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自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?

2018年01月04日  来源:汽车之友  作者:许晖  责任编辑:马岚

引言:现如今,但凡聊起无人驾驶汽车,基于激光所研制的“激光雷达”就成了谁都无法回避的问题,除了特某拉……

激光?大家想到了啥?红的蓝的绿的嗖嗖嗖?那个是激光剑或者激光笔!biu~biu~biu那是激光枪。难道这些就是激光在大家心目之中所留下的印象?其实它是20世纪以来,继原子能、计算机、半导体之后,人类的又一重大发明。被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”,应用面极广。现如今,但凡聊起无人驾驶汽车,基于激光所研制的“激光雷达”就成了谁都无法回避的问题,除了特某拉……

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?

有趣的三维重建

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?自动驾驶技术已经在低速和限定区域实现了,激光雷达是必不可少的传感器!

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?激光雷达除了自动驾驶车辆必不可少,也是各种测绘以及行业应用之中的主要仪器

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?激光雷达所得到的点云图像已经能在完全没有可见光的情况下输出高精度环境图像

既然激光雷达是基于“激光”的特性所研发的,那么有必要给大家在开始稍微说一下激光到底有什么特性。激光的原理早在1916年便被爱因斯坦所发现,但是真正成型的激光发生器直到接近1960年才被制造出来。与寻常光源向四面八方发光所不一样的是,激光天生就是朝一个方向射出并且光束发散度极小,其亮度极高,颜色极纯,能量密度极大,所以被广泛应用在长距离测距、切割焊接、热处理乃至于武器方面。

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?壁球馆墙上无数的球印恰似激光落点编织出一个显型画面

基于这些特点所研发的激光雷达LiDAR(Light Detection and Ranging),学名是激光探测及测距系统,利用激光束探测目标,获得数据并生成精确的数字工程模型。工作原理就是发射和接收激光束。看上去很复杂,可通过一个简单的比喻大家就会明白其原理了。比方你与小伙伴置身于一间全透明的玻璃壁球馆里,进行一场有意思的壁球比赛,你用球拍所打出每一记沾满染料的壁球都将在玻璃墙上印上清晰的印记,并回弹到小伙伴处。那么只要打出足够多的球就能在整堵墙上留下印记,等同于让这堵本来看不见的玻璃墙显形在眼前。同时每次记录下球从飞出去到弹回来的时间也能根据球速计算出玻璃墙离你的距离。激光器所发出的脉冲激光正是这个不断在空中飞向玻璃墙的壁球,发球的你便是激光发射器,接球的小伙伴则是负责接收激光束的接收器。你们两人通过不断的打点记录下这间全透明的壁球室到底是什么样子的。这也正是激光雷达让系统能通过算法重建其所扫描的三维世界最直观的方法了。

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?使用激光雷达传感器生成数字道路地图,可用于帮助自动驾驶汽车导航

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?激光雷达的有效工作距离对于自动驾驶车辆在紧急情况下处理反应速度起到重要作用

三维重建对于自动驾驶有着极其重要的作用,激光雷达在自动驾驶中的应用,最重要部分就是定位,位置确定了,自动驾驶车辆才知道要去哪里、以及怎么去。所以,确定“我在哪里”是第一步,也是非常关键的一步。接下来便是与其他传感器分庭抗礼而又互补的功能—对障碍物检测和分类,激光雷达不依赖光照,它的视角是 360 度,计算量比较小,可以实时扫描,预先识别障碍物,了解障碍物在空间中的位置,再根据存在的障碍物做分类。这点对于自动驾驶安全至关重要。

激光雷达的历史与科代表

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?Theodore Maiman发明第一台红宝石激光器

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?128点云图(上)与64线点云图(下)的比较显示了Velodyne新旗舰机型的分辨能力提高10倍,使其能够更清晰,更远距离地看到物体

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?

从1960年,美国加州修斯实验室梅曼研制出第一台红宝石激光器开始,科学家就提出激光雷达的设想。1988年到1993年期间,德国把激光的扫描技术和即时定位的位置系统进行结合,形成空载激光雷达扫描仪,1995年Optech和TopScan共同推出了一款激光雷达,开启了激光雷达的商业化。2005年Velodyne创始人Dvaid Hall发明了360°机械旋转式激光雷达。大家可以记下Velodyne这个名字。毕竟在激光雷达正式进入商用之后的二十年之间,这家企业真正做到了现在不少热销车型也未必能做到的事情——加价卖。为了研发自动驾驶测试车, Velodyne的 64线的激光雷达“一达难求”,加价到10万美金也供不应求。尽管现在对于高精度激光雷达的需求仍处于一个萌芽阶段,不过先知先觉的人们已经敏锐的洞察到一个信息,一旦自动驾驶技术成熟,激光雷达必定引发一轮井喷式需求。去年Velodyne得到了福特与百度联投的1.5亿美元更坐实了市场观望方向。这让中外技术团队纷纷加入战团,无惧Velodyne的科代表身份,甚至部分还敢于上新技术挑战权威,比如Luminar、Innoviz、Innoluce等企业的MEMS微振镜激光雷达,以及Quanergy所放出的OPA相控阵激光雷达。这其中不少企业背后更是某些著名的主机厂或零部件巨头占股,推波助澜之下,百鸟争鸣。中国在此领域尽管进入较晚,不过令人欣喜的是涌现出了如速腾聚创、北科天绘等中国公司,得到了不少主机厂的认可。其中速腾聚创更是其中值得关注的自主品牌。该公司从2014年创立以来,产品迭代迅速,从原来用于静态测绘到现在专注于自动驾驶激光雷达研发制造。产品的质量与技术的更新可圈可点,其中16线产品RS-LiDAR从数据而言,甚至略优于Veledyne的16线产品。最近与相关部门联合打造的自动驾驶客运巴士——阿尔法巴(Alphabus)正式在深圳福田保税区的开放道路进行线路的信息采集和试运行。

种类促进技术,技术发展种类

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?为自动驾驶车辆服务的激光雷达目前多数还只能在车身上寻找不太突兀的地方安放

随着接近三十年时间的进化,尽管最终所依托的工作原理一样,但是激光雷达的制造工艺技术一直在不断的进步。从开初的传统机械式产品开始发展到准备量产的全固态产品,激光雷达的发展方向除了效率越来越高,产品体积也越来越小,换言之技术难度也越来越高。从旋转式扫描技术到MEMS扫描技术再到OPA相控阵技术,只有想不到,没有做不到的。不过可以肯定的一点是,这一条技术路径,显然主要考虑的是成本问题,因为一旦实现量产,那么基本就可以实现量级的成本下降。

机械旋转式激光雷达

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?SCALA激光扫描仪

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?机械旋转式激光雷达工作原理图

从工作时运动结构来看,机械旋转式激光雷达应该算目前最为常见的一种了。还记得包括谷歌在内的一种自动驾驶先行者早年路试时候的车辆么?车顶上那个不断旋转着的物件便是机械旋转式激光雷达,其典型特征即为拥有机械部件,会旋转,找个比较容易理解的例子,就像一个去掉外壳的车顶警灯,反射镜外加点光源不断旋转所产生的那种效果。若把反射镜看成接收器,而里面大大的红灯泡看成激光发射机便是机械旋转式激光雷达的工作情况。至于多少线扫描这个大家都很关注的参数指标,无非就是在里面增加了多少个激光发射器以及接收器。

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?Velodyne所生产的64线机械旋转式激光雷达

到了后来可能大家也觉得这一直转着的东西实在不太美观,还很容易脏,便纷纷在外面加了个“全家桶”一样的保护壳,也就是所谓的混合固态激光雷达,固态指的是“全家桶”外表,里面依然是不断旋转工作的机械结构。为此目前市面上使用最多的混合固态激光雷达依然属于机械旋转式激光雷达。代表企业正是目前激光雷达领域的龙头老大Velodyne。

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?机械旋转式激光雷达无论在生产调试以及安装上都需要十分精密的调节

机械旋转式激光雷达虽然拥有着扫描速度快、接收视场小,抗光干扰能力强,信噪比高以及可承受激光功率高等优点,不过其扫描角度固定,光路调试、装配复杂,生产周期漫长,成本居高不下的缺点也十分明显,最让人头疼的是机械旋转部件在行车环境下的可靠性不高,难以符合车规的严苛要求。公路的无人驾驶车辆可能还能勉强适应,可若日后发展到越野开放路段,乃至于战时的严苛战场,那么这种工艺的产品肯定熬不过来甚至成为首先被消灭的部件。

MEMS微振镜激光雷达

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?这是激光雷达“看到”的影像,也许对驾驶者不算啥,不过对于自动驾驶汽车来说极其依赖

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?MEMS微振镜激光雷达工作原理

有个全家桶顶在头上,多少会限制了比如行李架等传统车外配件的安装,关键是颜值不够美观,所以尽量缩小雷达尺寸成为研究方向。正所谓转身不如转头快,转头不及转动眼珠子迅速。既然那种牵一发而动全身的旋转结构激光雷达,稳定性始终难以控制,还成本老高,那么干脆取其精华,MEMS微振镜激光雷达应运而生。其将原本体积较大的机械结构集成在硅基芯片上,在硅基芯片上集成体积十分精巧的微振镜,由可以旋转的微振镜来反射激光器的光线,从而实现扫描。当真跟转动眼珠以观察周边一个道理。这种设计在现阶段有两个比较显著的好处,其一是不用大幅度地进行旋转,可以有效降低整个系统在行车环境出现问题的几率。其二则是更加容易量产,有利于降低成本。不过MEMS微振镜激光雷达也并不是无懈可击的,小巧的MEMS偏振镜碍于体积以及振动幅度,其探测角度十分有限,另外扫描角度是由控制电路调节,调节比较困难。总体来说,MEMS微振镜激光雷达已经能大幅度减小激光雷达的尺寸,不过对于自动驾驶车辆来说,尽管不需要全家桶在头顶,却也逃脱不了突出车外的宿命,很有可能以后这种产品与光学后视镜合二为一,成为后视镜位置的重合体。

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?以色列Innoviz生产的MEMS微振镜激光雷达One_LiDAR

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?自动驾驶车辆的激光雷达通常采用飞行时间法则计算与障碍物之间的距离

不少公司都在利用自身原有技术优势加紧研发MEMS微振镜激光雷达,如从飞利浦剥离出来,后被英飞凌收购的荷兰Innoluce公司。

Flash面阵技术和OPA相控阵技术全固态激光雷达

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?固态激光雷达的小尺寸足以让其很好滴隐蔽在车辆隔栅之中

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?高分辨率3D Flash激光雷达传感器技术的一个显着优势是它既提供实时机器视觉,又提供环境映射功能

Flash面阵技术激光雷达是一个很有趣的技术,我们可以直观地将其理解称为一台在黑暗之中拍照的单反相机,其工作原理就是在给周边环境拍照,发射端在短时间内通过光学透镜发射出一大片覆盖探测区域的激光,接下来高度灵敏的接收端就如单反相机里面的CMOS,一个个像素组合成所得影像。其优点在于结构紧凑,但是难点在于像素阵列的组成,每个像素独立解析,像素点越多,解析度越高,而且探测距离并不理想。大陆集团于2016年所收购美国加州的Advanced Scientific Concepts,Inc.(ASC)便是研发生产高分辨率3D Flash激光雷达业务企业。

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?Flash面阵激光雷达的接收器就跟单反相机一样使用像素点阵的感光元器件

至于相控阵雷达技术,不少熟悉军事装备的读者可能已经有所了解,近年各国海军实力高速发展,特别是我国052D型驱逐舰的换装。相控阵雷达不需要旋转发射器,但探测的精度和速度却大大提高,相控阵技术的全称是相位控制阵列技术。找个比较简单的例子,同时往水中临近两个地方扔石头,会发现各自所激发的涟漪部分会相互抵消,而部分则会叠加增强。将这个原理放大,采用多个光源组成阵列,通过控制各光源发射的时间差,就能合成角度灵活,且精密可控的主光束,这就是相控阵的原理。其最大优势在于完全没有机械结构,数据采集速度快,分辨率高,对于温度和振动的适应性强。固态激光雷达的典型代表是美国的Quanergy公司,单面相控阵最大视角120度。已经获得了大型汽车零部件供应商德尔福,以及三星电子的战略投资。Quanergy还在与Koito合作整合激光雷达的汽车前照灯。

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?单一激光雷达仍然不足以支撑自动驾驶技术,唯有多传感器冗余互补才能更加安全可靠

条条大路通罗马,需要达成一种应用往往有着无数种技术解决方法,尽管MEMS、OPA、flash等技术的激光雷达目前都还没有量产型产品出现,还只是实验室阶段的小批量制品,可对于已经如滚滚车轮无法停下来的自动驾驶技术需求来说,说不定某一天突然就遍地开花了。

结语

自动驾驶发展是一场艰苦的马拉松比赛,激光雷达优点不少,在HAD(高级自动驾驶)是不可或缺的,但雾霾、烟、灰尘穿透力差,仍易受雨雪雾霾等天气影响,为此现在自动驾驶系统一般会采用多传感器融合方案,同时安装激光雷达、毫米波雷达和摄像头多传感器结合。单一技术的固守永远不能完成这场比赛,可以让科技公司与传统车企之间相爱相杀的局面逐步趋于稳定的,只有开源、合作、标准化。

小知识

1. 激光雷达发射的激光会伤眼睛么?不会,寻常可见光波长介乎于400-760nm,而激光雷达所使用的激光波长为905nm,已经超越了人类感知可见光的范围,部分产品更使用1550nm波长激光,所以并不会伤及眼睛。

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?红(660 & 635nm)、绿(532 & 520nm)、蓝紫(445 & 405nm)为可见激光,通常激光雷达所用的激光波长为905nm乃至以上,为非可见光

2. 激光雷达的线数越多代表了分辨率越高,建模能力越强,单线产品只能扫描探测区平面却没有高度概念,多线雷达可以识别物体的高度信息。多线激光雷达常规是2.5D,最多可以做到3D。但并不是说简单的将多个雷达叠加。

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?雷达线数越多,扫描精度也就更高

3. 反射率是衡量激光雷达性能的一个重要参数。任何物体通常都有其独特的反射率,材质、光滑度、颜色等条件均对该物体反射率有影响,百分比数值代表反射物能反射的激光占发射出去的激光比例。所以100m/30m(10%反射率),意思是正常反射条件下,激光扫描的有效距离100m,而对于10%反射率的反射物来说,激光扫描的有效距离是30m。

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?物体表面的反射率与其材质光滑程度等条件有关

4. 市面上大多数激光雷达使用TOF(Time Of Flight)飞行时间法进行脉冲测距。通过测量激光脉冲在雷达和目标之间来回飞行时间获取目标距离的信息。此法测量速度快、抗光干扰能力强。

5. 虽然相控阵激光雷达与相控阵军用雷达都叫相控阵雷达,可其实激光雷达发射接收的是激光光束,军用雷达发射接收的则是电磁波。他们只是原理相同而已。

自动驾驶的天眼 激光雷达是个啥?军事相控阵雷达所用的可是电磁波而不是激光

关键词:激光雷达 自动驾驶 

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《汽车之友》 总第505期

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