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激光雷达在车路协同中的应用初探

2020-01-20 23:42:07·  来源：德清自动驾驶与智能网联服务平台  作者：顾升  
　
2019年，自动驾驶行业进入了商业化元年，而激光雷达作为人工智能之眼，几乎是现阶段所有自动驾驶车类的核心传感器，在经过10多年的快速发展，产业链的不断壮大后
2019年，自动驾驶行业进入了商业化元年，而激光雷达作为“人工智能之眼”，几乎是现阶段所有自动驾驶车类的核心传感器，在经过10多年的快速发展，产业链的不断壮大后，如今也迎来了行业增长爆发期。
全球激光雷达产业链路图
2019年激光雷达领域十大融资事件汇总
尽管自动驾驶业界对激光雷达仍然存在不同的声音，但随着各地自动驾驶和智能网联示范区的建设，激光雷达在智能网联车路协同示范应用中的重要性越发凸显，那么激光雷达在车路协同应用中是如何应用的？
激光雷达的工作原理
激光雷达从测量原理可以分为扫描方式和探测技术两类；分别对应的技术为飞行时间测距（TOF）激光雷达和调频连续波（FMCW）激光雷达，今天我们主要讨论使用比较多，技术比较成熟的TOF原理激光雷达，它是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。
其工作原理是向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对机动车、行人等目标进行探测、识别和跟踪。
它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。
TOF激光雷达工作原理图
分类
激光雷达的分类：目前根据有无机械部件来分，激光雷达可分为机械激光雷达和固态激光雷达，虽然固态激光雷达被认为是未来的大势所趋，但在当前激光雷达战场，机械激光雷达仍占据主流地位。机械激光雷达带有控制激光发射角度的旋转部件，而固态激光雷达则无需机械旋转部件，主要依靠电子部件来控制激光发射角度。
图源雷锋网：机械式激光雷达内部结构示意图
图源搜狐网：三种固态激光雷达原理示意图
激光发射方式：传统的采用机械旋转的结构，机械旋转容易导致磨损使得激光雷达的使用寿命有限。固态激光雷达主要有三类包括Flash 、MEMS（微机电系统）、相控阵。Flash 激光雷达只要有光源，就能用脉冲一次覆盖整个视场。随后再用飞行时间（ToF）方法接收相关数据并绘制出激光雷达周围的目标。MEMS激光雷达其结构相当简单，只要一束激光和一块反光镜。具体来说，激光射向这块类似陀螺一样旋转的反光镜就行，反光镜通过转动，可以实现对激光方向的控制。相控阵激光雷达利用独立天线同步形成的微阵列，相控阵可以向任何方向发送无线电波，完全省略了“旋转”这一步骤，只需控制每个天线发送信号间的时机或阵列，就能控制信号射向特定位置。
主要性能指标
激光的波长：目前市场上三维成像激光雷达最常用的波长是905nm和1550 nm。1550nm波长LiDAR传感器可以以更高的功率运行，以提高探测范围，同时对于雨雾的穿透力更强。905nm的主要优点是硅在该波长处吸收光子，而硅基光电探测器通常比探测1550 nm光所需的铟镓砷(InGaAs)近红外探测器便宜。
安全等级：激光雷达的安全等级是否满足Class 1，需要考虑特定波长的激光产品在完全工作时间内的激光输出功率，即激光辐射的安全性是波长、输出功率，和激光辐射时间的综合作用的结果，一般规定是要达到人眼安全1级。
探测距离：激光雷达的测距与目标的反射率相关。目标的反射率越高则测量的距离越远，目标的反射率越低则测量的距离越近。因此在查看激光雷达的探测距离时要知道该测量距离是目标反射率为多少时的探测距离。
FOV：激光雷达的视场角有水平视场角和垂直视场角。目前市面上32线激光雷达水平视场角为360°, 车规级系列128线混合固态激光雷达水平视场角为150°，可具体场景需求选配、组合不同型号的激光雷达。
角度分辨率：一个是垂直分辨率，另一个是水平分辨率。水平方向上做到高分辨率其实不难，因为水平方向上是由电机带动的，所以水平分辨率可以做得很高。一般可以做到0.01度级别。垂直分辨率是与发射器几何大小相关，也与其排布有关系，就是相邻两个发射器间隔做得越小，垂直分辨率也就会越小。垂直分辨率为0.1~1度的级别。
出点数：每秒激光雷达发射的激光点数。激光雷达的点数一般从几万点至几十万点每秒左右。
线束：多线激光雷达，就是通过多个激光发射器在垂直方向上的分布，通过电机的旋转形成多条线束的扫描。理论上讲，当然是线束越多、越密，对环境描述就更加充分，而且还可以降低算法的要求。常见的激光雷达的线束有：16线、32线、64线、128线等。
输出参数：障碍物的位置(三维)、速度(三维)、方向、时间戳、反射率。
使用寿命：机械旋转的激光雷达的使用寿命一般在几千小时到几万小时；固态激光雷达的使用寿命可高达10万小时。
在车路协同中的应用
车路协同是基于无线通信、传感探测等技术进行车路信息获取，并通过车车、车路信息交互和共享，实现车辆和基础设施之间智能协同与配合，达到优化利用系统资源、提高道路交通安全、缓解交通拥堵的目标。这项技术是信息技术与汽车和交通两大行业相融合的结果。
车路协同是创建新一代智能交通系统的核心，路侧利用激光雷达、摄像头和毫米波雷达等感知设备通过边缘计算设备（MEC）进行数据融合，对探测范围内行驶在交通道路上的各种机动车、非机动车、行人等进行精准的检测、识别处理，获取目标位姿信息，再经传输设备（RSU）将有效信息广播给该区域内安装有车载设备（OBU）的车辆和V2X Server平台，实现路况险情提前预警，提高通行效率，从而形成的安全、高效和环保的道路交通系统。
车路协同路侧设备架构
 
优劣对比
 
优势：激光雷达发射和接收光源不受日照影响，可全天24小时保持精准感知工作。激光雷达探测获取的是目标的3D点云数据，可输出目标物的三维坐标，相比于摄像头和毫米波雷达有更好的探测精度，可以得到目标物距离、速度、运动方向、大小、高度等主要信息，通过与摄像头、毫米波雷达等感知设备的数据融合，可大大提升自动驾驶的安全冗余度。
 
劣势：机械旋转式激光雷达使用寿命比较短，受环境的影响也比较大，特别是安装使用了一段时间后，灰尘对激光雷达探测距离和精度的影响很大。再者就是目前的激光雷达价格比较昂贵，建设成本比较高。
 
随着智能网联车路协同的快速发展，激光雷达作为路侧感知设备中的核心器件，会得到更多的应用，而且随着技术的更新迭代以及产品的量产，产品价格会进一步降低，使用寿命也会得到提升。从安全的角度考虑，激光雷达可以探测物体的三维坐标，可以与摄像头和毫米波雷达等感知设备功能互补，有效提高数据获取的准确性和可靠性，减轻对数据融合算力的要求。
 
本文对激光雷达的原理和在路侧工作场景中的应用情况进行了简单介绍，后续还会对激光雷达在车路协同中的应用做进一步的探讨。
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