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浅谈自动驾驶传感器激光雷达
2022-02-09 12:39:36· 来源：ADS智库
本文将从激光雷达的结构、工作原理、分类以及在自动驾驶的应用几个方面简单聊聊。01、什么是激光雷达激光雷达，英文：Laser Radar，也称光学雷达（Light Detecti
本文将从激光雷达的结构、工作原理、分类以及在自动驾驶的应用几个方面简单聊聊。
01、什么是激光雷达
激光雷达，英文：Laser Radar，也称光学雷达（Light Detection And Ranging，LiDAR）是激光探测与测距系统的简称，它通过测定传感器发射器与目标物体之间的传播距离，分析目标物体表面的反射能量大小、反射波谱的幅度、频率和相位等信息，从而呈现出目标物精确的三维结构信息。
02、激光雷达的组成
激光雷达主要包括激光发射、接收、扫描器、透镜天线和信号处理电路组成。激光发射部分主要有两种，一种是激光二极管，通常有硅和砷化镓两种基底材料，再有一种就是目前非常火热的垂直腔面发射（VCSEL），VCSEL 的优点是价格低廉，体积极小，功耗极低，缺点是有效距离比较短，需要多级放大才能达到车用的有效距离。机载和车载激光雷达系统有三个核心组件：LiDAR传感器、GNSS系统、IMU。
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LiDAR传感器：整个激光雷达系统中，LiDAR传感器是最重要的部分，这部分作用是发射和接收脉冲激光来确定环境的范围和形状。
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GNSS系统：即全球定位系统，可将LiDAR数据与物理位置进行结合，使点云具有绝对坐标。
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IMU：惯性测量单元，实时记录系统姿态信息，确保系统姿态数据的真实性。
将这三个不同的数据进行结合，同时传感系统全部协同工作，以实现LiDAR系统获取高精度点云数据。
03、激光雷达的工作原理
激光雷达是由激光发射器、接收器、和惯性定位导航三个主要模块组成。它基本工作原理是发射出一种激光，在遇到物体后折射回来被CMOS传感器接收，来测得本体到障碍物的距离。激光雷达正是利用了光遇到障碍物反射这一原理（这种测距方式也被称为TOF飞行时间法）。
激光是大量原子由于受激辐射所产生的发光行为。激光在传播中始终像一条笔直的细线，发散的角度极小，一束激光射到38万千米外的月球上，光圈的直径充其量只有2千米左右，而普通光源散射到月球将照亮月球的三分之一。从原理来看，只要需要知道光速、和从发射到CMOS感知的时间就可以测出障碍物的距离，再结合实时GPS、惯性导航信息与计算激光雷达发射出去角度，我们就可以得到一个带有坐标方位和距离的点信息。
04、激光雷达的类型
激光雷达的类型很多，下图是佐思汽研之前文章中提到的激光雷达类型，已经很详细，本文便不多做分类。
图片来源：佐思汽研
主流激光雷达优缺点分析：
05、激光雷达在自动驾驶中的应用
在自动驾驶中，激光雷达有3D环境感知和SLAM加强定位的作用。
1、物体检测（Object Detection）
2、SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）
激光SLAM是目前最稳定、最主流的定位导航方法，但在无结构的环境中，由于缺少足够的几何特征，激光雷达SLAM将发生错误。
3、多传感器标定（Calibration）
传感器标定的意义主要是让车体本身直到障碍物的位置在哪里, 因为激光雷达识别出来的物体是在激光雷达坐标系下的位置, 所以需要标定的外参来得到障碍物在车体坐标系下的位置, 以便规划模块做出决策。
4、可通行区域检测（FreeSpace Detection）
可通行区域检测（FreeSpace detection）是自动驾驶环境感知的重要内容，而可通行区域可被假设为“地平面”，其上的点具有一致的表面法向量。下图中绿色区域便是FreeSpace。
reference:
[1] 科普中国：激光雷达的工作原理及应用
[2] https://mp.weixin.qq.com/s/Qge_xM118qkBmpGiuRX1Vg
[3] 走进自动驾驶传感器（一）——激光雷达 - 知乎 (zhihu.com)
[4] 自动驾驶离不开的激光雷达，究竟有几种分类？(baidu.com)
[5] 主流激光雷达分类及原理（meituandr）
[6] 激光雷达在自动驾驶中的应用（CSDN博客）
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