無人駕駛汽車的眼睛：激光雷達(dá)大揭秘！

無人駕駛汽車怎么自動(dòng)駕駛呢？靠的是LIDAR，即激光雷達(dá)傳感器，它也被稱為無人駕駛汽車的眼睛。 LIDAR是個(gè)合成詞，取自“l(fā)ight”（光）和“radar”（雷達(dá)）。顧名思義，此類傳感器是靠向物體發(fā)出光，通過測(cè)量光反射所用的時(shí)間來檢視周圍壞境的。用在無人駕駛汽車上，功能很強(qiáng)大，只是目前LIDAR的設(shè)計(jì)笨重且價(jià)格不菲。

激光雷達(dá)，英文全稱為Light Detection And Ranging，簡稱LiDAR，即光探測(cè)與測(cè)量，是一種集激光、全球定位系統(tǒng)（GPS）和IMU（Inertial Measurement Unit，慣性測(cè)量裝置）三種技術(shù)于一身的系統(tǒng)，用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確的DEM（數(shù)字高程模型）。這三種技術(shù)的結(jié)合，可以高度準(zhǔn)確地定位激光束打在物體上的光斑，測(cè)距精度可達(dá)厘米級(jí)，激光雷達(dá)最大的優(yōu)勢(shì)就是“精準(zhǔn)”和“快速、高效作業(yè)”。它是一種用于精確獲得三維位置信息的傳感器，其在機(jī)器中的作用相當(dāng)于人類的眼睛，能夠確定物體的位置、大小、外部形貌甚至材質(zhì)。

LiDAR通過測(cè)量激光信號(hào)的時(shí)間差、相位差確定距離，通過水平旋轉(zhuǎn)掃描或相控掃描測(cè)角度，并根據(jù)這兩個(gè)數(shù)據(jù)建立二維的極坐標(biāo)系;再通過獲取不同俯仰角度的信號(hào)獲得第三維的高度信息。

高頻激光可在一秒內(nèi)獲取大量（106-107數(shù)量級(jí)）的位置點(diǎn)信息（稱為點(diǎn)云），并根據(jù)這些信息進(jìn)行三維建模。除了獲得位置信息外，它還可通過激光信號(hào)的反射率初步區(qū)分不同材質(zhì)。

激光雷達(dá)是自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵技術(shù)

Lidar大致分為機(jī)載和地面兩大類應(yīng)用，其中機(jī)載激光雷達(dá)是一種安裝在飛機(jī)上的機(jī)載激光探測(cè)和測(cè)距系統(tǒng)，可以量測(cè)地面物體的三維坐標(biāo)。早在上世紀(jì)七十年代，由美國航天局研發(fā)，LIDAR測(cè)繪技術(shù)空載激光掃瞄技術(shù)開始了發(fā)展，并且速度飛快，約在1995年開始商業(yè)化。

除了軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，激光雷達(dá)也迅速向民用市場(chǎng)擴(kuò)展。其中，無人駕駛可以說是最熱門的一個(gè)應(yīng)用。

將Lidar應(yīng)用于自動(dòng)駕駛，要追溯到美國的DARPA （美國國防高等研究計(jì)劃署），它每年都會(huì)舉辦無人駕駛汽車挑戰(zhàn)賽，在2007年的DARPA挑戰(zhàn)賽上，7支參賽隊(duì)伍中的6支都采用了Velodyne公司設(shè)計(jì)的Lidar，最終的第一二名就出自這六只參賽隊(duì)。這引起了準(zhǔn)備研發(fā)無人駕駛車的谷歌的注意，之后谷歌組建了隊(duì)伍，據(jù)稱，最初的人員就來自這些參賽隊(duì)員。谷歌于2009年推出無人駕駛汽車項(xiàng)目，在其無人車原型中使用的就是Velodyne公司的Lida。

激光雷達(dá)在無人車市場(chǎng)的應(yīng)用

近幾年，無人駕駛汽車市場(chǎng)發(fā)展火熱，谷歌之后，百度、Uber等主流無人駕駛汽車研發(fā)團(tuán)隊(duì)都在使用激光雷達(dá)作為傳感器之一，與圖像識(shí)別等技術(shù)搭配使用，使汽車實(shí)現(xiàn)對(duì)路況的判斷。

傳統(tǒng)的汽車廠商也紛紛開始研發(fā)無人駕駛汽車，包括大眾、日產(chǎn)、豐田等公司都在研發(fā)和測(cè)試無人駕駛汽車技術(shù)，他們也都采用了激光雷達(dá)。

激光雷達(dá)的特點(diǎn)

Lidar系統(tǒng)測(cè)量3D空間中每個(gè)像素到發(fā)射器間的距離和方向，通過傳感器創(chuàng)造出真實(shí)世界完整的3D模型。操作Lidar系統(tǒng)的基本方法是發(fā)射一束激光，然后測(cè)量光在物體表面反射而返回來的信號(hào)。Lidar模塊接收到反射回來的信號(hào)所需的時(shí)間提供了一種直接測(cè)量Lidar系統(tǒng)與物體之間的距離的手段。關(guān)于物體的額外的信息，比如它的速率或材料成分，也可以通過測(cè)量反射回來的信號(hào)中的某些特性而得以確定，這些特性包括誘導(dǎo)多普勒頻移（induced Doppler shift）。最后，通過操控發(fā)射出去的光，可以測(cè)量出環(huán)境中許多不同的點(diǎn)，從而創(chuàng)建出完整的3D模型。

激光雷達(dá)（LiDAR）類似于雷達(dá)（radar），但是分辨率更高，因?yàn)楣獾牟ㄩL大約比無線電的波長小10萬倍。它可以區(qū)分真實(shí)移動(dòng)中的行人和人物海報(bào)、在三維立體的空間中建模、檢測(cè)靜態(tài)物體、精確測(cè)距。

Lidar是通過發(fā)射激光束來探測(cè)目標(biāo)位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)，具有測(cè)量精度高、方向性好等優(yōu)點(diǎn)，具體如下：

1、具有極高的分辨率

激光雷達(dá)工作于光學(xué)波段，頻率比微波高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)以上，因此，與微波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)具有極高的距離分辨率、角分辨率和速度分辨率；

2、抗干擾能力強(qiáng)

激光波長短，可發(fā)射發(fā)散角非常?。é蘲ad量級(jí)）的激光束，多路徑效應(yīng)小（不會(huì)形成定向發(fā)射，與微波或者毫米波產(chǎn)生多路徑效應(yīng)），可探測(cè)低空/超低空目標(biāo)；

3、獲取的信息量豐富

可直接獲取目標(biāo)的距離、角度、反射強(qiáng)度、速度等信息，生成目標(biāo)多維度圖像；

4、可全天時(shí)工作

激光主動(dòng)探測(cè)，不依賴于外界光照條件或目標(biāo)本身的輻射特性。它只需發(fā)射自己的激光束，通過探測(cè)發(fā)射激光束的回波信號(hào)來獲取目標(biāo)信息。

但是激光雷達(dá)最大的缺點(diǎn)——容易受到大氣條件以及工作環(huán)境的煙塵的影響，要實(shí)現(xiàn)全天候的工作環(huán)境是非常困難的事情。

激光雷達(dá)的原理與結(jié)構(gòu)

與雷達(dá)原理相似，激光雷達(dá)使用的技術(shù)是飛行時(shí)間（TOF， Time of Flight）。具體而言，就是根據(jù)激光遇到障礙物后的折返時(shí)間，計(jì)算目標(biāo)與自己的相對(duì)距離。激光光束可以準(zhǔn)確測(cè)量視場(chǎng)中物體輪廓邊沿與設(shè)備間的相對(duì)距離，這些輪廓信息組成所謂的點(diǎn)云并繪制出3D環(huán)境地圖，精度可達(dá)到厘米級(jí)別，從而提高測(cè)量精度。

想象一下，當(dāng)發(fā)出光脈沖時(shí)啟動(dòng)秒表，然后當(dāng)光脈沖（從遇到的第一個(gè)物體反射出來）返回時(shí)停止計(jì)時(shí)器。通過測(cè)量激光的“飛行時(shí)間”，并且知道脈沖行進(jìn)的速度，就可以計(jì)算距離。光以每秒30萬千米的速度傳播，因此需要非常高精度的設(shè)備來產(chǎn)生關(guān)于距離的數(shù)據(jù)。

為了產(chǎn)生完整的點(diǎn)云，傳感器必須能夠非?？焖俚貙?duì)整個(gè)環(huán)境進(jìn)行采樣。激光雷達(dá)能夠做到這一點(diǎn)的一種方式是通過在單個(gè)發(fā)射器/接收器上使用非常高的采樣率。 每個(gè)發(fā)射器每秒發(fā)射數(shù)萬或數(shù)十萬個(gè)激光脈沖。這意味著，多達(dá)100000個(gè)激光脈沖在1秒內(nèi)完成從激光器單元上的發(fā)射器到被測(cè)量的物體的往返行程，并返回到激光雷達(dá)單元上位于發(fā)射器附近的接收器。

然而，固定線不足以映射整個(gè)環(huán)境——它只是在非常集中的區(qū)域給出非常清晰的分辨率。因此，許多激光雷達(dá)系統(tǒng)使用旋轉(zhuǎn)組件或旋轉(zhuǎn)鏡來使線圍繞環(huán)境進(jìn)行360度掃描。常見的策略包括使單個(gè)發(fā)射器和接收器向上或下偏轉(zhuǎn)使激光器視野覆蓋范圍更大。 例如，Velodyne的64線激光雷達(dá)系統(tǒng)具有26.8度的垂直視角（通過旋轉(zhuǎn)使其擁有360的度水平視角）。這個(gè)激光雷達(dá)可以從50米開外看到一個(gè)12米高的物體的頂部。

下圖中可以看到，距離激光雷達(dá)的遠(yuǎn)近不同，點(diǎn)云的疏密程度也不相同，這是由于數(shù)據(jù)保真度隨著距離而下降。雖然它不是完美的，但是較高分辨率可用于較近的物體，因?yàn)殡S著到傳感器的距離增加，發(fā)射器之間的角度（例如，2度）會(huì)導(dǎo)致這些點(diǎn)帶之間的間隔更大。

在ADAS系統(tǒng)中，激光雷達(dá)通過透鏡、激光發(fā)射及接收裝置，基于TOF飛行時(shí)間原理獲得目標(biāo)物體位置、移動(dòng)速度等特征數(shù)據(jù)并將其傳輸給數(shù)據(jù)處理器；同時(shí)，汽車的速度、加速度、方向等特征數(shù)據(jù)也將通過CAN總線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理器；數(shù)據(jù)處理器對(duì)目標(biāo)物體及汽車本身的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理并根據(jù)處理結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的被動(dòng)警告指令或主動(dòng)控制指令，以此實(shí)現(xiàn)輔助駕駛功能。

下圖展現(xiàn)的是谷歌無人駕駛公司W(wǎng)aymo在汽車上使用的激光雷達(dá)的布局：

激光雷達(dá)的分類

激光雷達(dá)按有無機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件分類，包括機(jī)械激光雷達(dá)和固態(tài)激光雷達(dá)。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)則依靠電子部件來控制激光發(fā)射角度，無需機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件。

機(jī)械激光雷達(dá)由光電二極管、MEMS反射鏡、激光發(fā)射接受裝置等組成，其中機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件是指圖中可360°控制激光發(fā)射角度的MEMS發(fā)射鏡。

固態(tài)激光雷達(dá)與機(jī)械雷達(dá)不同，它通過光學(xué)相控陣列（Optical Phased Array）、光子集成電路（Photonic IC）以及遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖（Far Field Radiation Pattern）等電子部件代替機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光角度的調(diào)整。

光學(xué)相控陣和微波相控陣是一個(gè)原理，利用的是光的相干干涉，出現(xiàn)了相位差，也就出現(xiàn)了干涉峰。所以如何讓通過器件后光產(chǎn)生相位差是研究的重點(diǎn)，這就需要找到合適的材料和激發(fā)方法?，F(xiàn)在的激發(fā)方法主要是電光掃描，也就是通過加電使材料產(chǎn)生相位差?，F(xiàn)在兩種比較熱，一個(gè)是光波導(dǎo)陣列，一個(gè)是MEMS器件的，MEMS器件這個(gè)優(yōu)點(diǎn)是掃描的速度快，但是感覺不是那么必要，因?yàn)槠款i還是在掃描角度這兒，所以現(xiàn)在MEMS原理的商業(yè)產(chǎn)品還沒有看到。

光波導(dǎo)陣列通過加電方式來實(shí)現(xiàn)光束掃描，利用光波導(dǎo)電光效應(yīng)，對(duì)波導(dǎo)芯層加載電壓，使每個(gè)波導(dǎo)芯層具有不同的附加折射率，波束得以在波導(dǎo)陣元輸出截面光場(chǎng)具有不同的附加相位差，相位差按一定規(guī)律分布可引起輸出光速的偏轉(zhuǎn)。通過相位差按照一定規(guī)律分布輸出，從而實(shí)現(xiàn)光束的掃描。

固態(tài)激光雷達(dá)優(yōu)勢(shì)：響應(yīng)速度快，控制電壓低，掃描角度大，價(jià)格低。

由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)有所差別，兩種激光雷達(dá)的體積大小也不盡相同。機(jī)械激光雷達(dá)體積較大、價(jià)格昂貴、測(cè)量精度相對(duì)較高，一般置于汽車外部。固態(tài)激光雷達(dá)尺寸較小、性價(jià)比較高、測(cè)量精度相對(duì)低一些，但可隱藏于汽車車體內(nèi)，不會(huì)破壞外形美觀。

根據(jù)線束數(shù)量的多少，激光雷達(dá)又可分為單線束激光雷達(dá)與多線束激光雷達(dá)。

顧名思義，單線束激光雷達(dá)掃描一次只產(chǎn)生一條掃描線， 其所獲得的數(shù)據(jù)為2D數(shù)據(jù)，因此無法區(qū)別有關(guān)目標(biāo)物體的3D信息。不過， 由于單線束激光雷達(dá)具有測(cè)量速度快、數(shù)據(jù)處理量少等特點(diǎn)， 多被應(yīng)用于安全防護(hù)、地形測(cè)繪等領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的激光雷達(dá)掃描視場(chǎng)非常小，如果想360度的觀察周圍，怎么辦？最自然的辦法就是多搞幾束激光，線數(shù)越多覆蓋的角度越大。

多線束激光雷達(dá)掃描一次可產(chǎn)生多條掃描線，目前市場(chǎng)上多線束產(chǎn)品包括4線束、8線束、16線束、32線束、64線束等，其細(xì)分可分為2.5D激光雷達(dá)及3D激光雷達(dá)。2.5D激光雷達(dá)與3D激光雷達(dá)最大的區(qū)別在于激光雷達(dá)垂直視野的范圍，前者垂直視野范圍一般不超過10°，而后者可達(dá)到30°甚至40°以上，這也就導(dǎo)致兩者對(duì)于激光雷達(dá)在汽車上的安裝位置要求有所不同。

激光雷達(dá)的參數(shù)指標(biāo)

測(cè)量距離、測(cè)量精度、測(cè)量速率、角度分辨率是決定三維激光雷達(dá)性能的幾個(gè)重要指標(biāo)。

例如，在無人駕駛汽車這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)激光雷達(dá)的探測(cè)距離是有要求的。比如說高速公路上要能夠檢測(cè)到前方車輛，還有在十字路口上，要能夠觀測(cè)馬路對(duì)面的汽車。

有趣的是，精度不是越高越好。激光雷達(dá)獲取的的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行障礙物識(shí)別、動(dòng)態(tài)物體檢測(cè)及定位，如果精度太差就無法達(dá)到以上目的；但是，精度太好也有問題，高精度對(duì)激光雷達(dá)的硬件提出很大的要求，計(jì)算量會(huì)非常大，成本也會(huì)非常高。所以精度應(yīng)該是適中就好。

還有一點(diǎn)不能忽視的是角分辨率，角分辨率決定打出去后的兩個(gè)激光點(diǎn)之間的距離。單點(diǎn)測(cè)距精度達(dá)到后，如果打到物體表面兩點(diǎn)間距離（點(diǎn)位）太遠(yuǎn)，測(cè)距精度也就失去意義了。

激光雷達(dá)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

機(jī)遇

激光雷達(dá)在智能機(jī)器生態(tài)系統(tǒng)中有很多機(jī)遇。與使用二維圖像相比，點(diǎn)云能夠更容易的被計(jì)算機(jī)使用，用于構(gòu)建物理環(huán)境的三維形象——二維圖像是人腦最容易理解的數(shù)據(jù)，而對(duì)于計(jì)算機(jī)來說，點(diǎn)云是最容易理解的。

二維激光雷達(dá)掃描器可在戶外使用，并專為移動(dòng)、低功耗應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它只用了競爭對(duì)手近四分之一的成本，這將給這類傳感器帶來全新的應(yīng)用（我們?cè)诤芏嗥渌愋偷膫鞲衅髦幸呀?jīng)看到過這樣的現(xiàn)象）。 二維激光雷達(dá)也可以被搭載到另一個(gè)旋轉(zhuǎn)的元件上以產(chǎn)生環(huán)境中完整的三維點(diǎn)云。

其他公司正在尋求降低系統(tǒng)成本的其他策略，例如Quanergy的固態(tài)激光雷達(dá)。該系統(tǒng)大體與上文已介紹的系統(tǒng)相同，然而，與使用旋轉(zhuǎn)光學(xué)器件來移動(dòng)光束不同的是，它們使用 “相控陣列光學(xué)系統(tǒng)”來引導(dǎo)激光脈沖的方向，它可以在某一方向上釋放一個(gè)激光脈沖，而讓下一個(gè)脈沖（1微秒之后）瞄準(zhǔn)視野中的其它地方。

它能夠?qū)崟r(shí)關(guān)注視野范圍內(nèi)看似移動(dòng)的物體，這是對(duì)人類駕駛員的模仿——后者能及時(shí)注意到即將進(jìn)入汽車所行駛的道路的障礙物。Quanergy系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為能在沒有機(jī)械移動(dòng)的情況下做到這一點(diǎn)，并且每秒采樣大約100萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)——這與64線旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)的速度相當(dāng)，卻能顯著降低成本。它另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是更容易被集成在反光鏡和保險(xiǎn)杠等其他汽車部件上。

另外，更大和功率更高的系統(tǒng)也正在開發(fā)中，它可以從在3萬英尺高度飛行的飛機(jī)上對(duì)地面成像，其分辨率足以能夠看到地面上的車輛。雖然這些系統(tǒng)的市場(chǎng)需求更小，且成本更高，但其發(fā)展將繼續(xù)降低傳感器技術(shù)的整體成本。

挑戰(zhàn)

1、材質(zhì)

由于激光雷達(dá)基于對(duì)激光脈沖返回傳感器所需時(shí)間的測(cè)量，因此高反射率的表面會(huì)帶來問題。大多數(shù)材料從微觀水平上看表面粗糙，并且向所有方向散射光；這類散射光的一小部分返回到傳感器，并且足以產(chǎn)生距離數(shù)據(jù)。然而，如果表面反射率非常高，光就會(huì)向遠(yuǎn)離傳感器的方向散射，那么這一區(qū)域的點(diǎn)云就會(huì)不完整。

2、環(huán)境

空氣中的環(huán)境也可以對(duì)激光雷達(dá)讀數(shù)造成影響。記錄顯示，大霧和大雨會(huì)減弱發(fā)射的激光脈沖而對(duì)激光雷達(dá)造成影響。為了解決這些問題，較大功率的激光器投入使用，但它對(duì)于較小的、移動(dòng)或?qū)β拭舾械膽?yīng)用來說并不是一個(gè)好的解決方案。

3、行駛速度

激光雷達(dá)系統(tǒng)面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是旋轉(zhuǎn)時(shí)的刷新率相對(duì)較慢。系統(tǒng)的刷新速率受復(fù)雜的光學(xué)器件旋轉(zhuǎn)速度的限制。激光雷達(dá)系統(tǒng)最快的旋轉(zhuǎn)速率大約是10Hz，這限制了數(shù)據(jù)流的刷新速率。當(dāng)傳感器旋轉(zhuǎn)時(shí)，以60英里/小時(shí)行駛的汽車在1/10秒內(nèi)行進(jìn)8.8英尺，因此傳感器對(duì)于在汽車駛過期間在這8.8英尺內(nèi)發(fā)生的變化基本上是看不清的。更重要的是，激光雷達(dá)覆蓋的范圍（在完美條件下）為100-120米，這對(duì)于以60英里/小時(shí)行駛的汽車來說僅相當(dāng)于不到4.5秒的行駛時(shí)間。

4、成本

也許對(duì)于激光雷達(dá)來說，高昂的設(shè)備成本是它需要克服的最大挑戰(zhàn)。盡管自該技術(shù)得到應(yīng)用以來其成本已大幅降低，但仍然是它被大范圍采用的一個(gè)重要障礙。對(duì)于主流汽車工業(yè)來說，一個(gè)價(jià)值2萬美元的傳感器將無法被市場(chǎng)接受。伊隆·馬斯克說：“我不認(rèn)為它對(duì)于汽車的發(fā)展是有意義的，我認(rèn)為它不是必須的。”

5、屬性識(shí)別

雖然我們將激光雷達(dá)視為計(jì)算機(jī)視覺的一個(gè)組件，但點(diǎn)云卻是完全基于幾何呈現(xiàn)的。相反，人眼除了形狀之外還能識(shí)別物體的其他物理屬性，比如顏色和紋理?，F(xiàn)在的激光雷達(dá)系統(tǒng)不能區(qū)分紙袋和巖石之間的差別，而這本應(yīng)是傳感器理解和試圖避開障礙物時(shí)考慮的因素。

6、黑客攻擊

激光雷達(dá)發(fā)出去的激光本身是沒有編碼的。所以接收器自己本身是沒辦法識(shí)別到底這束光線是它隔壁發(fā)射器發(fā)射出去的還是干擾信號(hào)。黑客攻擊指的是采取模擬車輛、行人的信號(hào)，反饋給激光雷達(dá)造成周圍存在障礙物假象的攻擊手法。最終會(huì)導(dǎo)致汽車被強(qiáng)制減速或者剎車。

對(duì)激光雷達(dá)廠商而言，可以從兩個(gè)角度去抵御黑客的攻擊：如提高激光發(fā)射頻率，高速激光發(fā)射頻率在幾個(gè)微秒，黑客的模擬信號(hào)就很難選擇什么時(shí)候去發(fā)射干擾信號(hào)為接收器接收。另外，通過算法做一些錯(cuò)誤判斷，參考之前幾頻數(shù)據(jù)過濾掉干擾數(shù)據(jù)。

激光雷達(dá)只是用于給計(jì)算機(jī)提供物理環(huán)境數(shù)據(jù)的眾多傳感器之一，但是生成的數(shù)據(jù)是計(jì)算機(jī)最容易理解的，并且它也將變得更便宜。Velodyne銷售和市場(chǎng)總監(jiān)Wolfgang Juchmann稱，激光雷達(dá)的成本在過去7年里下降了10倍。 得益于成本的降低，我們將不斷看到新的潛在應(yīng)用領(lǐng)域。