自动驾驶基础(三十二)--车载LiDAR的关键技术及分类

激光雷达并非是近几年才出现的新兴产品。早在上世纪六十年代,美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员西奥多·梅曼等人就研制成功世界上第一台激光雷达,激光作为一种...


激光雷达并非是近几年才出现的新兴产品。早在上世纪六十年代,美国加利福尼亚州休斯航空公司实验室的研究员西奥多·梅曼等人就研制成功世界上第一台激光雷达,激光作为一种全新的测量工具开始受到极大的关注。前文介绍过,激光雷达(LiDAR)最早的应用是机载测绘。其最早走入公众视野,则是在1971年阿波罗执行15号任务期间宇航员采用一种LiDAR设备——激光高度计来绘制月球表面图。由此,LiDAR的精准度和用处得到了证明。九十年代,以激光雷达三位扫描仪为代表的激光雷达真正实现商业化,从此进入一个高速发展期。50多年过去,LiDAR技术从最简单的激光测距技术开始,逐步发展出激光跟踪、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术,同时,LiDAR应用领域也逐渐拓展。到了2005年,美国国防部高级研究计划署(DARPA)举办了一场无人驾驶挑战赛,激光雷达首次亮相与无人驾驶技术。很多人从这次比赛中开始认识激光雷达。LiDAR作为无人驾驶的核心部件,随着无人驾驶技术的发展和无人驾驶汽车的正式上路,汽车行业将成为LiDAR市场增长的主要贡献者。

雷达(RADAR - Radio detection and ranging)是无线电探测和测距, 即发射电磁波对目标进行照射并接收其回波,由此获得目标的距离、速度、方位、高度等信息。传统的雷达是以微波作为载波的雷达,大约出现在1935年;按雷达频段分,可分为超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达以及激光雷达等。

激光雷达是一种通过发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。激光波段位于0.5μm-10μm,以光电探测器为接收器件。激光雷达英文名称为LiDAR(Light Detection and Ranging),也称Laser Radar或LADAR (Laser Detection and Ranging)。

激光雷达因为激光波长短,准直性高,使得激光雷达性能优异:角分辨率和距离分辨率高、抗干扰能力强、能获得目标多种图像信息(深度、反射率等)、体积小、质量轻。

激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。它的基本原理是:向被测目标发射探测信号(激光束),然后测量反射或散射信号的到达时间、强弱程度等参数,以确定目标的距离、方位、 运动状态及表面光学特性。LiDAR的工作原理:飞行时间法(ToF),就是根据激光遇到障碍物后的折返时间,计算目标与自己的相对距离。激光光束可以准确测量视场中物体轮廓边沿与设备间的相对距离,这些轮廓信息组成所谓的点云并绘制出3D环境地图,精度可达到厘米级别。下图是直接飞行时间技术和间接飞行时间技术的简单示意图。

LiDAR能探测的对象:白天或黑夜下的特定物体与车之间的距离,甚至连车道线和路面也是可以区分开来的。众所周知,毫米波雷达技术已经在许多具有先进驾驶辅助系统(ADAS)的量产车上装配使用。但是为了进一步提高汽车的环境感测精度和运行可靠性,或者说在严苛的无人驾驶系统中,LiDAR将成为一种不可替代的传感器。

激光雷达系统由四大基本单元构成:

•     发射单元:激光器、发射光学系统;

•     接收单元:接受光学系统、光学滤光装置、光电探测器;

•     控制单元:控制器、逻辑电路;

•     信号处理单元:信号处理、数字校准与输出 ;

下图总结了评价一个激光雷达的重要的技术指标。

激光雷达融合了激光、大气光学、雷达、光机电一体化和信号处理等诸多领域技术。下图总结了激光雷达需要突破的关键技术。

LiDAR的分类方式有很多种。前面我们已经介绍了按激光雷达扫描线束数量的多少来分类,LiDAR可分为单线束LiDAR与多线束LiDAR。顾名思义,单线束LiDAR扫描一次只产生一条扫描线,其所获得的数据为2D数据,因此无法区别有关目标物体的3D信息。多线束LiDAR扫描一次可产生多条扫描线,目前市场上多线束产品包括4线束、8线束、16线束、32线束、64线束等,其细分可分为2.5D LiDAR及3D LiDAR。2.5D LiDAR与3DLiDAR最大的区别在于LiDAR垂直视野的范围,前者垂直视野范围一般不超过10°,而后者可达到30°甚至40°以上。

今天我们按照激光雷达有无机械旋转部件来分类,包括普通的机械式旋转LiDAR、混合固态LiDAR、不旋转全固态LiDAR。

可能大家对这种分类有点疑惑,难道LiDAR还跟水的三态一样,分固态、液态和气态不成?当然不是!如果您对硬盘的机械式、混合固态、固态早有耳闻,那么理解LiDAR的三种技术流派就没那么费力了!LiDAR的固态主要跟激光发射装置是否存在机械旋转部件有关,固态LiDAR中是没有机械旋转部件的,取而代之的是电子部件来实现发射激光束的转动。

机械LiDAR通过不断旋转发射头,将速度更快、发射更准的激光束从“线”变成“面”,并在竖直方向上排布多束激光(即32或64线雷达),形成多个面,达到动态3D扫描的目的。但其有“大、重、贵”的缺点,确实让人难以接受。对于量产的无人驾驶汽车来说,机械旋转LiDAR是不可接受的,只有固态激光雷达,无论从成本, 尺寸,还是实车安装方式, 都可以满足量产化的要求。

下图中最大个的是Velodyne公司第一代机械LiDAR:HDL-64E,也就是谷歌无人驾驶汽车上面安装在车顶的“全家桶”。

在2016年1月的美国CES消费电子展上,Velodyne发布了其第一款汽车专用的3D LiDAR——混合固态超级冰球(Solid-StateHybrid Ultra Puck Auto),这款产品为32线束LiDAR,体积小巧、便于汽车安装携带,同时价格低廉,性价比较高。

所谓混合固态LiDAR,是外形上不存在可见的旋转部件,但是为了360全视角其内部实际上仍然存在一些机械旋转部件,只是这套机械旋转部件做的非常小巧可以内藏而已,如采用微机电(MEMS)技术制作的MEMS扫描镜。为了将这样的产品概念和传统“固态”概念区分开来,因此引入了“混合固态”的称呼。

全球领先的固态LiDAR传感器和智能传感解决方案提供商Quanergy Systems提供的S3是全球首款汽车级固态LiDAR系统。通过发射器、接收器和信号处理器三个主要组件的交互,S3每秒生成五十万个数据点。激光器在水平120°内发射平行光脉冲,光接收器探测反射光脉冲。信号处理器计算每个光脉冲的飞行时间。通过在各个方向扫描,S3在车辆周围创建出实时3D视图,以检测、分类和跟踪场景中的对象。

所谓固态,指无论是宏观还是微观尺度上都没有可动部件或振动部件,保证了最高水平的性能、可靠性、寿命和成本效益。这也是未来的LiDAR技术趋势!

关于机械LiDAR、混合固态LiDAR、全固态LiDAR三种技术流派的细节,我们将在后续文章中逐个介绍。

关于自动驾驶的介绍,可以参考前文更多内容, 请点击下面的链接:

关于ADC和DAC转换器电路的基本知识, 可以点击文末左下角链接阅读。