無(wú)人駕駛汽車(chē)的眼睛：激光雷達(dá)與機(jī)器視覺(jué)

王亮

【摘 要】 隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，汽車(chē)成為當(dāng)下社會(huì)的重點(diǎn)議題，但是過(guò)量的機(jī)動(dòng)車(chē)導(dǎo)致的城市堵塞和交通事故是人們議論的焦點(diǎn)。智能汽車(chē)被國(guó)內(nèi)外學(xué)者視為解決這一難題最有前景的途徑。其中，用激光雷達(dá)作為識(shí)別系統(tǒng)的傳感器部分，結(jié)合計(jì)算機(jī)來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間重組，獲取實(shí)時(shí)的道路場(chǎng)景的掃描數(shù)據(jù)，來(lái)還原出道路場(chǎng)景的真實(shí)情況。對(duì)于激光雷達(dá)的廣泛應(yīng)用，論文將著重介紹激光雷達(dá)的歷史及應(yīng)用、基本原理以及發(fā)展前景。

【Abstract】With the continuous progress of society and the rapid development of economy， automobiles have become the focus of current social issues， however， the urban congestion and traffic accidents caused by excessive motor vehicles are also the focus of discussion. Intelligent vehicle is regarded as the most promising way to solve this problem by scholars at home and abroad. Among which， the laser radar is used as the sensor part of the recognition system， and combined with the computer， the data is reconstructed in space， and real-time scanning data of road scenes are obtained， so as to restore the real situation of road scenes. In view of the wide application of laser radar， the paper will mainly introduces the history， application， basic principles and development prospect of laser radar.

【關(guān)鍵詞】激光雷達(dá);機(jī)器視覺(jué);無(wú)人駕駛

【Keywords】laser radar; machine vision; unmanned vehicle

【中圖分類(lèi)號(hào)】U463? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2019）01-0140-02

1 引言

美國(guó)高速公路安全管理局將智能汽車(chē)定義為以下五個(gè)層次[1]：完全無(wú)智能化的層次;具有特殊功能的智能化（車(chē)輛通過(guò)警告的方式反饋駕駛者執(zhí)行操作，避免車(chē)禍的發(fā)生）;具有多項(xiàng)功能的智能化;智能化汽車(chē)的第四個(gè)階段是有限制條件下的無(wú)人駕駛;眼下我們能夠看到的最遠(yuǎn)的那個(gè)階段，全工況下的無(wú)人駕駛。 在汽車(chē)智能化的各個(gè)階段，車(chē)輛的智能化視覺(jué)系統(tǒng)都是最為重要的環(huán)節(jié)。感知系統(tǒng)分為主動(dòng)系統(tǒng)（主動(dòng)系統(tǒng)：通過(guò)接受自己發(fā)出信號(hào)經(jīng)反射得到反饋信號(hào)，探測(cè)目標(biāo)體）和被動(dòng)系統(tǒng)（接受自然發(fā)出的信號(hào)）兩種[2]，兩種系統(tǒng)各有利弊，將兩種系統(tǒng)充分融合才能最大程度上提升性能。

LiDAR（Light Detection and Ranging）是激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，也稱(chēng)Laser Radar[3]或LADAR（Laser Detection and Ranging）[4]。通過(guò)光在空氣中的傳播時(shí)間來(lái)丈量發(fā)射器到目標(biāo)障礙物的距離。此外，我們利用目標(biāo)物表面材質(zhì)不同的特性，以此通過(guò)光在表面反射強(qiáng)度的不同來(lái)檢測(cè)環(huán)境及氣候變化。按照探測(cè)的原理、探測(cè)方法不同可以分為米散射、瑞利散射、多普勒、熒光、布里淵散射等激光雷達(dá)[5]。

機(jī)器視覺(jué)則是一種綜合性技術(shù)，其在智能汽車(chē)上的關(guān)鍵就是激光探測(cè)技術(shù)（LiDAR）。此外，除了光學(xué)上的技術(shù)，它仍要求圖像處理、機(jī)械工程技術(shù)、控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)和模擬與數(shù)字視頻技術(shù)的結(jié)合。由于將機(jī)器代替人，它擁有更高的靈活性，有著更廣闊的潛在價(jià)值。同時(shí)，在大批量重復(fù)性工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，效率和自動(dòng)化程度也可以通過(guò)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的方法大大的提高。

2 激光雷達(dá)和機(jī)器視覺(jué)的歷史及應(yīng)用

2.1 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)起源于20世紀(jì)60年代初，也就是在20世紀(jì)60年代發(fā)明之后不久。激光，并結(jié)合激光聚焦成像和計(jì)算距離的能力，通過(guò)測(cè)量時(shí)間的信號(hào)返回使用適當(dāng)?shù)膫鞲衅骱蛿?shù)據(jù)采集電子。它的第一次應(yīng)用出現(xiàn)在氣象學(xué)上。國(guó)家大氣研究中心用它來(lái)測(cè)量云彩[6]。一般市民在1971年認(rèn)識(shí)到激光雷達(dá)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和有用性，即阿波羅15號(hào)當(dāng)宇航員使用激光高度計(jì)繪制月球表面地圖的時(shí)候。

除了軍隊(duì)對(duì)野外三維地理環(huán)境探測(cè)的需求，激光掃描方法還在更廣闊的領(lǐng)域應(yīng)用（如農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)、土地利用、城市規(guī)劃、交通通訊、水利工程、資源勘探、環(huán)境監(jiān)測(cè)、防震減災(zāi)及國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目等方面）。與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比，低機(jī)載LIDAR地面三維數(shù)據(jù)獲取方法具有后處理成本及生產(chǎn)數(shù)據(jù)外業(yè)成本低的優(yōu)點(diǎn)。目前，機(jī)載LIDAR技術(shù)獲取數(shù)據(jù)速度快、成本低、密集程度高、且精度高，因而它在各種測(cè)量技術(shù)中成為最為歡迎一種[7]。給國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和科學(xué)研究帶來(lái)了極大的便利，有著優(yōu)良的發(fā)展前景。

2.2 機(jī)器視覺(jué)

20世紀(jì)60年代由美國(guó)學(xué)者羅伯茲提出機(jī)器視覺(jué)，開(kāi)始是為了理解多面體組成的積木世界。而今，過(guò)去的技術(shù)在今天適也同樣適用。用邊緣檢測(cè)技術(shù)確定輪廓線，用區(qū)域分析技術(shù)將圖像劃分為由灰度相近的像素組成的區(qū)域，這些技術(shù)統(tǒng)稱(chēng)為圖像分割（即我們今天常見(jiàn)的灰度像素塊。這種類(lèi)似矩陣的描述方法大大簡(jiǎn)便了對(duì)物體特征的描述）[8]，其目的在于用輪廓線和區(qū)域描述所分析的圖像，來(lái)匹配已知庫(kù)中儲(chǔ)存的模型。

應(yīng)用：①檢測(cè)高精度定量的物體[9]（如在機(jī)械、醫(yī)學(xué)精密儀器、工程學(xué)、生物等領(lǐng)域應(yīng)用）和檢測(cè)半定量的或不用量器的定性產(chǎn)品（如產(chǎn)品的裝配完全性檢測(cè)、外觀檢查和缺陷性檢測(cè)）。②機(jī)器人視覺(jué)：指令機(jī)器人的大范圍操作和行動(dòng)（對(duì)于小范圍的運(yùn)動(dòng)我們還必須借助觸感傳感系統(tǒng)）。

3 激光雷達(dá)基本原理

3.1 測(cè)量系統(tǒng)

激光雷達(dá)一般由激光發(fā)射器、激光接收機(jī)、信息處理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和顯示終端組成。一個(gè)基本的激光雷達(dá)系統(tǒng)包括一個(gè)由旋轉(zhuǎn)鏡（頂部）反射的激光測(cè)距器。激光在數(shù)字化的環(huán)境中掃描，在一個(gè)或兩個(gè)維度（中間），收集在指定的角度間隔（底部）的距離測(cè)量（即與目前所接觸到arduino的紅外傳感器類(lèi)似，只不過(guò)是將紅外光源換成的一種特定的波長(zhǎng)較長(zhǎng)且對(duì)人體不造成傷害的光源，以提高激光雷達(dá)的效率），進(jìn)而通過(guò)兩次（發(fā)射和接受的時(shí)間差）來(lái)判斷目標(biāo)的距離。基本公式：

S=·c

其中， S是傳感器到被目標(biāo)物之間的距離;t是激光脈沖從激光器到被目標(biāo)物之間的往返傳輸時(shí)間;c是光速。測(cè)時(shí)間的三種方法：脈沖檢測(cè)法、相干檢測(cè)法以及相移檢測(cè)法。

對(duì)于徑向速度，我們可以測(cè)量多個(gè)位移并計(jì)算其平均變化率求得速度，也可以通過(guò)反射光的多普勒頻率的偏移來(lái)確定目標(biāo)的徑向速度。

目前激光發(fā)射光源主要有半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體泵浦的固體激光器和氣體激光器等。此外，激光掃描器去配合速度傳感器一并使用，且將原始數(shù)據(jù)到最終報(bào)表生成需要包括以下模塊：工程管理模塊;數(shù)據(jù)采集模塊;數(shù)據(jù)處理模塊;三維顯示模塊;成果輸出模塊。

3.2 構(gòu)建三維模型

為了重建道路真實(shí)場(chǎng)景（三維），我們將激光雷達(dá)在進(jìn)步雷達(dá)上以一定的速度旋轉(zhuǎn)，且激光雷達(dá)實(shí)時(shí)掃描。在掃描之后得到大量的坐標(biāo)信息，并結(jié)合角速度來(lái)計(jì)算各個(gè)點(diǎn)的距離，這樣就可以重建場(chǎng)景。此時(shí)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)的笛卡爾直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以得到二維場(chǎng)景。在此基礎(chǔ)上，我們將二維圖像進(jìn)行層層疊加組合就可以得到三維圖像。

4 前景與展望

由于機(jī)器視覺(jué)的在處理信息中的便捷和加工控制信息的高集成性，在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)中，人們?cè)诔善窓z驗(yàn)和質(zhì)量控制、工況監(jiān)視等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)。由于生物技術(shù)的不足，人們面臨最大的困難是尚不清楚人的視覺(jué)機(jī)制，這也是機(jī)器視覺(jué)復(fù)雜的原因之一。人類(lèi)無(wú)法用計(jì)算機(jī)的內(nèi)省法來(lái)模擬人類(lèi)的視覺(jué)過(guò)程，因此，建立機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)十分困難。但是可以預(yù)計(jì)，隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的不斷發(fā)展，它將在無(wú)人駕駛等領(lǐng)域得到得到愈加廣闊的應(yīng)用。

機(jī)器視覺(jué)的發(fā)展趨勢(shì)：價(jià)格持續(xù)下降，功能逐漸增多，產(chǎn)品小型化，集成產(chǎn)品增多。

【參考文獻(xiàn)】

【1】如何定義智能汽車(chē)？我們聊聊它的未來(lái)之路_車(chē)聯(lián)網(wǎng)_物聯(lián)網(wǎng).http：//www.cnii.com.cn/chelianwang/2015-07/13/content_1597195.htm.

【2】王會(huì)，羅濤，陸培源.激光雷達(dá)在無(wú)人車(chē)輛中的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].激光與紅外，2018（12）：20.

【3】探測(cè)與識(shí)別技術(shù)-《互聯(lián)網(wǎng)文檔資源》http：//wenku.baidu.com/view/43e5437131b765ce050814f9.html.

【4】Lidar技術(shù)—A-《互聯(lián)網(wǎng)文檔資源》http：//www.360doc.com/content/11/0717/12/6913722_134067838.

【5】朱陽(yáng)芬，銀冬平，鄒舜章，等. 機(jī)器視覺(jué)在汽車(chē)行業(yè)中的發(fā)展與應(yīng)用[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2017（11）：30.

【6】王會(huì)，羅濤，陸培源.激光雷達(dá)在無(wú)人車(chē)輛中的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].激光與紅外，2018（12）：33.

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【9】鄧曉慧.圖案加工軌跡視覺(jué)測(cè)量算法研究及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué) ，2007.