01 車載激光雷達(dá)的激光點(diǎn)云

通過(guò)點(diǎn)云技術(shù)，激光雷達(dá)的成像能夠更為清晰、精準(zhǔn)，能夠充分發(fā)揮高分辨率的優(yōu)點(diǎn)。點(diǎn)云的應(yīng)用不僅可以節(jié)省掉傳統(tǒng)的建模時(shí)間，也增加了模型準(zhǔn)確性，是激光雷達(dá)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)之一。

車載激光雷達(dá)是一種移動(dòng)型掃描系統(tǒng)，可以通過(guò)發(fā)射和接收激光束，分析激光遇到目標(biāo)對(duì)象后的折返時(shí)間，計(jì)算出目標(biāo)對(duì)象與車的相對(duì)距離，并利用收集的目標(biāo)對(duì)象表面大量的密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率等信息，快速?gòu)?fù)建出目標(biāo)的三維模型及各種圖件數(shù)據(jù)，建立三維點(diǎn)云圖，繪制出環(huán)境地圖，以達(dá)到環(huán)境感知的目的。激光雷達(dá)采集到的物體信息呈現(xiàn)出一系列分散的、具有準(zhǔn)確角度和距離信息的點(diǎn)，被稱為點(diǎn)云，如圖1所示。

圖2 激光雷達(dá)點(diǎn)云圖

(資料圖)

一、激光點(diǎn)云的參數(shù)和特點(diǎn)

激光點(diǎn)云指由三維激光雷達(dá)設(shè)備掃描得到的空間點(diǎn)數(shù)據(jù)集，每一個(gè)點(diǎn)云都包含三維坐標(biāo)（XYZ）和激光反射強(qiáng)度（Intensity），其中強(qiáng)度信息會(huì)與目標(biāo)物表面材質(zhì)與粗糙度、激光入射角度、激光波長(zhǎng)以及激光雷達(dá)的能量密度有關(guān)，點(diǎn)云的相關(guān)參數(shù)和特點(diǎn)如下：

二、原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的接收與解析

1、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的接收

激光雷達(dá)的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)都會(huì)被存放在一個(gè)數(shù)據(jù)包里（PCAP），此時(shí)數(shù)據(jù)包里面的數(shù)據(jù)都是一連串的字節(jié)符號(hào)，無(wú)法直接使用。以Velodyne的16線激光雷達(dá)為例，原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的接收主要是通過(guò)UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）的形式向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)。

從數(shù)據(jù)的內(nèi)容來(lái)看，該型號(hào)的激光雷達(dá)在垂直方向上（-15°到+15°）有16線的激光束，其每幀的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度固定為1,248字節(jié)，這些字節(jié)包括前42字節(jié)的前數(shù)據(jù)包標(biāo)識(shí)、12組數(shù)據(jù)包、4字節(jié)時(shí)間戳和最后兩字節(jié)雷達(dá)型號(hào)參數(shù)。

每個(gè)數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)都包含了激光光束的旋轉(zhuǎn)角度、距離值、反射強(qiáng)度的信息。例如，“B6 07”代表了激光雷達(dá)的探測(cè)距離為3.948m，“2A”代表了激光的反射強(qiáng)度，但這些信息都是以兩字節(jié)表示，需要進(jìn)一步解析這些數(shù)據(jù)。

2、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的解析

數(shù)據(jù)包中的原始數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為可被PCD格式的數(shù)據(jù)集 PCD文件主要是由笛卡爾坐標(biāo)（x,y,z）和強(qiáng)度值i組成的列表，即每個(gè)點(diǎn)云都會(huì)附帶獨(dú)有的三維坐標(biāo)系和能量反射強(qiáng)度。

在這個(gè)坐標(biāo)系中，x軸指向汽車的前部，y軸指向汽車的左側(cè)。由于這個(gè)坐標(biāo)系采用右手定則，坐標(biāo)系z(mì)軸指向汽車上方。

圖5點(diǎn)云pcd坐標(biāo)

三、定位處理

在獲得以上三維坐標(biāo)和每點(diǎn)的強(qiáng)度信息后，車輛將提取路況特征并匹配相應(yīng)路段，從而實(shí)現(xiàn)自身定位。

1、特征提取

用點(diǎn)云數(shù)據(jù)做定位的第一步是先要確定“我在哪里”，此時(shí)感知算法設(shè)備要先提取周邊場(chǎng)景的目標(biāo)物特征，并通過(guò)這些特征和所獲取到的相對(duì)距離信息建立一個(gè)小地圖，確定車輛的相對(duì)初始位置。

點(diǎn)云特征提取往往是實(shí)時(shí)的，這導(dǎo)致點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量非常大，而現(xiàn)有量產(chǎn)車的硬件性能有限，所以為了減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)的計(jì)算量，點(diǎn)云數(shù)據(jù)在被提取特征時(shí)一般會(huì)被優(yōu)先提取較為明顯的特征，像物體的輪廓信息、目標(biāo)物的線面角，具體地電線桿是線的特征、路面是面的特征、建筑物的角點(diǎn)就是角的特征。

2、地圖匹配

在提取完周圍目標(biāo)物的特征后，感知算法需要根據(jù)這些特征來(lái)進(jìn)行點(diǎn)云地圖匹配，來(lái)獲取各個(gè)點(diǎn)云之間的相對(duì)位姿，點(diǎn)云地圖匹配一般可分為幀間匹配和高精地圖匹配。

幀間匹配也叫子圖匹配，指將前后幀上有相同特征的點(diǎn)云做匹配，最后得到一張局部小地圖；高精地圖匹配，指將優(yōu)化后的點(diǎn)云與高精地圖做匹配。在自動(dòng)駕駛行業(yè)內(nèi)，自動(dòng)駕駛方案商或者主機(jī)廠都會(huì)應(yīng)用這兩種不同方案，但常用的匹配方案還是以幀間匹配為主。

3、位姿優(yōu)化

點(diǎn)云數(shù)據(jù)在做完匹配后，可以獲取各點(diǎn)云間的相對(duì)位姿（從一個(gè)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為另一個(gè)坐標(biāo)系的過(guò)程中發(fā)生的平移和旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作）而相對(duì)位姿的準(zhǔn)確性會(huì)影響構(gòu)建地圖的準(zhǔn)確性，所以需要對(duì)點(diǎn)云的相對(duì)位姿做一定的優(yōu)化。

相對(duì)位姿的不準(zhǔn)確主要由于一些不可控因素，如點(diǎn)云被物體遮擋或者激光雷達(dá)視場(chǎng)角的限制，點(diǎn)云的位姿優(yōu)化通過(guò)一定的點(diǎn)云坐標(biāo)系的剛體變化（旋轉(zhuǎn)或平移）來(lái)得到最優(yōu)相對(duì)位姿。

02 車載激光雷達(dá)的分類和發(fā)展情況一、機(jī)械式激光雷達(dá)

機(jī)械式激光雷達(dá)通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)收發(fā)陣列進(jìn)行整體旋轉(zhuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)空間水平 360°視場(chǎng)范圍的掃描。其發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)在宏觀上是旋轉(zhuǎn)的，發(fā)射部件垂直排列成激光光源的線性陣列，通過(guò)透鏡在垂直面上產(chǎn)生不同方向的激光束。在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，垂直面內(nèi)的激光束不斷地從“線”旋轉(zhuǎn)到“面”，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)掃描光“面”形成多重激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)區(qū)域的三維掃描，形成點(diǎn)云。

Velodyne公司于2005年首次提出了一種激光雷達(dá)的三維機(jī)械旋轉(zhuǎn)式掃描技術(shù)（申請(qǐng)?zhí)枺篣S11777802），該項(xiàng)技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了激光雷達(dá)的 360度掃描，率先彌補(bǔ)了三維車載激光雷達(dá)掃描技術(shù)的空白，機(jī)械式激光雷達(dá)面世。目前，該公司已經(jīng)推出了采用128線束并將探測(cè)距離提升至300米的Alpha PUCK 激光雷達(dá)；在國(guó)內(nèi)，禾賽科技也發(fā)布了Pandar系列機(jī)械式激光雷達(dá)，其中Panndar128采用128線，測(cè)距范圍達(dá)到200米。機(jī)械式激光雷達(dá)的技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟。

作為激光雷達(dá)最經(jīng)典且發(fā)展最為成熟的技術(shù)方案，機(jī)械式激光雷達(dá)常應(yīng)用于自動(dòng)駕駛出租車的測(cè)試和迭代，但利用傳統(tǒng)分立式設(shè)計(jì)的機(jī)械式雷達(dá)主要是通過(guò)增加收發(fā)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)高線束，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)更高精度的探測(cè)，但整套元器件體積大且降本空間有限。

圖6 混合固態(tài)激光雷達(dá) MEMS內(nèi)部結(jié)構(gòu)

二、混合固態(tài)激光雷達(dá)MEMS

混合固態(tài)激光雷達(dá)MEMS（Micro Electromechanical System）是一種用半導(dǎo)體“微動(dòng)”器件來(lái)代替機(jī)械式掃描器，在微觀尺度上實(shí)現(xiàn)雷達(dá)發(fā)射端的激光掃描方式。MEMS激光雷達(dá)將微機(jī)電系統(tǒng)MEMS（一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)在微米乃至納米的高科技裝置）和振鏡（一種硅基半導(dǎo)體元器件，屬于固態(tài)電子元件）相結(jié)合，通過(guò)MEMS驅(qū)動(dòng)振鏡使其運(yùn)動(dòng)，激光通過(guò)振鏡發(fā)射到各個(gè)方向，因此被稱為混合固態(tài)激光雷達(dá)。

MEMS激光雷達(dá)將所有的機(jī)械部件集成到單個(gè)芯片上，利用半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)，達(dá)到機(jī)械結(jié)構(gòu)的微型化和電子化設(shè)計(jì)。如圖8MEMS在發(fā)射激光的時(shí)候通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)作用于激光器和MEMS振鏡，使得激光器產(chǎn)生激光脈沖及MEMS振鏡發(fā)生旋轉(zhuǎn)。此時(shí)所發(fā)射的脈沖在振鏡不斷地旋轉(zhuǎn)反射下進(jìn)行激光掃描，最后經(jīng)光學(xué)單元準(zhǔn)直后射出。

作為機(jī)械旋轉(zhuǎn)掃描激光雷達(dá)的升級(jí)換代，MEMS激光雷達(dá)得到了廣泛的應(yīng)用。目前，量產(chǎn)車領(lǐng)域主要搭載的是混合固態(tài)激光雷達(dá)。自2020年起，全球范圍有21款車型宣布將搭載激光雷達(dá)，中國(guó)公司推出了其中的14款，這些車企選擇的主要都是混合固態(tài)激光雷達(dá)。

首個(gè)MEMS混合固態(tài)激光雷達(dá)是以色列公司Innoviz在2017年發(fā)布的Innoviz One；速騰緊跟其后，在同年推出了與 Innoviz One 相似的M1。另一個(gè)被看好的混合固態(tài)路線是單軸轉(zhuǎn)鏡，即Scala使用的方案。禾賽科技在2021年第四季度推出了128線激光雷達(dá)AT128，目前已成為理想、集度、吉利旗下路特斯、高合等品牌的指定供應(yīng)商。

混合固態(tài)激光雷達(dá)可分為一維掃描和二維掃描，它們的共同之處是，都通過(guò)內(nèi)部機(jī)械運(yùn)動(dòng)改變激光的方向；區(qū)別是一維掃描僅改變水平方向，二維掃描同時(shí)改變水平和垂直方向。一維掃描的方案為采用在水平方向上的反射鏡來(lái)改變光線方向獲得視場(chǎng)角覆蓋；二維掃描有兩種方案，一種是振鏡通過(guò)懸臂梁在橫縱兩軸高速周期運(yùn)動(dòng)，從而改變激光反射方向?qū)崿F(xiàn)掃描，另一種是由一個(gè)在橫軸不斷旋轉(zhuǎn)的多邊形棱鏡和一個(gè)在縱軸擺動(dòng)的鏡子實(shí)現(xiàn)掃描。下面具體介紹這三種方案。

1、二維掃描

二維掃描可進(jìn)一步細(xì)分為 MEMS 和二維轉(zhuǎn)鏡兩類。

（1）MEMS 方案的核心是一個(gè)厘米尺度的振鏡通過(guò)懸臂梁在橫縱兩軸高速周期運(yùn)動(dòng)，從而改變激光反射方向?qū)崿F(xiàn)掃描。相比傳統(tǒng)機(jī)械式激光雷達(dá)，MEMS 方案簡(jiǎn)化了掃描結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制微振鏡的偏轉(zhuǎn)角度就能改變掃描路徑，僅需幾個(gè)激光器就能達(dá)到和機(jī)械式多線束激光雷達(dá)的覆蓋區(qū)域和點(diǎn)云密度一樣的效果。

但這一方案的技術(shù)難點(diǎn)在于懸臂梁轉(zhuǎn)動(dòng)角度有限，使得單個(gè)振鏡覆蓋的視場(chǎng)角很小，往往需要多臺(tái)拼接才能實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)角覆蓋，可能導(dǎo)致點(diǎn)云圖像在疊加邊緣出現(xiàn)不均勻的畸變和重疊，加大后續(xù)算法處理的難度。

圖9 混合固態(tài)激光雷達(dá)-二維掃描-MSME方案

（2）二維轉(zhuǎn)鏡方案由一個(gè)在橫軸不斷旋轉(zhuǎn)的多邊形棱鏡和一個(gè)可以在縱軸擺動(dòng)的鏡子組成。例如下面是一種市場(chǎng)上現(xiàn)有的二維轉(zhuǎn)鏡掃描示意，不斷旋轉(zhuǎn)的多邊形棱鏡可以讓光源實(shí)現(xiàn)水平掃描，而同時(shí)縱軸擺鏡則可以改變光源的垂直掃描方向。

圖10 混合固態(tài)激光雷達(dá)-二維掃描-二維轉(zhuǎn)鏡方案

按照這種設(shè)計(jì)方案僅需一束光源就可以完成機(jī)械式雷達(dá)若干個(gè)光源才能完成的掃描任務(wù)，但也正因只有一束激光，要保證對(duì)三維世界的高清掃描就要求掃描頻率非常高，同時(shí)要求功率也更大，給掃描器件帶來(lái)了可靠性方面的挑戰(zhàn)。

2、一維掃描

與二維掃描結(jié)構(gòu)相比，一維掃描采用僅在水平方向上低速轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡來(lái)改變光線方向獲得視場(chǎng)角覆蓋，穩(wěn)定性和可靠性更高。2017年法雷奧在行業(yè)中推出的第一款通過(guò)車規(guī)驗(yàn)證的激光雷達(dá)，采用的正是這一技術(shù)方案，但此方案的局限性在于掃描線數(shù)較少，難以實(shí)現(xiàn)較高的分辨率。

三、固態(tài)激光雷達(dá)

機(jī)械式和半固態(tài)都是收發(fā)模塊搭配一種做機(jī)械運(yùn)動(dòng)的掃描模塊，不能算是純固態(tài)，歸根結(jié)底掃描模塊只是一個(gè)機(jī)械部件，是一種“形式”，真正決定激光雷達(dá)性能的“本質(zhì)”是其收發(fā)模塊。只有在內(nèi)部沒(méi)有任何運(yùn)動(dòng)部件的才是純固態(tài)激光雷達(dá)，這種激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、集成度最高。理論上來(lái)講，固態(tài)激光雷達(dá)是完全沒(méi)有移動(dòng)部件的雷達(dá)，光相控陣（Optical Phased Array）和 Flash 是典型技術(shù)路線，也被認(rèn)為是純固態(tài)激光雷達(dá)方案。

圖11：禾賽科技 FT120 固態(tài)激光雷達(dá)

1、OPA固態(tài)激光雷達(dá)

OPA（相控陣）激光雷達(dá)是采用光學(xué)相位控制陣列技術(shù)實(shí)現(xiàn)激光掃描的一種激光雷達(dá)。OPA發(fā)射器由多個(gè)可獨(dú)立控制的發(fā)射和接收單元組成，改變加載其上的電壓便可改變各單元發(fā)出的光波特性，再通過(guò)調(diào)整發(fā)射光波之間的相位關(guān)系在一定方向上實(shí)現(xiàn)相互增強(qiáng)的干涉，從而產(chǎn)生具有方向性的高強(qiáng)度光束。在設(shè)計(jì)好的程序控制下，OPA的各個(gè)相位控制單元使一個(gè)或多個(gè)高強(qiáng)度光束的方向?qū)崿F(xiàn)隨機(jī)空間掃描。

圖12 OPA激光雷達(dá)原理框圖

2、Flash固態(tài)激光雷達(dá)

Flash（泛光面陣式）激光雷達(dá)是通過(guò)記錄光子飛行時(shí)間計(jì)算環(huán)境距離的激光雷達(dá)，屬于非掃描式激光雷達(dá)。在運(yùn)行過(guò)程中，成像系統(tǒng)（高密度的激光源陣列）發(fā)射大面積激光覆蓋探測(cè)區(qū)域。由于物體表面到返回點(diǎn)的距離不同，光源到達(dá)物體表面后部分反射回圖像上的像素點(diǎn)飛行時(shí)間也不同，由雷達(dá)內(nèi)部的高靈敏度接收器計(jì)算每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的距離，完成對(duì)周圍環(huán)境的信息采集與繪制。

Flash激光雷達(dá)是目前全固態(tài)激光雷達(dá)中主流的技術(shù)產(chǎn)品之一，主要優(yōu)點(diǎn)有成像速度快、成本低、集成度高、非離散采集、能夠改善感知系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的空間理解能力等。但是由于受限于芯片技術(shù)，目前Flash激光雷達(dá)的應(yīng)用范圍較小。另外，多發(fā)射器同時(shí)發(fā)射脈沖激光，也限制了其模塊的功率。

圖13 固態(tài)激光雷達(dá)-Flash

固態(tài)激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)在于能夠最大程度地減少例如電機(jī)、軸承等可動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來(lái)的磨損，同時(shí)消除光電器件因?yàn)闄C(jī)械旋轉(zhuǎn)可能造成的故障，使得固態(tài)激光雷達(dá)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)布局更加合理，整體散熱及穩(wěn)定性相比于機(jī)械式激光雷達(dá)有質(zhì)的飛躍。

固態(tài)激光雷達(dá)取消了復(fù)雜和高頻轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，能夠降低物料和量產(chǎn)成本，提升產(chǎn)品可靠性、生產(chǎn)效率和一致性，未來(lái)能夠在車規(guī)級(jí)量產(chǎn)領(lǐng)域有所發(fā)展。

現(xiàn)階段固態(tài)激光雷達(dá)的不足在于功率密度低、探測(cè)距離短，還不能作為主激光雷達(dá)大規(guī)模量產(chǎn)使用，但固態(tài)激光雷達(dá)的近距補(bǔ)盲能可以與半固態(tài)激光雷達(dá)的遠(yuǎn)距感知相組合，打造出完整的車規(guī)級(jí)激光雷達(dá)解決方案。

表三：三種激光雷達(dá)比較

03 車載激光雷達(dá)的安裝位置

如圖14所示，激光雷達(dá)安裝位置分為兩大類：一類安裝在智能網(wǎng)聯(lián)汽車的四周，另一類安裝在智能網(wǎng)聯(lián)汽車的車頂。對(duì)于裝在智能網(wǎng)聯(lián)汽車四周的激光雷達(dá)，其激光線束一般小于8，常見(jiàn)的有單線激光雷達(dá)和4線激光雷達(dá)。對(duì)于安裝在智能網(wǎng)聯(lián)汽車車頂?shù)募す饫走_(dá)，其激光線束一般不小于16，常見(jiàn)的有16、32、64線激光雷達(dá)。不管安裝在什么位置，均需要滿足以下要求。

1、首先根據(jù)雷達(dá)抗振動(dòng)和沖擊能力，確定是否需要減振支架。

2、如果不需要減振支架，可以使用安裝吊耳固定或者雷達(dá)上面的其他固定螺釘孔。

3、避障雷達(dá)要求水平朝上傾斜5°左右，以解決高反射物體的探測(cè)。

4、測(cè)量雷達(dá)要求安裝平面盡可能與地面平行，用于提高普通定位精度。這是因?yàn)槿绻袃A斜角度的話，雷達(dá)在不同位置探測(cè)出來(lái)的輪廓會(huì)有較大誤差，最終影響定位精度。

5、激光頭安裝的位置最好不超出車頂200mm，約170mm的高度安裝位置最佳（即可做安全避障，又可以做測(cè)量用）。根據(jù)車身結(jié)構(gòu)去選擇雷達(dá)正向安裝或倒置安裝都可以。

6、在雷達(dá)布置上面，可以選擇車頭中間位置或者車的四個(gè)對(duì)角點(diǎn)。如果布置兩個(gè)雷達(dá)在車對(duì)角，就可以實(shí)現(xiàn)車身360°都被激光雷達(dá)探測(cè)到，從而避障無(wú)死角。

7、不同車體，雷達(dá)的安裝x、y方向和旋轉(zhuǎn)姿態(tài)會(huì)有誤差，最終導(dǎo)致理論相同的定位點(diǎn)，車體卻有不同的位置和姿態(tài)。系統(tǒng)需要設(shè)置這三個(gè)誤差的補(bǔ)償值，從而保證其一致性。

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