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激光雷達(dá)在車路協(xié)同中的應(yīng)用初探
2020-01-20 23:42:07· 來源：德清自動(dòng)駕駛與智能網(wǎng)聯(lián)服務(wù)平臺(tái) 作者：顧升
2019年，自動(dòng)駕駛行業(yè)進(jìn)入了商業(yè)化元年，而激光雷達(dá)作為人工智能之眼，幾乎是現(xiàn)階段所有自動(dòng)駕駛車類的核心傳感器，在經(jīng)過10多年的快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈的不斷壯大后
2019年，自動(dòng)駕駛行業(yè)進(jìn)入了商業(yè)化元年，而激光雷達(dá)作為“人工智能之眼”，幾乎是現(xiàn)階段所有自動(dòng)駕駛車類的核心傳感器，在經(jīng)過10多年的快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈的不斷壯大后，如今也迎來了行業(yè)增長(zhǎng)爆發(fā)期。
全球激光雷達(dá)產(chǎn)業(yè)鏈路圖
2019年激光雷達(dá)領(lǐng)域十大融資事件匯總
盡管自動(dòng)駕駛業(yè)界對(duì)激光雷達(dá)仍然存在不同的聲音，但隨著各地自動(dòng)駕駛和智能網(wǎng)聯(lián)示范區(qū)的建設(shè)，激光雷達(dá)在智能網(wǎng)聯(lián)車路協(xié)同示范應(yīng)用中的重要性越發(fā)凸顯，那么激光雷達(dá)在車路協(xié)同應(yīng)用中是如何應(yīng)用的？
激光雷達(dá)的工作原理
激光雷達(dá)從測(cè)量原理可以分為掃描方式和探測(cè)技術(shù)兩類；分別對(duì)應(yīng)的技術(shù)為飛行時(shí)間測(cè)距（TOF）激光雷達(dá)和調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）激光雷達(dá)，今天我們主要討論使用比較多，技術(shù)比較成熟的TOF原理激光雷達(dá)，它是以發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。
其工作原理是向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)(激光束),然后將接收到的從目標(biāo)反射回來的信號(hào)(目標(biāo)回波)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較,作適當(dāng)處理后,就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息,如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù),從而對(duì)機(jī)動(dòng)車、行人等目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、識(shí)別和跟蹤。
它由激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)和信息處理系統(tǒng)等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去，光接收機(jī)再把從目標(biāo)反射回來的光脈沖還原成電脈沖，送到顯示器。
TOF激光雷達(dá)工作原理圖
分類
激光雷達(dá)的分類：目前根據(jù)有無機(jī)械部件來分，激光雷達(dá)可分為機(jī)械激光雷達(dá)和固態(tài)激光雷達(dá)，雖然固態(tài)激光雷達(dá)被認(rèn)為是未來的大勢(shì)所趨，但在當(dāng)前激光雷達(dá)戰(zhàn)場(chǎng)，機(jī)械激光雷達(dá)仍占據(jù)主流地位。機(jī)械激光雷達(dá)帶有控制激光發(fā)射角度的旋轉(zhuǎn)部件，而固態(tài)激光雷達(dá)則無需機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，主要依靠電子部件來控制激光發(fā)射角度。
圖源雷鋒網(wǎng)：機(jī)械式激光雷達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖
圖源搜狐網(wǎng)：三種固態(tài)激光雷達(dá)原理示意圖
激光發(fā)射方式：傳統(tǒng)的采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，機(jī)械旋轉(zhuǎn)容易導(dǎo)致磨損使得激光雷達(dá)的使用壽命有限。固態(tài)激光雷達(dá)主要有三類包括Flash 、MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）、相控陣。Flash 激光雷達(dá)只要有光源，就能用脈沖一次覆蓋整個(gè)視場(chǎng)。隨后再用飛行時(shí)間（ToF）方法接收相關(guān)數(shù)據(jù)并繪制出激光雷達(dá)周圍的目標(biāo)。MEMS激光雷達(dá)其結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單，只要一束激光和一塊反光鏡。具體來說，激光射向這塊類似陀螺一樣旋轉(zhuǎn)的反光鏡就行，反光鏡通過轉(zhuǎn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光方向的控制。相控陣激光雷達(dá)利用獨(dú)立天線同步形成的微陣列，相控陣可以向任何方向發(fā)送無線電波，完全省略了“旋轉(zhuǎn)”這一步驟，只需控制每個(gè)天線發(fā)送信號(hào)間的時(shí)機(jī)或陣列，就能控制信號(hào)射向特定位置。
主要性能指標(biāo)
激光的波長(zhǎng)：目前市場(chǎng)上三維成像激光雷達(dá)最常用的波長(zhǎng)是905nm和1550 nm。1550nm波長(zhǎng)LiDAR傳感器可以以更高的功率運(yùn)行，以提高探測(cè)范圍，同時(shí)對(duì)于雨霧的穿透力更強(qiáng)。905nm的主要優(yōu)點(diǎn)是硅在該波長(zhǎng)處吸收光子，而硅基光電探測(cè)器通常比探測(cè)1550 nm光所需的銦鎵砷(InGaAs)近紅外探測(cè)器便宜。
安全等級(jí)：激光雷達(dá)的安全等級(jí)是否滿足Class 1，需要考慮特定波長(zhǎng)的激光產(chǎn)品在完全工作時(shí)間內(nèi)的激光輸出功率，即激光輻射的安全性是波長(zhǎng)、輸出功率，和激光輻射時(shí)間的綜合作用的結(jié)果，一般規(guī)定是要達(dá)到人眼安全1級(jí)。
探測(cè)距離：激光雷達(dá)的測(cè)距與目標(biāo)的反射率相關(guān)。目標(biāo)的反射率越高則測(cè)量的距離越遠(yuǎn)，目標(biāo)的反射率越低則測(cè)量的距離越近。因此在查看激光雷達(dá)的探測(cè)距離時(shí)要知道該測(cè)量距離是目標(biāo)反射率為多少時(shí)的探測(cè)距離。
FOV：激光雷達(dá)的視場(chǎng)角有水平視場(chǎng)角和垂直視場(chǎng)角。目前市面上32線激光雷達(dá)水平視場(chǎng)角為360°, 車規(guī)級(jí)系列128線混合固態(tài)激光雷達(dá)水平視場(chǎng)角為150°，可具體場(chǎng)景需求選配、組合不同型號(hào)的激光雷達(dá)。
角度分辨率：一個(gè)是垂直分辨率，另一個(gè)是水平分辨率。水平方向上做到高分辨率其實(shí)不難，因?yàn)樗椒较蛏鲜怯呻姍C(jī)帶動(dòng)的，所以水平分辨率可以做得很高。一般可以做到0.01度級(jí)別。垂直分辨率是與發(fā)射器幾何大小相關(guān)，也與其排布有關(guān)系，就是相鄰兩個(gè)發(fā)射器間隔做得越小，垂直分辨率也就會(huì)越小。垂直分辨率為0.1~1度的級(jí)別。
出點(diǎn)數(shù)：每秒激光雷達(dá)發(fā)射的激光點(diǎn)數(shù)。激光雷達(dá)的點(diǎn)數(shù)一般從幾萬點(diǎn)至幾十萬點(diǎn)每秒左右。
線束：多線激光雷達(dá)，就是通過多個(gè)激光發(fā)射器在垂直方向上的分布，通過電機(jī)的旋轉(zhuǎn)形成多條線束的掃描。理論上講，當(dāng)然是線束越多、越密，對(duì)環(huán)境描述就更加充分，而且還可以降低算法的要求。常見的激光雷達(dá)的線束有：16線、32線、64線、128線等。
輸出參數(shù)：障礙物的位置(三維)、速度(三維)、方向、時(shí)間戳、反射率。
使用壽命：機(jī)械旋轉(zhuǎn)的激光雷達(dá)的使用壽命一般在幾千小時(shí)到幾萬小時(shí)；固態(tài)激光雷達(dá)的使用壽命可高達(dá)10萬小時(shí)。
在車路協(xié)同中的應(yīng)用
車路協(xié)同是基于無線通信、傳感探測(cè)等技術(shù)進(jìn)行車路信息獲取，并通過車車、車路信息交互和共享，實(shí)現(xiàn)車輛和基礎(chǔ)設(shè)施之間智能協(xié)同與配合，達(dá)到優(yōu)化利用系統(tǒng)資源、提高道路交通安全、緩解交通擁堵的目標(biāo)。這項(xiàng)技術(shù)是信息技術(shù)與汽車和交通兩大行業(yè)相融合的結(jié)果。
車路協(xié)同是創(chuàng)建新一代智能交通系統(tǒng)的核心，路側(cè)利用激光雷達(dá)、攝像頭和毫米波雷達(dá)等感知設(shè)備通過邊緣計(jì)算設(shè)備（MEC）進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，對(duì)探測(cè)范圍內(nèi)行駛在交通道路上的各種機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車、行人等進(jìn)行精準(zhǔn)的檢測(cè)、識(shí)別處理，獲取目標(biāo)位姿信息，再經(jīng)傳輸設(shè)備（RSU）將有效信息廣播給該區(qū)域內(nèi)安裝有車載設(shè)備（OBU）的車輛和V2X Server平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)路況險(xiǎn)情提前預(yù)警，提高通行效率，從而形成的安全、高效和環(huán)保的道路交通系統(tǒng)。
車路協(xié)同路側(cè)設(shè)備架構(gòu)
優(yōu)劣對(duì)比
優(yōu)勢(shì)：激光雷達(dá)發(fā)射和接收光源不受日照影響，可全天24小時(shí)保持精準(zhǔn)感知工作。激光雷達(dá)探測(cè)獲取的是目標(biāo)的3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可輸出目標(biāo)物的三維坐標(biāo)，相比于攝像頭和毫米波雷達(dá)有更好的探測(cè)精度，可以得到目標(biāo)物距離、速度、運(yùn)動(dòng)方向、大小、高度等主要信息，通過與攝像頭、毫米波雷達(dá)等感知設(shè)備的數(shù)據(jù)融合，可大大提升自動(dòng)駕駛的安全冗余度。
劣勢(shì)：機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)使用壽命比較短，受環(huán)境的影響也比較大，特別是安裝使用了一段時(shí)間后，灰塵對(duì)激光雷達(dá)探測(cè)距離和精度的影響很大。再者就是目前的激光雷達(dá)價(jià)格比較昂貴，建設(shè)成本比較高。
隨著智能網(wǎng)聯(lián)車路協(xié)同的快速發(fā)展，激光雷達(dá)作為路側(cè)感知設(shè)備中的核心器件，會(huì)得到更多的應(yīng)用，而且隨著技術(shù)的更新迭代以及產(chǎn)品的量產(chǎn)，產(chǎn)品價(jià)格會(huì)進(jìn)一步降低，使用壽命也會(huì)得到提升。從安全的角度考慮，激光雷達(dá)可以探測(cè)物體的三維坐標(biāo)，可以與攝像頭和毫米波雷達(dá)等感知設(shè)備功能互補(bǔ)，有效提高數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性和可靠性，減輕對(duì)數(shù)據(jù)融合算力的要求。
本文對(duì)激光雷達(dá)的原理和在路側(cè)工作場(chǎng)景中的應(yīng)用情況進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，后續(xù)還會(huì)對(duì)激光雷達(dá)在車路協(xié)同中的應(yīng)用做進(jìn)一步的探討。
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