感技術(shù)。激光雷達(dá)的信息利用振幅和相位等作為載體?？梢暂p松地實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)速并實(shí)現(xiàn)三維位置定位，具有極大的測(cè)速范圍和超強(qiáng)的抗干擾能力。本文具體說明了激光雷達(dá)技術(shù)在無人汽車領(lǐng)域的應(yīng)用原理和優(yōu)勢(shì)，并分析了現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用實(shí)例[1]。

2.激光雷達(dá)的基本原理

2.1 物理原理

激光雷達(dá)作為現(xiàn)代的先進(jìn)遙感技術(shù)，是利用對(duì)障礙物的反射的光的探測(cè)來得到目標(biāo)物體的位置信息。現(xiàn)在，超短脈沖激光技術(shù)和高靈敏度的信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)在不斷地進(jìn)步之中，使得激光雷達(dá)測(cè)量精度和空間分辨率更加高，探測(cè)的范圍也越來越大。激光雷達(dá)工作時(shí)，會(huì)先由發(fā)射機(jī)發(fā)射一束激光束，激光束到達(dá)障礙物表面后，便由接收裝置對(duì)反射的回波進(jìn)行處理，，提取其中有用的信息。將回波信號(hào)的時(shí)間隔、頻率變化等上傳至計(jì)算機(jī)將進(jìn)行分析，便可以準(zhǔn)確計(jì)算目標(biāo)物體有效的信息，最后與激光器本身的位置以及發(fā)射激光束的方向相結(jié)合，便可以人工構(gòu)建障礙物的位置及形狀等信息[2]。

2.2 系統(tǒng)組成

激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)分為硬件部分和軟件部分。其中，三維激光掃描器、速度傳感器等裝置屬于硬件系統(tǒng)。軟件則側(cè)重結(jié)果性的輸出形式，負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的收集、信號(hào)的分析以及三維立體坐標(biāo)的確定等方面。此外，還可以細(xì)分不同的軟件模塊，工程管理、數(shù)據(jù)采集、三維顯示等分別對(duì)應(yīng)不同的實(shí)際領(lǐng)域。其中，負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)先處理和計(jì)算的數(shù)據(jù)處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。

激光雷達(dá)工作時(shí)先采集數(shù)據(jù)，并將所得的初始數(shù)據(jù)保存與計(jì)算機(jī)中，并雷達(dá)與計(jì)算機(jī)的聯(lián)系暢通。三維現(xiàn)實(shí)模塊就是為用戶提供掃描信息，模型的建立和數(shù)據(jù)的分析都屬于此模塊。輸出模塊是最終的成果，可以將包含測(cè)量物體的體積、變化量、報(bào)表的輸出和生成等信息以報(bào)表的形式呈遞給用戶[3]。

3.汽車用激光雷達(dá)

3.1 測(cè)距方式

激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的探測(cè)，只需分析反射光即可完成。有單線激光雷達(dá)和多線激光雷達(dá)兩種形式，多線雷達(dá)在單線激光雷達(dá)的二維測(cè)量基礎(chǔ)上增加了一定角度的俯仰能力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三維立體空間的掃描。在無人駕駛汽車上面，結(jié)合兩種激光雷達(dá)是通常使用的辦法，以此來準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)障礙物的探測(cè)和完成保證汽車安全通過預(yù)定行程的功能[4]。

3.2 測(cè)距方式分類

（1）如果按照成像方式分類，可分為掃描成像雷達(dá)和非掃描成像雷達(dá)兩種。將激光雷達(dá)和二維光學(xué)掃描鏡結(jié)合起來，便構(gòu)成了成像式激光雷達(dá)。成像式激光雷達(dá)對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行逐點(diǎn)掃描測(cè)量，借此來獲取目標(biāo)障礙物的位置信息。非掃描成像雷達(dá)則是先由分束器系統(tǒng)發(fā)出不同方向的光射向待測(cè)區(qū)域。被測(cè)物體表面散射的光被二維成像器接收，便可以通過對(duì)信息的分析構(gòu)建立體位置圖像。

（2）根據(jù)所發(fā)射光束數(shù)量來分類，則分為單線激光雷達(dá)和多線激光雷達(dá)。單線激光雷達(dá)工作時(shí)用一條激光束掃描一個(gè)區(qū)域，便可以計(jì)算障礙物與發(fā)射器的相對(duì)位置，多線激光雷達(dá)是指同時(shí)發(fā)射兩條或兩條以上的激光束為探測(cè)光的激光雷達(dá)，關(guān)鍵的旋轉(zhuǎn)掃描電機(jī)最多可以同時(shí)發(fā)射64條激光束，掃描結(jié)果返回處理器中，處理器建立立體幾何模型。在實(shí)際運(yùn)用之中，多個(gè)激光器協(xié)調(diào)工作，并且每一個(gè)激光器都有一組單獨(dú)數(shù)據(jù)來協(xié)助建立三維模型[5]。

3.3 激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)

（1）高清晰度，高測(cè)量精度：激光雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量精度可以小于2厘米，角度分辨率可以達(dá)到約0.09度，在如此高的辨析度條件下，完整的測(cè)量周圍環(huán)境將被清晰完整地描繪出來。

（2）激光雷達(dá)抗干擾能力特別強(qiáng)，且基本不會(huì)受到其他紅外線雷達(dá)光束干擾。它發(fā)出的紅外線波并不會(huì)受到一般電磁波的影響，綜上所述，可以干擾激光雷達(dá)的并不多，正與現(xiàn)如今高度自動(dòng)化的新型系統(tǒng)理念相符。

（3）探測(cè)能力強(qiáng)，只會(huì)受到照射目標(biāo)表面反射的光，且基本不會(huì)收到干擾。環(huán)境地形的三維位置甚至障礙物材質(zhì)都可以被完整反饋回來。所以激光掃描儀反射回來的信號(hào)精確度極高

（4）測(cè)速范圍大，相對(duì)速度高達(dá)200公里每小時(shí)的障礙物都可以被激光雷達(dá)成功掃描，因此，在無人駕駛汽車系統(tǒng)中，激光掃描儀不僅運(yùn)用于市區(qū)低速環(huán)境之下，也可以被應(yīng)用很高的相對(duì)速度之下，因此在高速移動(dòng)中可以大大提高無人駕駛汽車的安全性[6]。

4.應(yīng)用分析

4.1 應(yīng)用案例

國內(nèi)外很多公司都已經(jīng)投入的對(duì)激光雷達(dá)的研究:由福特和百度投資的Velodyne致力于將激光雷達(dá)運(yùn)用于無人車領(lǐng)域，而美國的Quanergy公司與谷歌、福特、奧迪等多方無人車研發(fā)公司合作，以色列的Innoviz公司有希望在2017年將激光雷達(dá)成本壓縮在250美元每臺(tái)，擁有獨(dú)特的算法的加拿大LeddarTech公司，可以大大提高激光雷達(dá)在惡劣環(huán)境下的性能，美國的TrlLumine的激光器產(chǎn)品價(jià)格低，傳輸速度快。在國內(nèi)也涌現(xiàn)了一批出色的激光雷達(dá)無人車公司，出色的有深圳的鐳神智能、大族激光、速騰聚創(chuàng)，北京的北醒光子、速感科技、北科天繪，上海的禾賽科技，思嵐科技等。

其中，最具有代表性的是谷歌車用激光雷達(dá)。谷歌車上設(shè)置了5種車外傳感器，其中兩種雷達(dá)是把握周邊環(huán)境的重要傳感器，一種是讀取周邊環(huán)境三維結(jié)構(gòu)的激光雷達(dá)。谷歌車上的激光雷達(dá)，樣子就像特種車輛上的旋轉(zhuǎn)射燈一樣，可以360°不停轉(zhuǎn)動(dòng)，所以可以瞬時(shí)讀取周圍3D空間的狀況，并將其數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。它的工作原理是飛行時(shí)間方式。飛行時(shí)間工作方式，就是在用傳感器測(cè)定距離方向上照射激光，通過計(jì)算激光遇到障礙物后返回的時(shí)間，便可以測(cè)定探測(cè)器至障礙物的距離。Velodyne公司為谷歌制作的車載激光雷達(dá)，可以將附近120米之內(nèi)的距離3D數(shù)據(jù)化，測(cè)定誤差小于5 cm[7]。

4.2 應(yīng)用前景

在無人車領(lǐng)域的大量需求之下，推動(dòng)著激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展提到了一個(gè)全新的高度，變得越來越精準(zhǔn)。車載激光雷達(dá)體積小、質(zhì)量輕、激光波長(zhǎng)，這便是未來發(fā)展的主要趨勢(shì)，激光雷達(dá)目前被公認(rèn)為最有潛力的目標(biāo)探測(cè)技術(shù)。

5.結(jié)論

激光雷達(dá)應(yīng)用于汽車感知時(shí)，具有測(cè)量精度高、響應(yīng)時(shí)間短、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。無人駕駛汽車領(lǐng)域運(yùn)用的激光雷達(dá)技術(shù)被普遍看好。在科技發(fā)展的基礎(chǔ)下，激光雷達(dá)的性能也越來越好，成本不斷降低，無人駕駛汽車領(lǐng)域的運(yùn)用也一定會(huì)越來越廣泛。

[1]辛煜,梁華為,梅濤,黃如林,杜明博,王智靈,陳佳佳,趙盼.基于激光傳感器的無人駕駛汽車動(dòng)態(tài)障礙物檢測(cè)及表示方法[J].機(jī)器人,2014,36(06):654-661.

[2]黃武陵.激光雷達(dá)在無人駕駛環(huán)境感知中的應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2016,16(10):3-7.

[3]趙一鳴,李艷華,商雅楠,李靜,于勇,李涼海.激光雷達(dá)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J].遙測(cè)遙控,2014,35(05):4-22.

[4]端木慶玲,阮界望,馬鈞.無人駕駛汽車的先進(jìn)技術(shù)與發(fā)展[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2014,52(03):30-33.

[5]姜海嬌,來建成,王春勇,李振華.激光雷達(dá)的測(cè)距特性及其測(cè)距精度研究[J].中國激光,2011,38(05):234-240.

[6]華燈鑫,宋小全.先進(jìn)激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J].紅外與激光工程,2008,37(S3):21-27.

[7]喬維高,徐學(xué)進(jìn).無人駕駛汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及方向[J].上海汽車,2007,(07):40-43.