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淺談自動駕駛傳感器激光雷達

2022-02-09 12:39:36·  來源：ADS智庫  
　
本文將從激光雷達的結(jié)構(gòu)、工作原理、分類以及在自動駕駛的應(yīng)用幾個方面簡單聊聊。01、什么是激光雷達激光雷達，英文：Laser Radar，也稱光學(xué)雷達（Light Detecti
本文將從激光雷達的結(jié)構(gòu)、工作原理、分類以及在自動駕駛的應(yīng)用幾個方面簡單聊聊。
01、什么是激光雷達
激光雷達，英文：Laser Radar，也稱光學(xué)雷達（Light Detection And Ranging，LiDAR）是激光探測與測距系統(tǒng)的簡稱，它通過測定傳感器發(fā)射器與目標物體之間的傳播距離，分析目標物體表面的反射能量大小、反射波譜的幅度、頻率和相位等信息，從而呈現(xiàn)出目標物精確的三維結(jié)構(gòu)信息。
02、激光雷達的組成
激光雷達主要包括激光發(fā)射、接收、掃描器、透鏡天線和信號處理電路組成。激光發(fā)射部分主要有兩種，一種是激光二極管，通常有硅和砷化鎵兩種基底材料，再有一種就是目前非常火熱的垂直腔面發(fā)射（VCSEL），VCSEL 的優(yōu)點是價格低廉，體積極小，功耗極低，缺點是有效距離比較短，需要多級放大才能達到車用的有效距離。機載和車載激光雷達系統(tǒng)有三個核心組件：LiDAR傳感器、GNSS系統(tǒng)、IMU。
  • LiDAR傳感器：整個激光雷達系統(tǒng)中，LiDAR傳感器是最重要的部分，這部分作用是發(fā)射和接收脈沖激光來確定環(huán)境的范圍和形狀。
  • GNSS系統(tǒng)：即全球定位系統(tǒng)，可將LiDAR數(shù)據(jù)與物理位置進行結(jié)合，使點云具有絕對坐標。
  • IMU：慣性測量單元，實時記錄系統(tǒng)姿態(tài)信息，確保系統(tǒng)姿態(tài)數(shù)據(jù)的真實性。
將這三個不同的數(shù)據(jù)進行結(jié)合，同時傳感系統(tǒng)全部協(xié)同工作，以實現(xiàn)LiDAR系統(tǒng)獲取高精度點云數(shù)據(jù)。
03、激光雷達的工作原理
激光雷達是由激光發(fā)射器、接收器、和慣性定位導(dǎo)航三個主要模塊組成。它基本工作原理是發(fā)射出一種激光，在遇到物體后折射回來被CMOS傳感器接收，來測得本體到障礙物的距離。激光雷達正是利用了光遇到障礙物反射這一原理（這種測距方式也被稱為TOF飛行時間法）。

激光是大量原子由于受激輻射所產(chǎn)生的發(fā)光行為。激光在傳播中始終像一條筆直的細線，發(fā)散的角度極小，一束激光射到38萬千米外的月球上，光圈的直徑充其量只有2千米左右，而普通光源散射到月球?qū)⒄樟猎虑虻娜种?。從原理來看，只要需要知道光速、和從發(fā)射到CMOS感知的時間就可以測出障礙物的距離，再結(jié)合實時GPS、慣性導(dǎo)航信息與計算激光雷達發(fā)射出去角度，我們就可以得到一個帶有坐標方位和距離的點信息。
04、激光雷達的類型
激光雷達的類型很多，下圖是佐思汽研之前文章中提到的激光雷達類型，已經(jīng)很詳細，本文便不多做分類。
圖片來源：佐思汽研
主流激光雷達優(yōu)缺點分析：
05、激光雷達在自動駕駛中的應(yīng)用
在自動駕駛中，激光雷達有3D環(huán)境感知和SLAM加強定位的作用。
1、物體檢測（Object Detection）
2、SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）
激光SLAM是目前最穩(wěn)定、最主流的定位導(dǎo)航方法，但在無結(jié)構(gòu)的環(huán)境中，由于缺少足夠的幾何特征，激光雷達SLAM將發(fā)生錯誤。
3、多傳感器標定（Calibration）
傳感器標定的意義主要是讓車體本身直到障礙物的位置在哪里, 因為激光雷達識別出來的物體是在激光雷達坐標系下的位置, 所以需要標定的外參來得到障礙物在車體坐標系下的位置, 以便規(guī)劃模塊做出決策。
4、可通行區(qū)域檢測（FreeSpace Detection）
可通行區(qū)域檢測（FreeSpace detection）是自動駕駛環(huán)境感知的重要內(nèi)容，而可通行區(qū)域可被假設(shè)為“地平面”，其上的點具有一致的表面法向量。下圖中綠色區(qū)域便是FreeSpace。
reference:
[1] 科普中國：激光雷達的工作原理及應(yīng)用
[2] https://mp.weixin.qq.com/s/Qge_xM118qkBmpGiuRX1Vg
[3] 走進自動駕駛傳感器（一）——激光雷達 - 知乎 (zhihu.com)
[4] 自動駕駛離不開的激光雷達，究竟有幾種分類？(baidu.com)

[5] 主流激光雷達分類及原理（meituandr）

[6] 激光雷達在自動駕駛中的應(yīng)用（CSDN博客）
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