無(wú)人駕駛汽車ADAS 系統(tǒng)激光雷達(dá)介紹與應(yīng)用

高明

江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省無(wú)錫市 214000

1 無(wú)人駕駛汽車的發(fā)展與現(xiàn)狀

1.1 自動(dòng)駕駛分類與發(fā)展規(guī)劃

工信部科技司公示《汽車駕駛自動(dòng)化分級(jí)》推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)報(bào)批稿，該標(biāo)準(zhǔn)基于自動(dòng)化汽車能夠按照設(shè)定目標(biāo)值來(lái)連續(xù)執(zhí)行動(dòng)態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)的程度來(lái)進(jìn)行區(qū)分。根據(jù)在無(wú)人駕駛汽車在執(zhí)行動(dòng)態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)中的角色分配以及有無(wú)外界設(shè)計(jì)運(yùn)行條件限制，將無(wú)人駕駛自動(dòng)化分成6 個(gè)等級(jí)目前全球公認(rèn)的汽車自動(dòng)駕駛技術(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)主要有兩個(gè)，分別是由美國(guó)高速公路安全管理局（NHTSA）和國(guó)際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)（SAE）提出。中國(guó)于2020 年參考SAE 的0-5 級(jí)的分級(jí)框架 發(fā)布了中國(guó)版《汽車駕駛自動(dòng)化分級(jí)》，并結(jié)合中國(guó)當(dāng)前實(shí)際情況進(jìn)行了部分調(diào)整，大體上也將自動(dòng)駕駛分為0-5 級(jí)，如表1 所示。

表1 汽車駕駛自動(dòng)化分級(jí)

在推薦性《汽車駕駛自動(dòng)化分級(jí)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，包含駕駛自動(dòng)化的定義、分級(jí)原則、等級(jí)劃分要素、各等級(jí)技術(shù)要求等方面。《汽車駕駛自動(dòng)化分級(jí)》作為自動(dòng)駕駛基礎(chǔ)類標(biāo)準(zhǔn)，將為中國(guó)汽車自動(dòng)駕駛出臺(tái)相關(guān)法律、法規(guī)和強(qiáng)制類標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)提供支撐，該標(biāo)準(zhǔn)將于2021 年1 月1 日正式實(shí)施，現(xiàn)階段已陸續(xù)進(jìn)入了技術(shù)測(cè)試階段，技術(shù)趨于成熟過(guò)程。

2020 年11 月，《智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)路選圖2.0》發(fā)布，提出智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展呈現(xiàn)市場(chǎng)的持有量逐年遞加的趨勢(shì)。根據(jù)相關(guān)發(fā)展規(guī)劃，截止2025 年2、3 級(jí)的裝機(jī)率超50%以上，4 級(jí)逐步的開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)；截止到2030 年2、3 級(jí)的功能設(shè)備的裝機(jī)率達(dá)70%、HA（L4）級(jí)占比達(dá)20%。乘用車典型應(yīng)用場(chǎng)景包括城鄉(xiāng)互聯(lián)道路、快速公路以及貫穿城市、互聯(lián)城市之間的城際公路；計(jì)劃定于2035 年，自動(dòng)駕駛乘用最高級(jí)水平FA（L5）無(wú)人駕駛汽車開(kāi)始應(yīng)用，至此，無(wú)人駕駛汽車開(kāi)始大眾化、普遍化。無(wú)人駕駛車能夠有效的降低由于人為元素造成的交通事故，能夠有效的提高道路的利用效率，是實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰的一個(gè)有力支持。

2021 年8 月，《關(guān)于加強(qiáng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準(zhǔn)入管理的意見(jiàn)》發(fā)布，提出加強(qiáng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車運(yùn)輸數(shù)據(jù)可靠性安全、運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)可靠性安全、控制技術(shù)軟件升級(jí)與加密、功能安全和預(yù)期功能安全管理，保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)技術(shù)一致性，推動(dòng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量快速的發(fā)展。從L2 到L3，智能駕駛躍升，需要感知層傳感器提供關(guān)鍵支撐車輛自動(dòng)駕駛級(jí)。

2 激光雷達(dá)在無(wú)人駕駛汽車中的應(yīng)用

激光雷達(dá)在自動(dòng)駕駛中的核心特征可以概括為三維環(huán)境感知、高分辨率、抗干擾能力。

三維環(huán)境感知方面，3D 激光雷達(dá)能夠在短時(shí)間內(nèi)向周圍環(huán)境發(fā)射大量的激光束，探測(cè)距離是介于200-300m 遠(yuǎn)距離和最大90°*30°的大視野探測(cè)能力；角分辨率最高可達(dá)0.05°*0.05°，保證了它在遠(yuǎn)距離仍然能準(zhǔn)確探測(cè)、追蹤多個(gè)目標(biāo)，距離分辨率可以達(dá)到0.1mard，速度分辨率達(dá)到10m/s以內(nèi)。

激光雷達(dá)通過(guò)測(cè)量激光信號(hào)的時(shí)間差來(lái)確定物體距離，通過(guò)水平旋轉(zhuǎn)掃描或者向空掃描角度，以及獲取不同俯仰角度的信號(hào)，來(lái)獲得被測(cè)物體的精確三維信息。性能冗余和極高的可靠性，滿足軌道交通、船舶航運(yùn)、機(jī)場(chǎng)航空、城市交通，工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域的不同需求。由于激光頻率高，波長(zhǎng)短，所以可以獲得極高的角度、距離和速度分辨率，如此高的速度和距離分辨率意味著激光雷達(dá)可以利用距離多普勒成像技術(shù)獲得非常清晰的圖像，如圖1 所示。

圖1 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)成像

激光雷達(dá)在抗干擾能力方面，與微波毫米波雷達(dá)易受自然界廣泛存在的電磁波影響的情況不同，自然界中能對(duì)激光雷達(dá)起干擾作用的信號(hào)源不多，因此激光雷達(dá)抗有源干擾的能力很強(qiáng)，可全天候工作。由于激光雷達(dá)中激光束的發(fā)射頻率一般每秒幾萬(wàn)個(gè)脈沖以上，相比傳統(tǒng)微波雷達(dá)高了很多，因而存在分辨率高、精度高（厘米級(jí)）、探測(cè)距離長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，此外抗干擾能力相比電磁波更強(qiáng)，由于生成目標(biāo)的多維頭像，因而獲取的信息量更豐富，且不受目標(biāo)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。但大多數(shù)的激光雷達(dá)會(huì)受雨雪、霧霾天氣 影響穿透性變差、測(cè)量精度會(huì)下降，且難以分辨交通標(biāo)識(shí)和紅綠燈，高昂的成本也成為制約激光雷達(dá)大規(guī)模量產(chǎn)的關(guān)鍵因素。

當(dāng)然，由于各種測(cè)距原理的傳感器設(shè)備搭載的不同傳感器的原理和功能各不相同，在不同的場(chǎng)景里發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮各自在數(shù)據(jù)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。目前來(lái)講，單種傳感器特性突飛猛進(jìn)，均不能形成完全進(jìn)行信息覆蓋。以后的發(fā)展必然是多傳感器融合，融合多技術(shù)、多平臺(tái)是未來(lái)發(fā)展必然趨勢(shì)。未來(lái)的智能汽車可以視為“移動(dòng)的傳感器平臺(tái)”，將裝備有大量的傳感器。并且隨著智能駕駛從L2 到L3 級(jí)及以上不斷推進(jìn)，激光雷達(dá)憑借其精度高、探測(cè)距離長(zhǎng)、可3D 環(huán)境建模的特性，重要性越發(fā)凸顯。

從雷達(dá)的功能上看，激光雷達(dá)主要由激光發(fā)射裝置、激光接收端、信息處理單元、線束信號(hào)掃描系統(tǒng)組成，如圖2 所示。

圖2 激光雷達(dá)測(cè)距原理

1）激光發(fā)射：通過(guò)將電轉(zhuǎn)化成光，激勵(lì)源驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)射激光脈沖線束，激光調(diào)制器通過(guò)光束控制器控制發(fā)射激光的方向和線數(shù)，最后通過(guò)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)，將激光發(fā)射至目標(biāo)物體；

2）激光接收：經(jīng)由物體的反射，激光接收單元中光電探測(cè)器接受目標(biāo)物體反射回來(lái)的激光線束，接收障礙物的反射信號(hào)；

3）激光信息處理：接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)集成模塊的放大處理和數(shù)模轉(zhuǎn)換器后，經(jīng)過(guò)信息處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算以便來(lái)獲取目標(biāo)障礙物的形態(tài)、物理屬性等特性，控制模塊依據(jù)收集信息進(jìn)行建立物體模型和間距測(cè)量。

4）線束信號(hào)掃描：激光雷達(dá)一般來(lái)說(shuō)會(huì)以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，以此來(lái)發(fā)送激光束實(shí)現(xiàn)對(duì)所在平面的掃描，實(shí)時(shí)產(chǎn)生實(shí)時(shí)的平面圖信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算與更新，工作過(guò)程如圖3所示。

圖3 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理過(guò)程

目前，主流的車載激光雷達(dá)的技術(shù)路線，按照掃描方式為機(jī)械式→半固態(tài)→純固態(tài)；按照激光發(fā)射方式，為EEL →VCSEL；按照激光接收方式，為PD/APD →SPAD/SiPM；按照信息處理方式，為FPGA →SoC。

智能傳感器是智能駕駛車輛的“眼睛”，目前應(yīng)用于環(huán)境感知的主流傳感器產(chǎn)品主要包括攝像頭、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)和激光雷達(dá)四類。總體來(lái)看，攝像頭在逆光或光影復(fù)雜的情況下視覺(jué)效果較差，毫米波雷達(dá)對(duì)靜態(tài)物體識(shí)別效果差，超聲波雷達(dá)測(cè)量距離有限且易受惡劣天氣的影響，因此單獨(dú)依靠攝像頭或毫米波雷達(dá)的方案去實(shí)現(xiàn)智能駕駛是存在缺陷的，而激光雷達(dá)可探測(cè)多數(shù)物體（含靜態(tài)物體）、探測(cè)距離相對(duì)更長(zhǎng)（0-300米）、精度高（5cm），且可構(gòu)建環(huán)境3D 模型、實(shí)時(shí)性好，因而成為推進(jìn)智能駕駛到L3 級(jí)及以上的核心傳感器，高昂的成本也成為制約其大規(guī)模應(yīng)用的原因之一。

特斯拉“以攝像頭為主的視覺(jué)感知”解決方案主要包含信息采集、特征提取、訓(xùn)練學(xué)習(xí)、評(píng)估、反饋改進(jìn)五大步驟，通過(guò)數(shù)據(jù)+算法+反饋不斷垂直整合，完善自動(dòng)駕駛能力。特斯拉之所以堅(jiān)持純視覺(jué)方案,主要原因在于技術(shù)與成本。其一是當(dāng)時(shí)的激光雷達(dá)技術(shù)不完善，能生產(chǎn)車規(guī)級(jí)固體激光雷達(dá)的企業(yè)暫不具備量產(chǎn)能力；其二是激光雷達(dá)的價(jià)格還沒(méi)有降低到合理的位置。此外，我們認(rèn)為，特斯拉作為自動(dòng)駕駛汽車的領(lǐng)導(dǎo)者，已經(jīng)有一套被市場(chǎng)認(rèn)知的視覺(jué)攝像頭方案量產(chǎn),也積累了大量的數(shù)據(jù)，輸出純視覺(jué)方案的量產(chǎn)的成本可控的重磅電動(dòng)智能車.

3 攝像頭與機(jī)械式激光雷達(dá)的區(qū)分

數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正的攝像頭是目前車企應(yīng)用比較多，也是比較廣泛的設(shè)備，在ADAS 系統(tǒng)的主要視覺(jué)傳感器，最為成熟的車載傳感器之一攝像頭工作原理是目標(biāo)物體通過(guò)是鏡頭把光線聚攏，然后通過(guò)IR 濾光片把不需要的紅外光濾掉，此時(shí)模擬信號(hào)進(jìn)入到傳感器COMS 芯片，通過(guò)AD 數(shù)字輸出，有的攝像頭會(huì)放置ISP 圖像處理芯片，把處理后的信號(hào)傳輸給到主機(jī)。其主要硬件組件包含鏡頭組（LENS）、圖像COMS 傳感芯片、線路板基板，如圖4 所示。

圖4 攝像頭信息處理過(guò)程

按照安裝部位的不同，攝像頭主要分為前視、后視、側(cè)視以及內(nèi)置攝像頭，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)LDW、FCW、LKA、PA、AVM 等功能。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛時(shí)全套ADAS 功能將安裝6 個(gè)以上攝像頭，前視攝像頭因需要復(fù)雜的算法和芯片，單價(jià)在1500 元左右，后視、側(cè)視以及內(nèi)置攝像頭單價(jià)在200 元左右，ADAS 的普及應(yīng)用為車載攝像頭傳感器帶來(lái)巨大的發(fā)展空間。

機(jī)械旋轉(zhuǎn)式的掃描模塊和收發(fā)模塊均被電機(jī)帶動(dòng)進(jìn)行360 度旋轉(zhuǎn)；半固態(tài)的收發(fā)模塊不動(dòng)、掃描模塊運(yùn)動(dòng)，按照掃描方式可進(jìn)一步分為 MEMS、轉(zhuǎn)鏡式和棱鏡式；固態(tài)則收發(fā)和掃描模塊均不運(yùn)動(dòng)，主要有OPA 和Flash 兩種方案?？傮w來(lái)看，從機(jī)械旋轉(zhuǎn)到半固體、再到固態(tài)，產(chǎn)品的集成化程度越來(lái)越高，成本越來(lái)越低。機(jī)械式激光雷達(dá)由于價(jià)格高、體積大、車規(guī)級(jí)量產(chǎn)應(yīng)用難度大，主要應(yīng)用于Robotaxi 的測(cè)試車隊(duì)等領(lǐng)域，幫助 自動(dòng)駕駛從0 到1。中短期半固態(tài)、長(zhǎng)期純固態(tài)為激光雷達(dá)的落地技術(shù)路線，在自動(dòng)駕駛從1到N 的發(fā)展階段中，半固態(tài)扮演著重要角色。

原理上，機(jī)械激光雷達(dá)，是指其發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)存在360°轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是通過(guò)不斷旋轉(zhuǎn)發(fā)射頭，將速度更快、發(fā)射更準(zhǔn)的激光從“線”變成“面”，并在豎直方向上排布多束激光，形成多個(gè)面，達(dá)到動(dòng)態(tài)掃描并動(dòng)態(tài)接收信息的目的。其特點(diǎn)在于通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)收發(fā)和掃描模塊進(jìn)行整體旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間水平360°視場(chǎng)范圍的掃描。通過(guò)增加收發(fā)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)高線束，在實(shí)現(xiàn)探測(cè)距離精度更高的同時(shí)，也導(dǎo)致了整套系統(tǒng)元器件成本非常高。優(yōu)點(diǎn)上分析看，機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)在于由于旋轉(zhuǎn)是由電機(jī)控制的，所以可以長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，每次掃描的速度都是線性的，從而可以對(duì)周圍環(huán)境 進(jìn)行精度夠高并且清晰穩(wěn)定的360 度環(huán)境重構(gòu)，技術(shù)成熟，是目前的主流方案。缺點(diǎn)在于價(jià)格高、可量產(chǎn)性差（工藝復(fù)雜、組裝困難）、體積大、難以過(guò)車規(guī)（平均失效時(shí)間1000h～3000h，而汽車廠商的要求是至少13000h）、可靠性差（內(nèi)含大量可動(dòng)部件，在行車環(huán)境下磨損嚴(yán)重）等缺點(diǎn)。

機(jī)械式激光雷達(dá)的代表性廠商海外為Velodyne、Waymo、Valeo、Ouster，國(guó) 內(nèi)為速騰聚創(chuàng)、禾賽科技、鐳神智能、北科天繪等。Velodyne 的代表性產(chǎn)品包括HDL-64、HDL-32、VLP-16 等，價(jià)格范圍在0.4萬(wàn)-8 萬(wàn)美金之間。谷歌無(wú)人小車的64 線激光雷達(dá)就來(lái)自Velodyne，當(dāng)時(shí)價(jià)格高達(dá)7 萬(wàn)美元。機(jī)械式激光雷達(dá)之所以成本居高不下的原因在于其內(nèi)部的激光收發(fā)模組成本高（線束越多越準(zhǔn)確、整體成本越高），并且需要復(fù)雜的人工調(diào)教、制造周期長(zhǎng)，高昂的成本也決定了其目前主要應(yīng)用于自動(dòng)駕駛技術(shù)的開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，比如百度Robotaxi、谷歌無(wú)人駕駛測(cè)試車隊(duì)，車規(guī)級(jí)前裝量產(chǎn)市場(chǎng)暫無(wú)應(yīng)用。

總體來(lái)看，激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈可以分為上游（光學(xué)和電子元器件）——中游（集成激光雷達(dá)）——下游（不同應(yīng)用場(chǎng)景）。其中上游主要包含大量的光學(xué)元器件和電子元器件，組成激光發(fā)射、激光接收、掃描系統(tǒng)和信息處理四大部分。以上四大部分組裝起來(lái)，集成為中游的激光雷達(dá)產(chǎn)品。下游應(yīng)用除了已成熟的軍事、測(cè)繪領(lǐng)域外，無(wú)人駕駛汽車、高精度地圖、服務(wù)機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等新興領(lǐng)域應(yīng)用近年來(lái)也開(kāi)始快速發(fā)展。