激光雷達在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上的應用

任保寬

（山東工程技師學院，山東 聊城 252000）

引言

激光雷達（LIDAR）基于光的探測與測距，以激光作為載波，向目標物發(fā)出激光探測信號后接收目標物返回信號，激光雷達對接收信號進行比較分析、處理，從而獲取目標物的目標方位、距離、速度、高度、狀態(tài)、形狀等相關(guān)參數(shù)信息［1］，實現(xiàn)對目標的探測、跟蹤和識別。如果將激光雷達與慣性導航設備、GPS等裝備在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上配合使用，可獲取有效數(shù)據(jù)信息并生成精準數(shù)字高程模型。

《智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)路線圖2.0》中提及，到2035年智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)及產(chǎn)業(yè)體系將全面建成，車輛智能化大大提高，高度化的自動駕駛網(wǎng)聯(lián)智能車輛將大規(guī)模應用。激光雷達作為環(huán)境感知技術(shù)設備在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上應用將會更加普遍。

1 激光雷達傳感器結(jié)構(gòu)及原理

1.1 激光雷達傳感器結(jié)構(gòu)

激光雷達主要由發(fā)射部分、接收部分、掃描模塊和控制系統(tǒng)等組成。激光雷達傳感器機械部分主要由激光發(fā)射器、掃描與光學部件和感光部件等組成。激光發(fā)射器是激光雷達中的激光發(fā)射機構(gòu)。激光接收器是匯聚由激光器發(fā)射的激光照射到障礙物后，通過障礙物反射后的光線?？刂葡到y(tǒng)可對信號處理單元負責控制激光器的發(fā)射，以及接收器收到的信號進行處理，并根據(jù)這些信息計算出目標物體的距離信息。掃描機構(gòu)能掃描所在平面，并產(chǎn)生實時平面圖信息。

1.2 激光雷達傳感器工作原理

1.2.1 激光雷達脈沖測距

測距儀發(fā)出光脈沖信號，打在地面的樹木、道路、橋梁和建筑物等障礙物上引起散射并返回，測距儀接收系統(tǒng)接收產(chǎn)生的光脈沖返回信號；激光雷達通過對比光脈沖發(fā)射與接收的時間間隔，根據(jù)光速計算目標距離，見圖1。

圖1 激光雷達脈沖測距原理

1.2.2 激光相位測距

對發(fā)射的激光強度進行連續(xù)調(diào)制，測定調(diào)制光往返過程中所經(jīng)過的相位變化，從而間接測量出傳播時間，進而計算出距離，產(chǎn)生強度成余弦變化的連續(xù)波，見圖2。該精度高于脈沖測距，負載小［2］。

圖2 激光雷達激光相位測距原理

假如發(fā)射點與反射點的距離（目標距離）為x，激光的速度為c，激光往返時間為t，則有調(diào)制波頻率為f，從發(fā)射到接收間的相位差為φ，則有；N為完整周期波的個數(shù)，△φ為不足周期波的余相位；從而得到目標距離

2 激光雷達傳感器在智能網(wǎng)聯(lián)車輛的安裝及標定

激光雷達能夠探測物體與車之間的距離。道路路面和車道線因反射度不同可被區(qū)分，但激光雷達無法探測到被遮擋的或光束無法達到的物體。激光雷達一般被安裝在車頂位置，通過高速旋轉(zhuǎn)獲得周圍空間點云數(shù)據(jù)，繪制實時車輛周邊的三維空間地圖，激光雷達還能夠測出該車周圍車輛在三維方向上的距離、速度、加速度等信息，結(jié)合GPS地圖計算出車輛位置，ECU對傳輸?shù)拇罅繑?shù)據(jù)進行分析處理后對車輛進行快速決策。以速騰聚創(chuàng)16線激光雷達（RS-LiDAR-16）在智能車輛的安裝、標定為例進行說明，該雷達為混合激光雷達，有16個激光發(fā)射組件。

2.1 激光雷達傳感器安裝

2.1.1 16線激光雷達設備安裝

安裝設備時，固定激光雷達的安裝底座盡可能平整，安裝底座上的定位柱應嚴格遵循激光雷達底部定位柱的深度；安裝激光雷達時，設備傾斜角度不應超過90°，激光雷達線纜不要拉得太緊，激光雷達端子插接正確。

2.1.2 解析數(shù)據(jù)包

通過解析數(shù)據(jù)包獲得旋轉(zhuǎn)角、測距信息及校準反射率。使用設備時，需把電腦的IP設置為與設備同一網(wǎng)段上，激光雷達和電腦通信時，主數(shù)據(jù)流輸出協(xié)議MSOP，將激光雷達掃描出來得出距離、角度、反射率等信息封裝成包輸出給電腦。

2.1.3 計算坐標值

依據(jù)雷達的旋轉(zhuǎn)角，測距及垂直角度計算X、Y、Z軸上坐標值，因雷達僅封裝距離和水平旋轉(zhuǎn)角度等參量數(shù)據(jù)，將極坐標下的距離、角度等參數(shù)轉(zhuǎn)化為笛卡爾坐標系下x、y、z坐標，從而達到更好呈現(xiàn)三維點云效果目的。

式中：ω—激光垂直角度，（°）；r—激光實測距離，m；α—激光水平旋轉(zhuǎn)角度，（°）；x、y、z—極坐標投影到X、Y、Z軸上的坐標，見圖3。

圖3 激光雷達極坐標投影

2.1.4 存儲數(shù)據(jù)

對于從RS-LiDAR-16得到的原始數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)可視化軟件RSView，能夠保存數(shù)據(jù)，RSView還能將測得的距離測量值顯示為一個點，支持多種自定義顏色顯示數(shù)據(jù)，并能將數(shù)據(jù)導出保存，見圖4。

圖4 激光雷達點云成像

2.1.5 讀取并配置信息

通過RSView軟件能夠讀取裝置當前狀態(tài)配置信息。根據(jù)需求重新配置以太網(wǎng)、轉(zhuǎn)速、時間等數(shù)據(jù)。

2.2 激光雷達傳感器標定

為保證相對姿態(tài)和位移固定不變，將激光雷達固定在車輛上，對安裝的激光雷達進行簡單標定來建立各激光雷達之間相對坐標關(guān)系，使雷達數(shù)據(jù)從激光雷達坐標統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到車輛坐標上，便于獲取目標的距離、角度、速度等參數(shù)。

以單線激光雷達為例，車體坐標X軸作為激光雷達掃描角度為零時車輛的指向，Z軸指向車輛上方，X、Y、Z軸構(gòu)成右手系，激光雷達所有掃描點在同一個幾何平面S上，將掃描點P投影到坐標面及坐標軸，掃描點P在車體坐標系中的坐標。

式中：ρ—掃描點到激光雷達的距離，m；h0—安裝高度，m；a0—安裝俯角，（°）；θ—激光掃描角度，（°），見圖5。

圖5 單線激光雷達模型

3 激光雷達傳感器在智能網(wǎng)聯(lián)車輛的應用

3.1 車輛高精度定位

借助定位系統(tǒng)，車輛系統(tǒng)能夠通過獲得實時位置信息做出決策。但定位方式會受信號的干擾，特別是在經(jīng)過城市建筑、隧道時信號容易中斷。為獲得精準位置，激光雷達比對車輛初始位置與高精地圖信息。（1）由慣性導航裝置、全球定位系統(tǒng)和輪速等傳感器提供車輛初步位置；（2）將激光雷達局部點云信息進行特征提取，結(jié)合初始位置獲取全局坐標系下矢量特征；（3）將矢量特征與高精地圖特征信息進行匹配，獲取精確的車輛位置。因此，相對其他車載傳感器，激光雷達的定位精度及穩(wěn)定性方面優(yōu)勢明顯。

3.2 障礙物識別及目標跟蹤

激光雷達可不依賴光照進行實時掃描，掃描視角可達360°，且計算量較小。在掃描中先對障礙物（車、人、隔離帶等）進行識別，從而獲取該障礙物的空間位置。對障礙物分類、跟蹤，則先通過分割點云關(guān)聯(lián)目標，確認上下楨是否屬于同一個物體，再進行目標跟蹤，輸出目標跟蹤信息。

3.3 自動泊車系統(tǒng)

安裝在車頂或車身四周的激光雷可以檢測車輛停車位的位置、感知周圍車輛等障礙物，并將獲取的有效信息輸入到車輛控制系統(tǒng)，為車輛自動泊車的控制決策提供可靠的環(huán)境信息。

3.4 車道保持輔助系統(tǒng)

借助激光雷達對車道線檢測，車道保持輔助系統(tǒng)在檢測到車輛偏離預計行車軌跡時，通過邏輯運算并作出決策，從而控制車輛按照既定的車道軌跡進行行駛。激光雷達對車道線檢測方法可基于雷達掃描點密度。該方法為獲得所需車道線，可先獲取雷達掃描點坐標信息，然后轉(zhuǎn)化為柵格圖，最后利用柵格圖中點的密度進行提取，該方法實時性好。

3.5 防撞及行人保護

車輛通過快速、實時分析激光雷達等傳感器采集的車輛附近環(huán)境數(shù)據(jù)，可提前開啟車輛主動安全系統(tǒng)，并向駕駛員發(fā)出警告信號，防止與潛在的障礙物發(fā)生碰撞，并在車輛可能發(fā)生碰撞前及時停車，避免與行人發(fā)生碰撞。

3.6 車道偏離預警

如果車輛行駛偏離預定軌跡時，激光雷達通過檢測車輛車輛行駛前方車道線標識可能的危險障礙物，并采集車輛在行駛道路中的實時位置信息，若檢測車輛行駛軌跡發(fā)生偏離并存在危險時，車道偏離預警系統(tǒng)便發(fā)生預警信號，使車輛駕駛員及時修正行駛路線，按照預定軌跡行駛。

3.7 自動緊急制動

激光雷達通過對車輛行駛路線前方存在可能發(fā)生碰撞的靜態(tài)或動態(tài)危險障礙物進行檢測，并將采集信息發(fā)送給車輛系統(tǒng)，系統(tǒng)分析可能發(fā)生危險時作出決策，使車輛自動緊急制動。

4 結(jié)語

利用安裝在車輛上的相關(guān)傳感器，先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）能夠快速獲取車輛內(nèi)外部環(huán)境數(shù)據(jù)信息，對物體進行靜態(tài)、動態(tài)識別和監(jiān)測與追蹤等處理，讓駕駛者及時察覺潛在危險。盡管激光雷達在ADAS方面有優(yōu)勢，但在實際應用中也面臨技術(shù)、計算性能、價格等問題。未來車用激光雷達將會向高技術(shù)指標、全固態(tài)、小型化、環(huán)境適應能力好、抗干擾能力強、低成本化等方面發(fā)展［3］，從當前的輔助駕駛系統(tǒng)過渡到半自動駕駛甚至完全自動駕駛，并滿足多種視覺與傳感技術(shù)融合。