激光雷達在無人汽車領域的應用

山西省大同市第一中學校 李玖澤

1.引言

民用無人駕駛汽車受到現代社會自動化研究的飛速發展的影響，也受到了技術上的支持。無人駕駛汽車的研發也受到了很多企業或科研機構的青睞。

激光雷達技術誕生在傳統雷達技術和現代激光技術相結合的現代社會，是一種先進的光學遙感技術。激光雷達的信息利用振幅和相位等作為載體。可以輕松地實現精準測速并實現三維位置定位，具有極大的測速范圍和超強的抗干擾能力。本文具體說明了激光雷達技術在無人汽車領域的應用原理和優勢，并分析了現實的應用實例[1]。

2.激光雷達的基本原理

2.1 物理原理

激光雷達作為現代的先進遙感技術，是利用對障礙物的反射的光的探測來得到目標物體的位置信息。現在，超短脈沖激光技術和高靈敏度的信號探測系統在不斷地進步之中，使得激光雷達測量精度和空間分辨率更加高，探測的范圍也越來越大。激光雷達工作時，會先由發射機發射一束激光束，激光束到達障礙物表面后，便由接收裝置對反射的回波進行處理，，提取其中有用的信息。將回波信號的時間隔、頻率變化等上傳至計算機將進行分析，便可以準確計算目標物體有效的信息，最后與激光器本身的位置以及發射激光束的方向相結合，便可以人工構建障礙物的位置及形狀等信息[2]。

2.2 系統組成

激光雷達測量系統分為硬件部分和軟件部分。其中，三維激光掃描器、速度傳感器等裝置屬于硬件系統。軟件則側重結果性的輸出形式，負責對數據的收集、信號的分析以及三維立體坐標的確定等方面。此外，還可以細分不同的軟件模塊，工程管理、數據采集、三維顯示等分別對應不同的實際領域。其中，負責對數據的預先處理和計算的數據處理模塊是整個系統的核心部分。

激光雷達工作時先采集數據，并將所得的初始數據保存與計算機中，并雷達與計算機的聯系暢通。三維現實模塊就是為用戶提供掃描信息，模型的建立和數據的分析都屬于此模塊。輸出模塊是最終的成果，可以將包含測量物體的體積、變化量、報表的輸出和生成等信息以報表的形式呈遞給用戶[3]。

3.汽車用激光雷達

3.1 測距方式

激光雷達可以實現超遠距離的探測，只需分析反射光即可完成。有單線激光雷達和多線激光雷達兩種形式，多線雷達在單線激光雷達的二維測量基礎上增加了一定角度的俯仰能力，可以實現對三維立體空間的掃描。在無人駕駛汽車上面，結合兩種激光雷達是通常使用的辦法，以此來準確實現障礙物的探測和完成保證汽車安全通過預定行程的功能[4]。

3.2 測距方式分類

（1）如果按照成像方式分類，可分為掃描成像雷達和非掃描成像雷達兩種。將激光雷達和二維光學掃描鏡結合起來，便構成了成像式激光雷達。成像式激光雷達對周圍環境進行逐點掃描測量，借此來獲取目標障礙物的位置信息。非掃描成像雷達則是先由分束器系統發出不同方向的光射向待測區域。被測物體表面散射的光被二維成像器接收，便可以通過對信息的分析構建立體位置圖像。

（2）根據所發射光束數量來分類，則分為單線激光雷達和多線激光雷達。單線激光雷達工作時用一條激光束掃描一個區域，便可以計算障礙物與發射器的相對位置，多線激光雷達是指同時發射兩條或兩條以上的激光束為探測光的激光雷達，關鍵的旋轉掃描電機最多可以同時發射64條激光束，掃描結果返回處理器中，處理器建立立體幾何模型。在實際運用之中，多個激光器協調工作，并且每一個激光器都有一組單獨數據來協助建立三維模型[5]。

3.3 激光雷達的優點

（1）高清晰度，高測量精度：激光雷達系統測量精度可以小于2厘米，角度分辨率可以達到約0.09度，在如此高的辨析度條件下，完整的測量周圍環境將被清晰完整地描繪出來。

（2）激光雷達抗干擾能力特別強，且基本不會受到其他紅外線雷達光束干擾。它發出的紅外線波并不會受到一般電磁波的影響，綜上所述，可以干擾激光雷達的并不多，正與現如今高度自動化的新型系統理念相符。

（3）探測能力強，只會受到照射目標表面反射的光，且基本不會收到干擾。環境地形的三維位置甚至障礙物材質都可以被完整反饋回來。所以激光掃描儀反射回來的信號精確度極高

（4）測速范圍大，相對速度高達200公里每小時的障礙物都可以被激光雷達成功掃描，因此，在無人駕駛汽車系統中，激光掃描儀不僅運用于市區低速環境之下，也可以被應用很高的相對速度之下，因此在高速移動中可以大大提高無人駕駛汽車的安全性[6]。

4.應用分析

4.1 應用案例

國內外很多公司都已經投入的對激光雷達的研究:由福特和百度投資的Velodyne致力于將激光雷達運用于無人車領域，而美國的Quanergy公司與谷歌、福特、奧迪等多方無人車研發公司合作，以色列的Innoviz公司有希望在2017年將激光雷達成本壓縮在250美元每臺，擁有獨特的算法的加拿大LeddarTech公司，可以大大提高激光雷達在惡劣環境下的性能，美國的TrlLumine的激光器產品價格低，傳輸速度快。在國內也涌現了一批出色的激光雷達無人車公司，出色的有深圳的鐳神智能、大族激光、速騰聚創，北京的北醒光子、速感科技、北科天繪，上海的禾賽科技，思嵐科技等。

其中，最具有代表性的是谷歌車用激光雷達。谷歌車上設置了5種車外傳感器，其中兩種雷達是把握周邊環境的重要傳感器，一種是讀取周邊環境三維結構的激光雷達。谷歌車上的激光雷達，樣子就像特種車輛上的旋轉射燈一樣，可以360°不停轉動，所以可以瞬時讀取周圍3D空間的狀況，并將其數據進行轉換。它的工作原理是飛行時間方式。飛行時間工作方式，就是在用傳感器測定距離方向上照射激光，通過計算激光遇到障礙物后返回的時間，便可以測定探測器至障礙物的距離。Velodyne公司為谷歌制作的車載激光雷達，可以將附近120米之內的距離3D數據化，測定誤差小于5 cm[7]。

4.2 應用前景

在無人車領域的大量需求之下，推動著激光雷達技術的發展提到了一個全新的高度，變得越來越精準。車載激光雷達體積小、質量輕、激光波長，這便是未來發展的主要趨勢，激光雷達目前被公認為最有潛力的目標探測技術。

5.結論

激光雷達應用于汽車感知時，具有測量精度高、響應時間短、抗干擾能力強的優勢。無人駕駛汽車領域運用的激光雷達技術被普遍看好。在科技發展的基礎下，激光雷達的性能也越來越好，成本不斷降低，無人駕駛汽車領域的運用也一定會越來越廣泛。

[1]辛煜,梁華為,梅濤,黃如林,杜明博,王智靈,陳佳佳,趙盼.基于激光傳感器的無人駕駛汽車動態障礙物檢測及表示方法[J].機器人,2014,36(06):654-661.

[2]黃武陵.激光雷達在無人駕駛環境感知中的應用[J].單片機與嵌入式系統應用,2016,16(10):3-7.

[3]趙一鳴,李艷華,商雅楠,李靜,于勇,李涼海.激光雷達的應用及發展趨勢[J].遙測遙控,2014,35(05):4-22.

[4]端木慶玲,阮界望,馬鈞.無人駕駛汽車的先進技術與發展[J].農業裝備與車輛工程,2014,52(03):30-33.

[5]姜海嬌,來建成,王春勇,李振華.激光雷達的測距特性及其測距精度研究[J].中國激光,2011,38(05):234-240.

[6]華燈鑫,宋小全.先進激光雷達探測技術研究進展[J].紅外與激光工程,2008,37(S3):21-27.

[7]喬維高,徐學進.無人駕駛汽車的發展現狀及方向[J].上海汽車,2007,(07):40-43.