車載導(dǎo)航激光雷達(dá)技術(shù)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

常穎?李萌?彭鳳超 任華軍

摘要：激光雷達(dá)是實(shí)現(xiàn)無人駕駛汽車的重要傳感器，由于其功能特性可以在復(fù)雜環(huán)境的感知中起到關(guān)鍵作用，越來越受高度重視。通過對現(xiàn)有激光雷達(dá)的系統(tǒng)組成與工作原理描述，介紹了車載導(dǎo)航激光雷達(dá)分類和技術(shù)特點(diǎn)，分析了激光雷達(dá)在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)，最后總結(jié)了激光雷達(dá)后續(xù)發(fā)展趨勢，文章可以作為相關(guān)技術(shù)應(yīng)用有益參考。

關(guān)鍵詞：無人駕駛;激光雷達(dá);環(huán)境感知;發(fā)展趨勢

一.概述

自2017年開始，自動(dòng)駕駛進(jìn)入高速發(fā)展快車道，全球各大汽車廠商、互聯(lián)網(wǎng)公司、新興造車企業(yè)相繼推出自動(dòng)駕駛計(jì)劃，有機(jī)構(gòu)預(yù)測到2035年全球無人駕駛汽車銷量將達(dá)到2100萬輛.激光雷達(dá)作為無人車的“眼睛”，作為無人車上最重要的傳感器之一，隨著自動(dòng)駕駛產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，近年來出現(xiàn)了井噴式的需求，并極大地影響著無人車的發(fā)展。

激光雷達(dá)能夠及時(shí)精確測量無人車周邊一定距離內(nèi)的三維環(huán)境信息，并上傳至載車控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)周圍地物目標(biāo)高精度三維信息測量、路面分割、車道線檢測、障礙物探測識(shí)別、路徑規(guī)劃等。激光雷達(dá)由于具有高精度、高分辨率的優(yōu)勢，已經(jīng)成為目前主流無人駕駛技術(shù)中必備的傳感器。

二.系統(tǒng)組成和工作原理

激光雷達(dá)英文名稱為LiDAR（Light Detection and Ranging），也稱Laser Radar或LADAR （Laser Detection and Ranging）。從功能層面劃分，車載激光雷達(dá)組成如圖1所示，由激光發(fā)射組件、激光接收組件、信息處理組件、收發(fā)光學(xué)組件、伺服控制組件、數(shù)傳組件、供電組件組成。激光雷達(dá)系統(tǒng)的核心組件主要有激光器、掃描器及光學(xué)組件、光電探測器及接收電路等，可提供高分辨率的幾何圖像、距離圖像、強(qiáng)度圖像。

其工作原理是飛行時(shí)間法，即根據(jù)激光遇到障礙物后的折返時(shí)間，計(jì)算目標(biāo)與自己的相對距離。激光光束可以準(zhǔn)確測量視場中物體輪廓邊沿與設(shè)備間的相對距離，輪廓信息組成點(diǎn)云并繪制出3D環(huán)境地圖，精度可達(dá)到厘米級(jí)別，其激光測距原理如圖2所示。

在先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（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。

三.優(yōu)勢

根據(jù)環(huán)境感知激光雷達(dá)的任務(wù)分析以及實(shí)用化的考慮，環(huán)境感知激光雷達(dá)具有如下優(yōu)勢：

1、精細(xì)性測量

為規(guī)劃行車路線，激光雷達(dá)具有對戰(zhàn)車周邊環(huán)境精細(xì)的三維測量，包括路況及路面上的各類物體，以滿足戰(zhàn)車通過性路徑選擇的需求。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，可同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo)，因此，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、遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)性測量

為保證一定行車速度下的行車安全，激光雷達(dá)具備遠(yuǎn)距離測量能力，具有較高的數(shù)據(jù)刷新率，實(shí)時(shí)提供載車周邊環(huán)境信息，可直接獲取目標(biāo)的距離、角度、速度等信息，生成目標(biāo)的多維度圖像，使得整個(gè)畫面更加直觀。

3、高可靠性

激光屬于直線傳播、方向性好、光速非常窄，只有在其傳播路徑上才能接收到，所以干擾信號(hào)也很難進(jìn)入激光雷達(dá)的接收機(jī)，另外，對于激光雷達(dá)而言，只有被照射的目標(biāo)才會(huì)產(chǎn)生反射，完全不會(huì)受地物回波的影響，因此可探測低空/超低空目標(biāo)，探測概率遠(yuǎn)高于微波雷達(dá)。

4、可全天時(shí)工作

激光主動(dòng)探測，不依賴于外界光照條件或目標(biāo)本身的輻射特性，只需發(fā)射自己的激光束，通過探測發(fā)射激光束的回波信號(hào)來獲取目標(biāo)信息。它顛覆傳統(tǒng)了二維投影成像模式，可采集目標(biāo)表面深度信息，為目標(biāo)探測、識(shí)別、跟蹤等數(shù)據(jù)處理提供充分的信息支持、降低算法難度。

四.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

車載導(dǎo)航激光雷達(dá)在過去幾年中已經(jīng)成為光電子領(lǐng)域最受爭議的熱門應(yīng)用之一，由于其在環(huán)境感知、避障、自主導(dǎo)航、無人駕駛領(lǐng)域潛在的巨大應(yīng)用價(jià)值，國內(nèi)外數(shù)十家研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都在依托微波雷達(dá)、相機(jī)和激光雷達(dá)等技術(shù)，紛紛進(jìn)軍車用激光雷達(dá)領(lǐng)域。

車用激光雷達(dá)其主要技術(shù)特點(diǎn)是多通道（線）掃描。可以按照激光束（線）分為1線、4線、8線、16 線、32線或64線激光雷達(dá)傳感器，多個(gè)激光束在豎直方向沿不同角度發(fā)出，經(jīng)水平方向掃描實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域三維輪廓探測。多個(gè)測量通道（線）相當(dāng)于多個(gè)傾角的掃描平面，因此垂直視場內(nèi)激光線越多其豎直方向的角分辨率就越高，激光點(diǎn)云密度就越大。1-4線短測距的激光雷達(dá)主要作為移動(dòng)機(jī)器人的三維環(huán)境探測傳感器——“眼睛”，具備高度機(jī)動(dòng)能力的智能車輛的“眼睛”則需要更長測程、更多線數(shù)（8線、16線甚至更多）。

目前國內(nèi)外已有多家廠商從事導(dǎo)航激光雷達(dá)的研究生產(chǎn)，商用車載導(dǎo)航激光雷達(dá)主要廠商包括Velodyne、Quanergy、IBEO、Innoviz、LeddarTech、TriLumina、Ouster等。國內(nèi)民用產(chǎn)品研制單位有杭州巨星、廣州中海達(dá)、速騰聚創(chuàng)、上海禾賽等公司。Velodyne、Quanergy激光雷達(dá)主要用于自動(dòng)駕駛汽車導(dǎo)航;IBEO的激光雷達(dá)受限于線型和精度，主要應(yīng)用于高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)。激光雷達(dá)按有無機(jī)械旋轉(zhuǎn)部件可分為3類：

1、機(jī)械式激光雷達(dá)：指發(fā)射和接收系統(tǒng)存在宏觀意義上的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過不斷旋轉(zhuǎn)發(fā)射頭，將速度更快、發(fā)射更準(zhǔn)的激光從“線”變成“面”，并在豎直方向上排布多束激光，形成多個(gè)面進(jìn)而達(dá)到動(dòng)態(tài)3D掃描并動(dòng)態(tài)接收信息的目的。機(jī)械式激光雷達(dá)作為在自動(dòng)駕駛車輛上最先應(yīng)用的產(chǎn)品，具有掃描速度快、接收視場小、可承受高的激光功率等優(yōu)點(diǎn)，但是結(jié)構(gòu)笨重、重量和體積較大、裝調(diào)工作復(fù)雜、可靠性差和價(jià)格高昂的缺點(diǎn)制約了其在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的發(fā)展空間。圖3中左一是Velodyne公司第一代機(jī)械激光雷達(dá)HDL-64E。

2、混合固態(tài)激光雷達(dá)：內(nèi)部兼具“固態(tài)”和“運(yùn)動(dòng)”兩種屬性，僅需要一束激光光源，通過MEMS掃描鏡反射激光光線并采用微秒級(jí)的頻率協(xié)同工作，探測器接收后達(dá)到對目標(biāo)3D掃描的目的。混合固態(tài)激光雷達(dá)相較采用多組芯片組的機(jī)械式激光雷達(dá)，體積更小、成本更低、可靠性更高、探測距離更遠(yuǎn)。在2016年1月的美國CES消費(fèi)電子展上，Velodyne發(fā)布了其第一款汽車專用的3D激光雷達(dá)——混合固態(tài)超級(jí)冰球，這款產(chǎn)品為32線束激光雷達(dá)，體積小巧、便于汽車安裝攜帶，同時(shí)價(jià)格低廉，性價(jià)比較高。

3、全固態(tài)激光雷達(dá)：內(nèi)部沒有任何宏觀或微觀上的運(yùn)動(dòng)部件，目前市場上主要的全固態(tài)激光雷達(dá)產(chǎn)品有光學(xué)相控陣激光雷達(dá)、調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)、納米天線陣列激光雷達(dá)和泛光面陣式激光雷達(dá)。全球領(lǐng)先的固態(tài)激光雷達(dá)傳感器和智能傳感解決方案提供商Quanergy Systems提供的S3是全球首款汽車級(jí)固態(tài)激光雷達(dá)系統(tǒng)，如圖4所示。通過發(fā)射器、接收器和信號(hào)處理器三個(gè)主要組件的交互，S3每秒生成五十萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。激光器在水平120°內(nèi)發(fā)射平行光脈沖，光接收器探測反射光脈沖。通過在各個(gè)方向掃描，S3在車輛周圍創(chuàng)建出實(shí)時(shí)3D視圖，以檢測、分類和跟蹤場景中的對象。全固態(tài)激光雷達(dá)耐久性、可靠性最佳，符合自動(dòng)駕駛對雷達(dá)固態(tài)化、小型化和低成本化的需求，成為未來技術(shù)演進(jìn)的終極方向。

五.面臨的挑戰(zhàn)

隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，激光雷達(dá)愈發(fā)扮演重要的角色，但對近年來國內(nèi)外各類車載激光探測系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用情況的綜合分析，可以發(fā)現(xiàn)國內(nèi)在該領(lǐng)域的應(yīng)用研究還存在一定差距，尤其在軍用無人車載激光雷達(dá)領(lǐng)域，與國外發(fā)展相比，國內(nèi)研究還面臨以下挑戰(zhàn)：

1、激光雷達(dá)設(shè)備成本較高，規(guī)模化、批量化生產(chǎn)能力較弱。目前激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備的生產(chǎn)加工往往為按訂單生產(chǎn)或小批量加工方式，自動(dòng)化水平較低，生產(chǎn)、裝配成本較高，導(dǎo)致其在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用普及較慢，還不能滿足應(yīng)用快速發(fā)展的需求。

2、多數(shù)研究專注于規(guī)范化道路目標(biāo)的無人自主行駛識(shí)別方面，對越野環(huán)境無人駕駛目標(biāo)感知探測方面的研究未能深入。一些工作側(cè)重于方案設(shè)計(jì)、算法研究，沒有實(shí)物場景探測方面的試驗(yàn)研究;

3、環(huán)境適應(yīng)能力是未來激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展需要克服的瓶頸。激光雷達(dá)可以做到全天時(shí)工作，但大氣環(huán)境對激光雷達(dá)性能造成影響，大雨會(huì)吸收激光脈沖，而大霧會(huì)造成激光脈沖發(fā)射，從而對激光雷達(dá)造成影響。

4、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。

六.發(fā)展趨勢

為迎合當(dāng)前軍事應(yīng)用的迫切需求，必須盡快加大牽引力度，全面推動(dòng)無人車載激光雷達(dá)技術(shù)的研究工作，縮短差距，盡快實(shí)現(xiàn)相關(guān)裝備的工程化應(yīng)用。從國內(nèi)外主流廠商的產(chǎn)品研究應(yīng)用計(jì)劃分析，車載激光雷達(dá)發(fā)展趨勢如下：

1、全固態(tài)化

全固態(tài)掃描車載激光雷達(dá)的技術(shù)發(fā)展趨勢，全固態(tài)掃描的目標(biāo)就是。產(chǎn)品固態(tài)化是提高激光雷達(dá)可靠性、環(huán)境適應(yīng)性，并降低激光雷達(dá)成本價(jià)格的必由之路。固態(tài)激光雷達(dá)異軍突起，成為各大企業(yè)爭相研發(fā)和布局的領(lǐng)域。固態(tài)激光雷達(dá)系統(tǒng)使用激光掃描儀生成環(huán)境3D圖像，并自動(dòng)處理此3D圖像，以執(zhí)行監(jiān)視、警告、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向等任務(wù)。固態(tài)激光雷達(dá)市場的增長可歸功于汽車行業(yè)的發(fā)展，特別是針對無人駕駛汽車和先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的應(yīng)用。此外，低成本化將是國產(chǎn)激光雷達(dá)發(fā)展的必然趨勢。

2、小型化和低成本化

緊湊輕小是激光雷達(dá)設(shè)備的發(fā)展趨勢。未來的智能車用激光雷達(dá)可能像車燈一樣分布在汽車四周——共同實(shí)現(xiàn)汽車周邊監(jiān)控或探測。局部視場（如110°），8、16或32線激光雷達(dá)有利于嵌入汽車車身進(jìn)行整車集成，也是一重要發(fā)展方向;目前激光雷達(dá)較高的技術(shù)壁壘和成本價(jià)格，使其市場推廣和產(chǎn)品落地受阻。無人駕駛汽車技術(shù)的發(fā)展對小型化、低成本激光雷達(dá)的需求提出了更高的要求。這些需求成為推動(dòng)激光雷達(dá)設(shè)備進(jìn)一步小型化和低成本化的動(dòng)力。

3、多線化

從當(dāng)前市場上較常見的車載激光雷達(dá)來看，機(jī)械式多線束激光雷達(dá)是主流方案，主要有4線/8線/16線/32線的，最高級(jí)別的64線和128線產(chǎn)品。多線激光雷達(dá)主要應(yīng)用于無人駕駛汽車，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多物體運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤，獲取周圍環(huán)境點(diǎn)云構(gòu)建3D環(huán)境模型。根據(jù)激光雷達(dá)的工作原理可知，激光雷達(dá)線束越多，視線越密集，測量的精準(zhǔn)度、分辨率和安全性也就越高。多線激光雷達(dá)具有多激光光束，且多采用非機(jī)械掃描的固態(tài)相控陣掃描方式，具有更強(qiáng)的環(huán)境感知能力，因此，激光雷達(dá)的多線化也將是未來發(fā)展的趨勢之一。

4、技術(shù)指標(biāo)的不斷提高

激光雷達(dá)的測程、視場覆蓋和測量網(wǎng)格密度是評價(jià)激光雷達(dá)技術(shù)能力的主要技術(shù)參數(shù)，也是激光雷達(dá)的主要應(yīng)用技術(shù)指標(biāo)，激光雷達(dá)技術(shù)及產(chǎn)品的發(fā)展必然伴隨著上述技術(shù)指標(biāo)的不斷提高。激光器性能和數(shù)據(jù)采集效率還有待進(jìn)一步提升。隨著用戶對大區(qū)域高密度點(diǎn)云的需求持續(xù)擴(kuò)大，需要在獲取高密度點(diǎn)云時(shí)保證較高的數(shù)據(jù)采集效率。然而，由于激光器性能限制，目前激光器探測能力已經(jīng)逐漸逼近探測極限。因此，改進(jìn)探測器的性能成為當(dāng)務(wù)之急。單光子/量子成像激光雷達(dá)將成為未來激光雷達(dá)未來發(fā)展的重要方向。

5、數(shù)據(jù)后處理軟件的成熟度

在數(shù)據(jù)后處理軟件的成熟度方面，當(dāng)前點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理還處在發(fā)展完善階段，尤其是面向終端用戶滿足行業(yè)應(yīng)用需求的定制化軟件還處在不斷發(fā)展完善中。隨著激光雷達(dá)企業(yè)的競爭加劇，軟件和硬件技術(shù)的有效結(jié)合才能更快地推進(jìn)產(chǎn)品落地應(yīng)用。

七.結(jié)語

車載激光雷達(dá)近幾年發(fā)展迅速，相比國際產(chǎn)品性能，國產(chǎn)激光雷達(dá)技術(shù)仍需持續(xù)攻堅(jiān)投入。激光雷達(dá)在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域受到了極大的關(guān)注，不僅提高了汽車的輔助性安全性，更為今后無人駕駛的實(shí)現(xiàn)提供可能。未來在各方企業(yè)和科研單位的推動(dòng)下，車載激光雷達(dá)技術(shù)將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)將會(huì)應(yīng)用到更多不同的場景和領(lǐng)域。

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作者簡介：

常穎（1987—），女，漢族，河南鄭州，中國電科27所，工程師，碩士，研究方向：情報(bào)研究。