自動(dòng)駕駛汽車(chē)激光雷達(dá)的未來(lái)

　　與普遍的看法相反，自動(dòng)駕駛尚未實(shí)現(xiàn)幾年前承諾的結(jié)果。不幸的是，感官、光學(xué)、定性和時(shí)序?qū)用娴脑S多問(wèn)題對(duì)傳統(tǒng) LiDAR 的性能產(chǎn)生了負(fù)面影響。

　　盡管如此，許多公司仍在不斷改進(jìn)他們的方法和技術(shù)，并且已經(jīng)在市場(chǎng)上看到了出色的結(jié)果。其中一家公司 Baraja 已為多項(xiàng)技術(shù)申請(qǐng)了專(zhuān)利，這些技術(shù)將顯著改善自動(dòng)駕駛汽車(chē)的未來(lái)。

　　激光雷達(dá)的挑戰(zhàn)

　　自動(dòng)駕駛領(lǐng)域仍處于起步階段，汽車(chē)要像人類(lèi)一樣自動(dòng)駕駛還需要一段時(shí)間。盡管在優(yōu)化檢測(cè)和感知方面仍然存在許多挑戰(zhàn)，但技術(shù)無(wú)疑會(huì)一一解決所有這些挑戰(zhàn)。

　　正在進(jìn)行一項(xiàng)大型研究以改進(jìn)人類(lèi)使用的技術(shù)。換句話(huà)說(shuō)，解決方案必須精確地基于人類(lèi)駕駛員的方法和他們遵循的道路規(guī)則。

　　實(shí)現(xiàn)完全駕駛自主需要克服的一些最困難的挑戰(zhàn)包括：

　　從人類(lèi)駕駛員那里學(xué)習(xí)主要駕駛技術(shù)并在自主系統(tǒng)中實(shí)施

　　人工智能與自動(dòng)駕駛相關(guān)的改進(jìn)

　　充分利用傳感器

　　優(yōu)化傳感器以準(zhǔn)確檢測(cè)遠(yuǎn)距離物體

　　收集大量數(shù)據(jù)

　　增加以自主模式行駛的公里數(shù)

　　這些都是關(guān)鍵要求，旨在確保駕駛員、乘客、行人和機(jī)動(dòng)車(chē)的極其安全駕駛。

　　未來(lái)自動(dòng)駕駛將優(yōu)于人類(lèi)駕駛

　　克服上面列出的所有挑戰(zhàn)，在未來(lái)，至少在大部分行駛里程中，自動(dòng)駕駛和自動(dòng)駕駛的優(yōu)勢(shì)可能超過(guò)人類(lèi)所執(zhí)行的駕駛。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)人需要幾年的時(shí)間才能學(xué)會(huì)如何開(kāi)車(chē)。研究表明，在 25 歲時(shí)達(dá)到了完全的能力。換句話(huà)說(shuō)，人類(lèi)必須學(xué)會(huì)理解和概念化他們的周?chē)h(huán)境。此外，在學(xué)習(xí)駕駛技術(shù)之前，他們必須了解車(chē)輛、障礙物和危險(xiǎn)、人行橫道和道路標(biāo)志的概念。Baraja 首席商務(wù)官 Joseph Notaro 在汽車(chē)技術(shù)論壇的一次演講中說(shuō)：“這些是極其復(fù)雜的想法，大腦以自然而簡(jiǎn)單的方式執(zhí)行這些想法。”。 “為了更接近人類(lèi)駕駛行為，必須使用多模式傳感套件，配備用于停車(chē)輔助的超聲波傳感器、用于自動(dòng)緊急制動(dòng)的雷達(dá)、多個(gè)攝像頭，以及最后但并非最不重要的車(chē)載激光雷達(dá)。這已被證明可以顯著提高安全性?！?/p>

　　中央凹是人眼中的一個(gè)小區(qū)域，可產(chǎn)生最高分辨率的視覺(jué)，例如，當(dāng)駕駛員需要對(duì)道路上或道路附近的物體進(jìn)行分類(lèi)時(shí)。當(dāng)頭部指向一個(gè)物體時(shí)，中央凹被激活以對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行分類(lèi)。一旦大腦獲得了信息，駕駛員就可以通過(guò)再次將注意力集中在地平線(xiàn)上來(lái)安全地返回駕駛。

　　因此沒(méi)有必要以高分辨率持續(xù)監(jiān)控整個(gè)道路和周?chē)h(huán)境。監(jiān)測(cè)可以通過(guò)低分辨率周邊視覺(jué)進(jìn)行，優(yōu)化大腦生成和處理的數(shù)據(jù)量。獲取與對(duì)象速度相關(guān)的信息也非常重要，因?yàn)樗试S您從一組點(diǎn)中分割和提取更多數(shù)據(jù)。今天的激光雷達(dá)并非旨在幫助自動(dòng)駕駛汽車(chē)比人類(lèi)表現(xiàn)得更好、更安全。

　　激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠“看到”最遠(yuǎn)幾公里的東西是不夠的。最重要的信息是系統(tǒng)可以正確準(zhǔn)確地解釋對(duì)象的最大距離。因此，在任何情況下都必須根據(jù)數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行遠(yuǎn)距離準(zhǔn)確的目標(biāo)檢測(cè)。

　　光譜掃描激光雷達(dá)

　　與標(biāo)準(zhǔn) LiDAR 系統(tǒng)不同，Baraja 的 Spectrum-Scan 專(zhuān)利平臺(tái)采用了不同的方法。通過(guò)類(lèi)似棱鏡的光學(xué)元件折射光線(xiàn)用于掃描周?chē)鷧^(qū)域，而不是使用易碎的移動(dòng)部件和擺動(dòng)鏡。另一方面，在快軸上使用機(jī)械掃描的傳感器具有昂貴、笨重且容易發(fā)生故障的移動(dòng)部件。根據(jù) Notaro 的說(shuō)法，Baraja 的頻譜掃描 LiDAR 即使在最極端的環(huán)境中也能提供前所未有的范圍、精度和可靠性，并使用一種稱(chēng)為隨機(jī)調(diào)制連續(xù)波 （RMCW） 的信號(hào)處理方法，與更傳統(tǒng)的測(cè)距和檢測(cè)方法。

　　在實(shí)踐中，光通過(guò)光學(xué)棱鏡折射，可以輕松生成高分辨率掃描圖案。該系統(tǒng)通過(guò)利用這樣一種現(xiàn)象來(lái)“掃描”環(huán)境，即穿過(guò)棱鏡的白光被分成不同的顏色分量，每個(gè)分量都有自己的波長(zhǎng)，當(dāng)它穿過(guò)棱鏡時(shí)會(huì)以不同的角度折射。因此，使用工作在 1，550 nm 的可調(diào)諧波長(zhǎng)激光器和類(lèi)似棱鏡的光學(xué)器件來(lái)代替昂貴、笨重且不可靠的機(jī)械解決方案來(lái)引導(dǎo)激光束。

　　通過(guò)這種方式，無(wú)需使用任何機(jī)械部件即可管理和掃描數(shù)百行圖像。在實(shí)踐中，分辨率甚至可以管理 2000 行的垂直軸，比傳統(tǒng)方法好 10 倍。傳感器數(shù)據(jù)非常可靠，完美地描述了現(xiàn)實(shí)世界。它不受環(huán)境和其他激光雷達(dá)傳感器的干擾。因此，該系統(tǒng)基于折射光學(xué)，折射光可以以每秒超過(guò) 100 萬(wàn)次的速度掃描，而無(wú)需任何移動(dòng)部件。

　　注視點(diǎn)

　　一些當(dāng)前的 LiDAR 架構(gòu)無(wú)法動(dòng)態(tài)改變視場(chǎng) （FoV） 中的點(diǎn)密度，就像固定激光陣列的情況一樣。其他的，如振鏡和 MEMS，可能能夠在 FoV 內(nèi)產(chǎn)生高達(dá)單個(gè)更高密度的波段，但這樣做的代價(jià)是在其精細(xì)、快速移動(dòng)的掃描機(jī)制中產(chǎn)生額外的漏洞，使其不太適合汽車(chē)應(yīng)用程序。在現(xiàn)代 LiDAR 系統(tǒng)中，檢測(cè)和聚焦 FoV 中物體的能力至關(guān)重要。Baraja 的光譜掃描 LiDAR 可以動(dòng)態(tài)（幀到幀或幀內(nèi)）改變掃描模式，以在感興趣的區(qū)域提供最大密度，例如目標(biāo)遠(yuǎn)離傳感器時(shí)跟隨的地平線(xiàn)。

　　每點(diǎn)多普勒速度

　　即時(shí)速度測(cè)量旨在簡(jiǎn)化和改進(jìn)事件分割和預(yù)測(cè)，是下一代 LiDAR 傳感器啟用的附加功能。目前，從計(jì)算的角度來(lái)看，后續(xù)幀速率的計(jì)算是緩慢的、不精確的和昂貴的。如果行人意外走進(jìn)街道，感知系統(tǒng)必須能夠盡快識(shí)別事件。根據(jù) Notaro 的說(shuō)法，Baraja 的 LiDAR 無(wú)需額外計(jì)算即可提供瞬時(shí)、精確的每點(diǎn)多普勒速度信息。按速度分組有助于分割和預(yù)測(cè)物體的軌跡，從而獲得更好的感知結(jié)果。

　　無(wú)模糊點(diǎn)云

　　該解決方案允許人們?cè)谶h(yuǎn)距離獲得高質(zhì)量的點(diǎn)云，而不會(huì)因非固態(tài)掃描而產(chǎn)生模糊）。由于掃描過(guò)程中鏡子或激光的快速移動(dòng)，在機(jī)械掃描 LiDAR 系統(tǒng)中，模糊是一種正常現(xiàn)象。當(dāng)相機(jī)快速移動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似的效果，從而導(dǎo)致產(chǎn)生模糊的照片。在 200 米的距離處，模糊可能會(huì)使物品變得難以察覺(jué)和難以理解。

　　Spectrum-Scan 技術(shù)通過(guò)實(shí)時(shí)從一個(gè)點(diǎn)跳到另一個(gè)點(diǎn)的可調(diào)波長(zhǎng)激光器進(jìn)行掃描來(lái)消除模糊。與受錯(cuò)誤數(shù)據(jù)阻礙的傳統(tǒng)技術(shù)相比，這導(dǎo)致了無(wú)模糊的點(diǎn)云和更可靠的信息。

　　“高分辨率點(diǎn)云不僅取決于‘像素’的數(shù)量，還取決于‘像素’的質(zhì)量，”Notaro 說(shuō)?！霸?Baraja，我們努力設(shè)計(jì)我們的光學(xué)器件，以確保真正緊密、準(zhǔn)確的光束放置，因此您可以信任我們提供的數(shù)據(jù)。”

　　無(wú)斑點(diǎn)點(diǎn)云

　　這種方法可以實(shí)現(xiàn)一塵不染的圖像和高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在所有級(jí)別都具有更高的檢測(cè)概率。由于缺陷導(dǎo)致的圖像退化也是當(dāng)今 LiDAR 傳感器的一個(gè)典型問(wèn)題，這會(huì)導(dǎo)致誤報(bào)并大大降低正確分類(lèi)的可能性。得益于專(zhuān)有的硅光子芯片設(shè)計(jì)，Baraja 消除了圖像中的斑點(diǎn)，為它們提供了更好的視覺(jué)范圍，并為在高速公路上行駛做好了準(zhǔn)備。

　　抗干擾性

　　在受控條件下，激光雷達(dá)可以極其準(zhǔn)確地復(fù)制其環(huán)境。然而，當(dāng)外部影響出現(xiàn)時(shí)，例如強(qiáng)大的前照燈或直射陽(yáng)光，外來(lái)光源可能會(huì)淹沒(méi) LiDAR 的鏡頭并可能使探測(cè)器過(guò)飽和。Spectrum-Scan 平臺(tái)是第一款對(duì)所有干擾具有獨(dú)特內(nèi)置免疫力的 LiDAR。多層保護(hù)意味著不再有感知盲點(diǎn)和增強(qiáng)的安全性，為明天充滿(mǎn)傳感器的世界做好準(zhǔn)備。

　　結(jié)論

　　可靠的自動(dòng)駕駛成為現(xiàn)實(shí)只是時(shí)間問(wèn)題。目前限制這項(xiàng)技術(shù)全面發(fā)展的問(wèn)題必須得到解決。最重要的因素是精確可靠數(shù)據(jù)的可用性，這將使自動(dòng)化系統(tǒng)能夠執(zhí)行高度可靠的實(shí)時(shí)分析和處理，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)縫汽車(chē)集成。

　　審核編輯：郭婷