上一次的分享里，我介紹了一個(gè)重要的感知傳感器——攝像機(jī)。攝像機(jī)作為視覺傳感器，能為無(wú)人車提供豐富的感知信息。但是由于本身感知原理的缺陷，導(dǎo)致攝像機(jī)的測(cè)距并不是那么準(zhǔn)確。

工程師們?yōu)榱私鉀Q測(cè)距的問題，引入了激光傳感器。這就是我們常在Level 3級(jí)別以上的無(wú)人車上看到的設(shè)備。比如通用用于研究Level 4級(jí)別自動(dòng)駕駛技術(shù)的Bolts，就在車頂上頂了好多激光雷達(dá)。

激光雷達(dá)的原理

如下圖所示，激光雷達(dá)的發(fā)射器發(fā)射出一束激光，激光光束遇到物體后，經(jīng)過漫反射，返回至激光接收器，雷達(dá)模塊根據(jù)發(fā)送和接收信號(hào)的時(shí)間間隔乘以光速，再除以2，即可計(jì)算出發(fā)射器與物體的距離。

激光雷達(dá)的分類

激光雷達(dá)根據(jù)安裝位置的不同，分類兩大類。一類安裝在無(wú)人車的四周，另一類安裝在無(wú)人車的車頂。

安裝在無(wú)人車四周的激光雷達(dá)，其激光線束一般小于8，常見的有單線激光雷達(dá)和四線激光雷達(dá)。

安裝在無(wú)人車車頂?shù)募す饫走_(dá)，其激光線束一般不小于16，常見的有16/32/64線激光雷達(dá)。

單線激光雷達(dá)

單線激光雷達(dá)是目前成本最低的激光雷達(dá)。成本低，意味著量產(chǎn)的可能性大。

之前在我朋友圈刷屏的“北京首個(gè)自動(dòng)駕駛測(cè)試場(chǎng)啟用”新聞中出現(xiàn)的福田自動(dòng)駕駛汽車就使用了4個(gè)單線激光雷達(dá)，分別布置于無(wú)人車的前后左右，用于車身周圍障礙物的檢測(cè)，如下圖。

單線激光雷達(dá)的原理可以通過下圖理解。

單束激光發(fā)射器在激光雷達(dá)內(nèi)部進(jìn)行勻速的旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度即發(fā)射一次激光，輪巡一定的角度后，就生成了一幀完整的數(shù)據(jù)。因此，單線激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)可以看做是同一高度的一排點(diǎn)陣。

單線激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)缺少一個(gè)維度，只能描述線狀信息，無(wú)法描述面。如上圖，可以知道面激光雷達(dá)的前方有一塊紙板，并且知道這塊紙板相對(duì)激光雷達(dá)的距離，但是這塊紙板的高度信息無(wú)從得知。

四線激光雷達(dá)

如上圖所示，四線激光雷達(dá)基本都像這樣。

全新的奧迪A8為了實(shí)現(xiàn)Level 3級(jí)別的自動(dòng)駕駛，也在汽車的進(jìn)氣格柵下布置的四線激光雷達(dá)ScaLa。

有了之前單線激光雷達(dá)的原理介紹，四線激光雷達(dá)的工作原理就很容易理解了。

如下圖所示，不同的顏色代表不同的激光發(fā)射器。

四線激光雷達(dá)將四個(gè)激光發(fā)射器進(jìn)行輪詢，一個(gè)輪詢周期后，得到一幀的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。四條點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以組成面狀信息，這樣就能夠獲取障礙物的高度信息。

根據(jù)單幀的點(diǎn)云坐標(biāo)可得到障礙物的距離信息。

根據(jù)多幀的點(diǎn)云的坐標(biāo)，對(duì)距離信息做微分處理，可得到障礙物的速度信息。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，在購(gòu)買激光雷達(dá)的產(chǎn)品后，其供應(yīng)商也會(huì)提供配套的軟件開發(fā)套件（SDK，Software Development Kit），這些軟件開發(fā)套件能很方便地讓使用者得到精準(zhǔn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而且為了方便自動(dòng)駕駛的開發(fā)，甚至?xí)苯虞敵鲆呀?jīng)處理好的障礙物結(jié)果。

如下圖綠的的矩形框即為障礙物相對(duì)于自車的位置，矩形框的前端有個(gè)小三角，表示障礙物的運(yùn)動(dòng)方向。

16/32/64線激光雷達(dá)

16/32/64線的激光雷達(dá)的感知范圍為360°，為了最大化地發(fā)揮他們的優(yōu)勢(shì)，常被安裝在無(wú)人車的頂部。三款激光雷達(dá)的技術(shù)參數(shù)和成本如下圖。

360°的激光數(shù)據(jù)可視化后，就是大家經(jīng)常在各種宣傳圖上看到的效果，如下圖。

圖中的每一個(gè)圓圈都是一個(gè)激光束產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，激光雷達(dá)的線束越多，對(duì)物體的檢測(cè)效果越好。比如64線的激光雷達(dá)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，將會(huì)更容易檢測(cè)到路邊的馬路牙子。

16/32/64線的激光雷達(dá)只能提供原始的點(diǎn)云信號(hào)，沒有對(duì)應(yīng)的SDK直接輸出障礙物結(jié)果。因此各大自動(dòng)駕駛公司都在點(diǎn)云數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，自行研究算法完成無(wú)人車的感知工作。

激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)

激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。以N線激光雷達(dá)為例來(lái)講解點(diǎn)云的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

在實(shí)際的無(wú)人駕駛系統(tǒng)中，每一幀的數(shù)據(jù)都會(huì)有時(shí)間戳，根據(jù)時(shí)間戳進(jìn)行后續(xù)和時(shí)間有關(guān)的計(jì)算（如距離信息的微分等）。因此N線激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下圖。

每一線點(diǎn)云的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)又是由點(diǎn)云的數(shù)量和每一個(gè)點(diǎn)云的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成。由于激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集頻率和單線的點(diǎn)云數(shù)量都是可以設(shè)置的，因此1線點(diǎn)云數(shù)據(jù)中需要包含點(diǎn)云數(shù)量這個(gè)信息。

最底層的是單個(gè)點(diǎn)云的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。點(diǎn)的表達(dá)既可以使用theta/r的極坐標(biāo)表示，也可以使用x/y/z的3維坐標(biāo)表示。

每個(gè)點(diǎn)云除了坐標(biāo)外，還有一個(gè)很重要的元素，那就是激光的反射強(qiáng)度。激光在不同材料上的反射強(qiáng)度是不一樣的。以3維坐標(biāo)的表示方法為例，單個(gè)點(diǎn)云的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下圖。X/Y/Z方向的偏移量是以激光雷達(dá)的安裝位置作為原點(diǎn)。

激光雷達(dá)能做什么？

激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的一般處理方式是：數(shù)據(jù)預(yù)處理（坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，去噪聲等），聚類（根據(jù)點(diǎn)云距離或反射強(qiáng)度），提取聚類后的特征，根據(jù)特征進(jìn)行分類等后處理工作。

以百度Apollo 2.5目前已開放的功能為例，看看激光雷達(dá)能完成哪些工作。

障礙物檢測(cè)與分割

利用高精度地圖限定感興趣區(qū)域（ROI，Region of Interest）后，基于全卷積深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)點(diǎn)云特征并預(yù)測(cè)障礙物的相關(guān)屬性，得到前景障礙物檢測(cè)與分割。

可通行空間檢測(cè)

利用高精度地圖限定ROI后，可以對(duì)ROI內(nèi)部（比如可行駛道路和交叉口）的點(diǎn)云的高度及連續(xù)性信息進(jìn)行判斷點(diǎn)云處是否可通行。

高精度電子地圖制圖與定位

利用多線激光雷達(dá)的點(diǎn)云信息與地圖采集車載組合慣導(dǎo)的信息，進(jìn)行高精地圖制作。自動(dòng)駕駛汽車?yán)眉す恻c(diǎn)云信息與高精度地圖匹配，以此實(shí)現(xiàn)高精度定位。

障礙物軌跡預(yù)測(cè)

根據(jù)激光雷達(dá)的感知數(shù)據(jù)與障礙物所在車道的拓?fù)潢P(guān)系（道路連接關(guān)系）進(jìn)行障礙物的軌跡預(yù)測(cè)，以此作為無(wú)人車規(guī)劃（避障、換道、超車等）的判斷依據(jù)。

小結(jié)

當(dāng)前人工智能的算法還不夠成熟，純視覺傳感器的無(wú)人駕駛方案在安全性上還存在較多問題，因此現(xiàn)階段的無(wú)人車的開發(fā)還離不開激光雷達(dá)。強(qiáng)如Google，目前不也還沒開發(fā)出脫離激光雷達(dá)的自動(dòng)駕駛方案么。

不過成本是激光雷達(dá)普及所遇到的最大問題。畢竟一款比車還貴的傳感器是車企無(wú)法接受的。激光雷達(dá)的降本路任重道遠(yuǎn)啊。

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