長期以來，自動駕駛汽車一直是科幻小說中的常見元素。然而，不同于科幻小說作家所構(gòu)想的其他發(fā)明，全自動駕駛汽車在過去十年間已經(jīng)出人意料地接近現(xiàn)實。在這篇文章中，您將了解如何使用 COMSOL Multiphysics® 軟件模擬激光雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是實現(xiàn)自動駕駛汽車和自主機器人感知周圍環(huán)境的關(guān)鍵技術(shù)。

邁向全自動駕駛汽車之路

評估汽車自動駕駛級別的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)由美國汽車工程師學(xué)會（SAE）制定。該標(biāo)準(zhǔn)將自動化分為6個等級（從 0 級開始），其劃分依據(jù)是哪些動態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)（DDT）可由機器執(zhí)行，哪些任務(wù)需要人類參與：

0 級: 無自動駕駛；人類駕駛員執(zhí)行車輛的所有動態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)

1 級: 自動輔助轉(zhuǎn)向，或自動輔助加速和減速（如巡航控制）；人類駕駛員執(zhí)行車輛的其他所有動態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)

2 級:自動輔助轉(zhuǎn)向、加速和減速（如自動平行泊車）；人類駕駛員執(zhí)行其他所有動態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)

3 級: 自動執(zhí)行動態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)；人類駕駛員密切監(jiān)控車輛，必要時進(jìn)行干預(yù)

4 級: 自動執(zhí)行動態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)；人類駕駛員無需干預(yù)

5 級: 完全自動化的動態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)；人類駕駛員無需坐在前排座椅上

插圖顯示了 SAE 所描述的自動駕駛級別的 6 個等級。

該分級體系在 2 級和 3 級之間存在一個重要轉(zhuǎn)變，即車輛的主要控制權(quán)從人類駕駛員轉(zhuǎn)移到自動駕駛系統(tǒng)，由自動駕駛系統(tǒng)負(fù)責(zé)大部分動態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)。迄今為止，一些自動駕駛汽車已達(dá)到 SAE 4 級，但還沒有達(dá)到 5 級的全自動駕駛級別。

一幅描述 5 級自動駕駛體驗的漫畫。

在全自動駕駛體驗成為現(xiàn)實之前，仍存在一些困難需要解決。在自動駕駛領(lǐng)域，一個重要的設(shè)計挑戰(zhàn)是優(yōu)化 激光探測和測距（激光雷達(dá)）系統(tǒng)。激光雷達(dá)的工作原理與聲吶和雷達(dá)類似，但它是基于光而不是聲波或無線電波。借助激光雷達(dá)技術(shù)，自動駕駛汽車和其他自動機器人能夠?qū)χ車h(huán)境進(jìn)行三維感知。激光雷達(dá)還被廣泛應(yīng)用于考古和林業(yè)等需要勘測地形的行業(yè)。

激光雷達(dá)的工作原理

激光雷達(dá)的工作原理非常簡單：向特定方向發(fā)射一束高強度窄光束；測量反向散射光返回靠近光源的接收器所需的時間（稱為飛行時間）；根據(jù)飛行時間計算到散射表面的距離。對一系列不同角度的光束重復(fù)這一過程并整合數(shù)據(jù)。最終得到周圍環(huán)境的圖像，只不過這里每個像素量化的是深度，而不是典型圖像中的顏色。

僅需一個簡單的公式，即可將飛行時間  轉(zhuǎn)換為距離 。假設(shè)光在恒定折射率  的介質(zhì)中傳播，我們可以得到：

其中， 為真空中的光速。在下面的應(yīng)用中，我們考慮的是空氣中的激光雷達(dá)，因此設(shè)置  。

安裝在車頂?shù)募す饫走_(dá)裝置示例。圖片由 Arno Mikkor 提供自己的作品。采用 CC BY 2.0 許可，通過 Flickr Creative Commons 共享。

要使激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)揮作用，還需要考慮一些實際問題：

從本質(zhì)上講，激光雷達(dá)的工作原理與雷達(dá)和聲吶類似，但與這兩種較為成熟的技術(shù)相比，激光雷達(dá)具備一些關(guān)鍵優(yōu)勢。例如，激光雷達(dá)使用的光波長（通常約為 1550 nm）比雷達(dá)使用的無線電波或聲吶使用的聲波短得多，因此分辨率更高。此外，光在空氣中的衰減遠(yuǎn)大小于聲波，故激光雷達(dá)的探測距離更遠(yuǎn)。聲吶一般只在水下使用，因為其在水下的衰減程度相對較弱。最后，光在空氣中的傳播對溫度和壓力變化的敏感度遠(yuǎn)低于聲速，因此使用激光雷達(dá)測得的距離比聲吶更準(zhǔn)確。

激光雷達(dá)也需要考慮一些局限性。與雷達(dá)和聲吶不同，激光雷達(dá)無法利用多普勒效應(yīng)來獲取物體的速度信息，因此需要足夠高的刷新率才能通過距離變化率來推斷速度。此外，透明和鏡面類表面不能產(chǎn)生大量反向散射光，因此難以被激光雷達(dá)探測到。

使用射線光學(xué)模塊模擬激光雷達(dá)

COMSOL Multiphysics® 中的時域射線追蹤算法非常適合模擬激光雷達(dá)。相較于傳統(tǒng)幾何光線追蹤方法，借助該算法可獲取每條光線的實際到達(dá)時間，從而實現(xiàn)更準(zhǔn)確的激光雷達(dá)模擬。如下圖所示。有關(guān)光線光學(xué)模塊的詳細(xì)信息，請查看這篇文章。接下來，讓我們來看看激光雷達(dá)的兩個示例模型：檢測十字路口障礙物的汽車和繪制房間布局圖的掃地機器人。在這兩個示例模型中，激光雷達(dá)單元均被作為成對的釋放特征（光源）和累加器（探測器）來實現(xiàn)。

COMSOL Multiphysics®（左）中瞬態(tài)射線追蹤與標(biāo)準(zhǔn)順序平面到平面射線追蹤（右）的差異描述。

用激光雷達(dá)探測障礙物

該模型由一輛裝有激光雷達(dá)單元的汽車組成，用于在十字路口探測行人和另一輛汽車。射線軌跡動畫和三個前端探測器瞬態(tài)信號圖如下所示。需要注意的是，此處只考慮了一個探測周期，而在實際場景中，這一過程每秒會重復(fù)多次。

汽車激光雷達(dá)模型的射線追蹤結(jié)果動畫。

繪圖顯示了前方三個探測器探測到的信號。前方和左前方探測器在 2 m 處達(dá)到峰值，探測到行人。右前方探測器在 7.5 m 處達(dá)到峰值，探測到另一輛汽車。

使用激光雷達(dá)掃描房間

第二個示例模型顯示了一臺掃地機器人通過旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)裝置掃描房間的情況。從下圖中可以看到，通過繪制飛行時間與旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系圖，可以復(fù)原出房間的布局。

顯示出射線軌跡激光雷達(dá)角度掃描動畫。

房間布局（左）與飛行時間（距離）和激光雷達(dá)裝置角度（右）關(guān)系的對比。