激光雷達在智能網聯汽車上的應用

任保寬

（山東工程技師學院，山東 聊城 252000）

引言

激光雷達（LIDAR）基于光的探測與測距，以激光作為載波，向目標物發出激光探測信號后接收目標物返回信號，激光雷達對接收信號進行比較分析、處理，從而獲取目標物的目標方位、距離、速度、高度、狀態、形狀等相關參數信息［1］，實現對目標的探測、跟蹤和識別。如果將激光雷達與慣性導航設備、GPS等裝備在智能網聯汽車上配合使用，可獲取有效數據信息并生成精準數字高程模型。

《智能網聯汽車技術路線圖2.0》中提及，到2035年智能網聯汽車技術及產業體系將全面建成，車輛智能化大大提高，高度化的自動駕駛網聯智能車輛將大規模應用。激光雷達作為環境感知技術設備在智能網聯汽車上應用將會更加普遍。

1 激光雷達傳感器結構及原理

1.1 激光雷達傳感器結構

激光雷達主要由發射部分、接收部分、掃描模塊和控制系統等組成。激光雷達傳感器機械部分主要由激光發射器、掃描與光學部件和感光部件等組成。激光發射器是激光雷達中的激光發射機構。激光接收器是匯聚由激光器發射的激光照射到障礙物后，通過障礙物反射后的光線。控制系統可對信號處理單元負責控制激光器的發射，以及接收器收到的信號進行處理，并根據這些信息計算出目標物體的距離信息。掃描機構能掃描所在平面，并產生實時平面圖信息。

1.2 激光雷達傳感器工作原理

1.2.1 激光雷達脈沖測距

測距儀發出光脈沖信號，打在地面的樹木、道路、橋梁和建筑物等障礙物上引起散射并返回，測距儀接收系統接收產生的光脈沖返回信號；激光雷達通過對比光脈沖發射與接收的時間間隔，根據光速計算目標距離，見圖1。

圖1 激光雷達脈沖測距原理

1.2.2 激光相位測距

對發射的激光強度進行連續調制，測定調制光往返過程中所經過的相位變化，從而間接測量出傳播時間，進而計算出距離，產生強度成余弦變化的連續波，見圖2。該精度高于脈沖測距，負載小［2］。

圖2 激光雷達激光相位測距原理

假如發射點與反射點的距離（目標距離）為x，激光的速度為c，激光往返時間為t，則有調制波頻率為f，從發射到接收間的相位差為φ，則有；N為完整周期波的個數，△φ為不足周期波的余相位；從而得到目標距離

2 激光雷達傳感器在智能網聯車輛的安裝及標定

激光雷達能夠探測物體與車之間的距離。道路路面和車道線因反射度不同可被區分，但激光雷達無法探測到被遮擋的或光束無法達到的物體。激光雷達一般被安裝在車頂位置，通過高速旋轉獲得周圍空間點云數據，繪制實時車輛周邊的三維空間地圖，激光雷達還能夠測出該車周圍車輛在三維方向上的距離、速度、加速度等信息，結合GPS地圖計算出車輛位置，ECU對傳輸的大量數據進行分析處理后對車輛進行快速決策。以速騰聚創16線激光雷達（RS-LiDAR-16）在智能車輛的安裝、標定為例進行說明，該雷達為混合激光雷達，有16個激光發射組件。

2.1 激光雷達傳感器安裝

2.1.1 16線激光雷達設備安裝

安裝設備時，固定激光雷達的安裝底座盡可能平整，安裝底座上的定位柱應嚴格遵循激光雷達底部定位柱的深度；安裝激光雷達時，設備傾斜角度不應超過90°，激光雷達線纜不要拉得太緊，激光雷達端子插接正確。

2.1.2 解析數據包

通過解析數據包獲得旋轉角、測距信息及校準反射率。使用設備時，需把電腦的IP設置為與設備同一網段上，激光雷達和電腦通信時，主數據流輸出協議MSOP，將激光雷達掃描出來得出距離、角度、反射率等信息封裝成包輸出給電腦。

2.1.3 計算坐標值

依據雷達的旋轉角，測距及垂直角度計算X、Y、Z軸上坐標值，因雷達僅封裝距離和水平旋轉角度等參量數據，將極坐標下的距離、角度等參數轉化為笛卡爾坐標系下x、y、z坐標，從而達到更好呈現三維點云效果目的。

式中：ω—激光垂直角度，（°）；r—激光實測距離，m；α—激光水平旋轉角度，（°）；x、y、z—極坐標投影到X、Y、Z軸上的坐標，見圖3。

圖3 激光雷達極坐標投影

2.1.4 存儲數據

對于從RS-LiDAR-16得到的原始數據，通過數據可視化軟件RSView，能夠保存數據，RSView還能將測得的距離測量值顯示為一個點，支持多種自定義顏色顯示數據，并能將數據導出保存，見圖4。

圖4 激光雷達點云成像

2.1.5 讀取并配置信息

通過RSView軟件能夠讀取裝置當前狀態配置信息。根據需求重新配置以太網、轉速、時間等數據。

2.2 激光雷達傳感器標定

為保證相對姿態和位移固定不變，將激光雷達固定在車輛上，對安裝的激光雷達進行簡單標定來建立各激光雷達之間相對坐標關系，使雷達數據從激光雷達坐標統一轉換到車輛坐標上，便于獲取目標的距離、角度、速度等參數。

以單線激光雷達為例，車體坐標X軸作為激光雷達掃描角度為零時車輛的指向，Z軸指向車輛上方，X、Y、Z軸構成右手系，激光雷達所有掃描點在同一個幾何平面S上，將掃描點P投影到坐標面及坐標軸，掃描點P在車體坐標系中的坐標。

式中：ρ—掃描點到激光雷達的距離，m；h0—安裝高度，m；a0—安裝俯角，（°）；θ—激光掃描角度，（°），見圖5。

圖5 單線激光雷達模型

3 激光雷達傳感器在智能網聯車輛的應用

3.1 車輛高精度定位

借助定位系統，車輛系統能夠通過獲得實時位置信息做出決策。但定位方式會受信號的干擾，特別是在經過城市建筑、隧道時信號容易中斷。為獲得精準位置，激光雷達比對車輛初始位置與高精地圖信息。（1）由慣性導航裝置、全球定位系統和輪速等傳感器提供車輛初步位置；（2）將激光雷達局部點云信息進行特征提取，結合初始位置獲取全局坐標系下矢量特征；（3）將矢量特征與高精地圖特征信息進行匹配，獲取精確的車輛位置。因此，相對其他車載傳感器，激光雷達的定位精度及穩定性方面優勢明顯。

3.2 障礙物識別及目標跟蹤

激光雷達可不依賴光照進行實時掃描，掃描視角可達360°，且計算量較小。在掃描中先對障礙物（車、人、隔離帶等）進行識別，從而獲取該障礙物的空間位置。對障礙物分類、跟蹤，則先通過分割點云關聯目標，確認上下楨是否屬于同一個物體，再進行目標跟蹤，輸出目標跟蹤信息。

3.3 自動泊車系統

安裝在車頂或車身四周的激光雷可以檢測車輛停車位的位置、感知周圍車輛等障礙物，并將獲取的有效信息輸入到車輛控制系統，為車輛自動泊車的控制決策提供可靠的環境信息。

3.4 車道保持輔助系統

借助激光雷達對車道線檢測，車道保持輔助系統在檢測到車輛偏離預計行車軌跡時，通過邏輯運算并作出決策，從而控制車輛按照既定的車道軌跡進行行駛。激光雷達對車道線檢測方法可基于雷達掃描點密度。該方法為獲得所需車道線，可先獲取雷達掃描點坐標信息，然后轉化為柵格圖，最后利用柵格圖中點的密度進行提取，該方法實時性好。

3.5 防撞及行人保護

車輛通過快速、實時分析激光雷達等傳感器采集的車輛附近環境數據，可提前開啟車輛主動安全系統，并向駕駛員發出警告信號，防止與潛在的障礙物發生碰撞，并在車輛可能發生碰撞前及時停車，避免與行人發生碰撞。

3.6 車道偏離預警

如果車輛行駛偏離預定軌跡時，激光雷達通過檢測車輛車輛行駛前方車道線標識可能的危險障礙物，并采集車輛在行駛道路中的實時位置信息，若檢測車輛行駛軌跡發生偏離并存在危險時，車道偏離預警系統便發生預警信號，使車輛駕駛員及時修正行駛路線，按照預定軌跡行駛。

3.7 自動緊急制動

激光雷達通過對車輛行駛路線前方存在可能發生碰撞的靜態或動態危險障礙物進行檢測，并將采集信息發送給車輛系統，系統分析可能發生危險時作出決策，使車輛自動緊急制動。

4 結語

利用安裝在車輛上的相關傳感器，先進駕駛輔助系統（ADAS）能夠快速獲取車輛內外部環境數據信息，對物體進行靜態、動態識別和監測與追蹤等處理，讓駕駛者及時察覺潛在危險。盡管激光雷達在ADAS方面有優勢，但在實際應用中也面臨技術、計算性能、價格等問題。未來車用激光雷達將會向高技術指標、全固態、小型化、環境適應能力好、抗干擾能力強、低成本化等方面發展［3］，從當前的輔助駕駛系統過渡到半自動駕駛甚至完全自動駕駛，并滿足多種視覺與傳感技術融合。