用于自主系統(tǒng)設(shè)計(jì)的激光雷達(dá)：對(duì)象分類還是對(duì)象檢測(cè)

作者：Sarven Ipek and Ron Kapusta

一個(gè)完全自主的明天的承諾似乎不再像一個(gè)白日夢(mèng)。今天，圍繞自主性的問題集中在實(shí)現(xiàn)自主性所需的底層技術(shù)和進(jìn)步上。光探測(cè)和測(cè)距（LIDAR）已成為支持向自主應(yīng)用轉(zhuǎn)變的最受討論的技術(shù)之一，但仍存在許多問題。范圍大于100米、角分辨率為0.1°的激光雷達(dá)系統(tǒng)繼續(xù)占據(jù)自動(dòng)駕駛技術(shù)頭條。但是，并非所有自治應(yīng)用程序都需要此級(jí)別的性能。代客泊車輔助和街道清掃等應(yīng)用就是兩個(gè)這樣的例子。有許多深度傳感技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用，例如無線電探測(cè)和測(cè)距（雷達(dá)）、立體視覺、超聲波檢測(cè)和測(cè)距以及激光雷達(dá)。但是，這些傳感器中的每一個(gè)在性能、外形尺寸和成本之間都有獨(dú)特的權(quán)衡。超聲波設(shè)備是最實(shí)惠的，但在范圍、分辨率和可靠性方面受到限制。雷達(dá)在范圍和可靠性方面有了很大的改進(jìn)，但它也有角分辨率的限制，而立體視覺如果校準(zhǔn)不當(dāng)，可能會(huì)有很大的計(jì)算開銷和精度限制。周到的 LIDAR 系統(tǒng)設(shè)計(jì)有助于彌合這些差距，具有精確的深度傳感、精細(xì)的角度分辨率和低復(fù)雜度處理，即使在遠(yuǎn)距離也是如此。然而，激光雷達(dá)系統(tǒng)通常被認(rèn)為是笨重和昂貴的，事實(shí)并非如此。

激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)從識(shí)別系統(tǒng)需要檢測(cè)的最小物體、該物體的反射率以及該物體的位置開始。這將定義系統(tǒng)的角度分辨率。由此，可以計(jì)算出可實(shí)現(xiàn)的最小信噪比（SNR），這是檢測(cè)物體所需的真/假陽性或陰性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

了解感知環(huán)境和必要的信息量，以做出適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)權(quán)衡，可以開發(fā)相對(duì)于成本和性能的最佳解決方案。例如，考慮一輛自動(dòng)駕駛汽車以 100 公里/小時(shí)（~62 英里/小時(shí)）的速度在道路上行駛，而自主機(jī)器人以 6 公里/小時(shí)的速度在行人空間或倉庫周圍移動(dòng)。在高速情況下，可能不僅要考慮以 100 公里/小時(shí)行駛的車輛，還要考慮另一輛以相同速度向相反方向行駛的車輛。對(duì)于感知系統(tǒng)來說，這相當(dāng)于一個(gè)物體以200公里/小時(shí)的相對(duì)速度接近。對(duì)于在最大距離為 200 m 處檢測(cè)物體的 LIDAR 傳感器，車輛將在一秒鐘內(nèi)將它們之間的距離拉近 25%。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，車輛的速度（或?qū)ξ矬w的非線性關(guān)閉速度）、停車距離和執(zhí)行規(guī)避機(jī)動(dòng)所涉及的動(dòng)力學(xué)是每種情況所特有的復(fù)雜性。一般來說，可以說高速應(yīng)用需要更長距離的激光雷達(dá)系統(tǒng)。

分辨率是激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要系統(tǒng)特性。精細(xì)的角度分辨率使激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠從單個(gè)物體接收多個(gè)像素的返回信號(hào)。如圖 1 所示，1° 角分辨率轉(zhuǎn)換為在 200 m 范圍內(nèi)每側(cè) 3.5 m 的像素。這種尺寸的像素比許多需要檢測(cè)的對(duì)象都要大，這帶來了一些挑戰(zhàn)。首先，空間平均通常用于提高SNR和可檢測(cè)性，但由于每個(gè)物體只有一個(gè)像素，因此不是一種選擇。此外，即使檢測(cè)到，也無法預(yù)測(cè)物體的大小。一塊道路碎片、一只動(dòng)物、一個(gè)交通標(biāo)志和一輛摩托車通常都小于 3.5 米。相比之下，角分辨率為0.1°的系統(tǒng)像素小10倍，應(yīng)該在200米距離的平均寬度汽車上測(cè)量大約五個(gè)相鄰的回波。大多數(shù)汽車的尺寸通常比它們的高度寬;因此，該系統(tǒng)可能會(huì)將汽車與摩托車區(qū)分開來。

與方位角相比，檢測(cè)物體是否可以安全驅(qū)動(dòng)需要更精細(xì)的仰角分辨率?，F(xiàn)在想象一下，自主真空機(jī)器人的要求會(huì)有多大不同，因?yàn)樗羞M(jìn)緩慢，需要檢測(cè)狹窄但很高的物體，如桌腿。

圖1.具有 32 個(gè)垂直通道的 LIDAR 系統(tǒng)以 1° 的角度分辨率水平掃描環(huán)境。

通過定義行進(jìn)距離和速度，以及確定目標(biāo)和后續(xù)性能要求，可以確定激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的架構(gòu)。有許多選擇需要做出，例如掃描與閃存，或直接飛行時(shí)間（ToF）與波形數(shù)字化，但它們的權(quán)衡超出了本文的范圍。無論選擇哪種架構(gòu)，ADI公司豐富的高性能信號(hào)鏈和電源管理元件產(chǎn)品組合（以藍(lán)色突出顯示）（見圖2）都能提供所需的構(gòu)建模塊，幫助設(shè)計(jì)具有不同約束條件（如外形尺寸和成本）的系統(tǒng)。

圖2.激光雷達(dá)系統(tǒng)的分立元件。

AD-FMCLIDAR1-EBZ是一款高性能激光雷達(dá)原型設(shè)計(jì)平臺(tái)，是一款905 nm脈沖直接ToF LIDAR開發(fā)套件。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人、無人機(jī)、農(nóng)業(yè)和建筑設(shè)備的快速原型設(shè)計(jì)，以及具有 1D 靜態(tài)閃存配置的 ADAS/AV。為本參考設(shè)計(jì)選擇的組件面向長距離脈沖激光雷達(dá)應(yīng)用。該系統(tǒng)采用905 nm激光源設(shè)計(jì)，由高速雙通道4 A MOSFETADP3634驅(qū)動(dòng)。它還包括一個(gè)由 LT8331（可編程電源）供電的第一傳感器 16 通道 APD 陣列，用于產(chǎn)生 APD 電源電壓。有多個(gè)4通道LTC6561 TIA具有低噪聲和高帶寬，還有一個(gè)AD9094 1 GSPS、8位ADC，其每通道功耗最低，為435 mW/通道。將繼續(xù)需要增加帶寬和采樣率，這有助于提高整體系統(tǒng)幀速率和范圍精度。同時(shí)，最大限度地降低功耗也很重要，因?yàn)楦俚纳岷?jiǎn)化了散熱/機(jī)械設(shè)計(jì)，并允許減小外形尺寸。

圖3.ADI公司AD-FMCLIDAR1-EBZ激光雷達(dá)開發(fā)解決方案系統(tǒng)架構(gòu)。

范圍或深度精度與ADC采樣速率有關(guān)。距離精度使系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確知道物體的距離，這在需要近距離移動(dòng)的用例中至關(guān)重要，例如停車或倉庫物流。此外，范圍隨時(shí)間的變化可用于計(jì)算速度，此用例通常需要更好的距離精度。使用直接ToF等簡(jiǎn)單閾值算法，在1 ns采樣周期（即使用1 GSPS ADC）下可實(shí)現(xiàn)的距離精度為15 cm。計(jì)算公式為 c（dt/2），其中 c 是光速，dt 是 ADC 采樣周期。然而，考慮到包括ADC，可以使用更復(fù)雜的技術(shù)（如插值）來提高范圍精度。據(jù)估計(jì)，距離精度可以大致提高SNR的平方根。用于處理數(shù)據(jù)的最高性能算法之一是匹配濾波器，它可以最大化SNR，然后進(jìn)行插值以產(chǎn)生最佳范圍精度。

EVAL-ADAL6110-16是一款高度可配置的評(píng)估系統(tǒng)，是激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的輔助工具。它為需要實(shí)時(shí) （65 Hz） 物體檢測(cè)/跟蹤的應(yīng)用（如防撞、高度監(jiān)控和軟著陸）提供了簡(jiǎn)化但可配置的 2D Flash LIDAR 深度傳感器。

參考設(shè)計(jì)中使用的光學(xué)器件產(chǎn)生 37°（方位角）x 5.7°（仰角）的視場(chǎng) （FOV）。對(duì)于以方位角定向的 16 個(gè)像素的線性陣列，20 m 處的像素大小與普通成人 0.8 m（方位角）× 2 m（仰角）相當(dāng)。如前所述，不同的應(yīng)用可能需要不同的光學(xué)配置。如果現(xiàn)有的光學(xué)器件不能滿足應(yīng)用需求，則可以輕松地將印刷電路板從外殼中取出并集成到新的光學(xué)配置中。

該評(píng)估系統(tǒng)圍繞ADI公司的ADAL6110-16構(gòu)建，ADAL6110-16是一款低功耗、16通道、集成式LIDAR信號(hào)處理器（LSP）。該器件提供用于照亮目標(biāo)場(chǎng)的時(shí)序控制、對(duì)接收波形進(jìn)行采樣的時(shí)序以及將捕獲的波形數(shù)字化的能力。ADAL6110-16集成了敏感的模擬節(jié)點(diǎn)，降低了本底噪聲，使系統(tǒng)能夠捕獲非常低的信號(hào)返回，而不是使用具有相似設(shè)計(jì)參數(shù)的分立元件實(shí)現(xiàn)相同的信號(hào)鏈，其中均方根噪聲可能主導(dǎo)設(shè)計(jì)。此外，集成信號(hào)鏈允許LIDAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)減小尺寸、重量和功耗。

該系統(tǒng)軟件可實(shí)現(xiàn)快速的正常運(yùn)行時(shí)間以進(jìn)行測(cè)量并開始使用測(cè)距系統(tǒng)。它是完全獨(dú)立的，通過USB采用5 V單電源供電，并且還可以通過提供的機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）驅(qū)動(dòng)程序輕松集成到自主系統(tǒng)中。用戶只需為接頭創(chuàng)建一個(gè)連接器，即可與機(jī)器人或車輛連接，并通過四種可用通信協(xié)議之一進(jìn)行通信：SPI、USB、CAN 或 RS-232。參考設(shè)計(jì)還可以針對(duì)不同的接收器和發(fā)射器技術(shù)進(jìn)行修改。有關(guān)EVAL-ADAL6110-16和ADAL6110-16 LSP的更多信息，請(qǐng)參見 analog.com/LIDAR。

如前所述，可以修改EVAL-ADAL6110-16參考設(shè)計(jì)的接收器技術(shù)，以創(chuàng)建不同的配置，如圖5至圖7所示。EVAL-ADAL6110-16 配備濱松 S8558 16 元件光電二極管陣列。表1中顯示的不同距離處的像素大小基于有效像素尺寸（0.8 mm×2 mm）以及20 mm焦距鏡頭。例如，如果使用單獨(dú)的光電二極管（如歐司朗 SFH2701）重新設(shè)計(jì)同一電路板，每個(gè)光電二極管的有效面積為 0.6 mm × 0.6 mm，則相同范圍內(nèi)的像素大小將大不相同，因?yàn)?FOV 會(huì)根據(jù)像素大小而變化。

例如，讓我們回顧一下 S8558，其 16 個(gè)像素排列成一條線，每個(gè)像素尺寸：2 毫米× 0.8 毫米。

圖5.濱松 S8558 PIN 光電二極管陣列的尺寸。

選擇20 mm焦距鏡頭后，可以使用基本三角函數(shù)計(jì)算每個(gè)像素的垂直和水平FOV，如圖6所示。當(dāng)然，鏡頭選擇可能涉及其他更復(fù)雜的考慮因素，例如像差校正和視場(chǎng)曲率。然而，對(duì)于像這樣的低分辨率系統(tǒng)，簡(jiǎn)單的計(jì)算通常就足夠了。

圖6.使用簡(jiǎn)單光學(xué)器件對(duì)角分辨率進(jìn)行的基本計(jì)算。

所選的 1 × 16 像素 FOV 可用于自動(dòng)駕駛汽車和自主地面車輛的物體檢測(cè)和防撞等應(yīng)用，或在倉庫等受限環(huán)境中為機(jī)器人啟用同步定位和映射 （SLAM）。

一個(gè)獨(dú)特的應(yīng)用程序涉及在 4 × 4 網(wǎng)格中配置陣列以檢測(cè)系統(tǒng)周圍的對(duì)象。這個(gè)正在開發(fā)中的應(yīng)用程序?qū)惭b在汽車和房車上，作為車輛周圍的安全氣泡，如果分心的人在公共汽車附近行走，可以警告駕駛員。該系統(tǒng)可以檢測(cè)個(gè)人行走的方向，并通過停車或用喇叭提醒行人來警告駕駛員采取行動(dòng)，以防止撞到個(gè)人或騎自行車的人。

請(qǐng)記住，并非每個(gè)應(yīng)用都需要 0.1° 角分辨率和 100 m 范圍。花點(diǎn)時(shí)間考慮應(yīng)用對(duì)激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的真正需求，然后明確定義關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，例如物體大小、反射率、到物體的距離以及自主系統(tǒng)的行進(jìn)速度。這將為組件選擇提供信息，以實(shí)現(xiàn)相對(duì)于系統(tǒng)所需功能的最佳性能和成本的平衡設(shè)計(jì)，最終增加首次成功設(shè)計(jì)的可能性。

審核編輯：郭婷