講講激光雷達(dá)到底是怎么工作的

最后說(shuō)說(shuō)激光雷達(dá)到底是怎么工作的。

首先，激光雷達(dá)并不是獨(dú)立運(yùn)作的，而是由激光發(fā)射器、接收器和慣性定位導(dǎo)航三個(gè)主要模塊組成。它基本工作原理是發(fā)射出一種激光，在遇到物體后折射回來(lái)被CMOS傳感器接收，來(lái)測(cè)得本體到障礙物的距離。激光雷達(dá)正是利用了光遇到障礙物反射這一原理，而這種測(cè)距方式也被稱為T(mén)OF飛行時(shí)間法；就像你勻速勻速跑步到小王家再勻速跑回來(lái)，知道時(shí)間和你的速度，就能確定小王家到這里有多遠(yuǎn)。

那為什么要叫激光雷達(dá)，而不是光光雷達(dá)呢？激光是大量原子由于受激輻射所產(chǎn)生的發(fā)光行為。激光在傳播中始終像一條筆直的細(xì)線，發(fā)散的角度極小，一束激光射到38萬(wàn)千米外的月球上，光圈的直徑充其量只有2千米左右，而普通光源散射到月球?qū)⒄樟猎虑虻娜种弧?/p>

從原理來(lái)看，只要需要知道光速和從發(fā)射到CMOS感知的時(shí)間就可以測(cè)出障礙物的距離，再結(jié)合實(shí)時(shí)GPS、慣性導(dǎo)航信息與計(jì)算激光雷達(dá)發(fā)射出去角度，我們就可以得到一個(gè)帶有坐標(biāo)方位和距離的點(diǎn)信息。

試想如果一個(gè)激光雷達(dá)能夠在同一個(gè)空間內(nèi)，按照設(shè)定好的角度發(fā)射無(wú)數(shù)條激光，那么就能得到無(wú)數(shù)基于障礙物反射信號(hào)。再給這個(gè)信息配上時(shí)間范圍、激光的掃描角度、GPS位置和INS信息將點(diǎn)數(shù)據(jù)后處理成高度精確的地理配準(zhǔn)x,y,z坐標(biāo)，那么這些點(diǎn)就會(huì)變?yōu)榫哂芯嚯x信息、空間位置信息的三維立體信號(hào)，最后再基于軟件算法組合起來(lái)，我么就可以得出線、面、體等各種相關(guān)參數(shù)，建立三維點(diǎn)云圖，繪制出環(huán)境地圖，達(dá)到感知大的目的。理論上，相同單位內(nèi)點(diǎn)云圖越多，分辨率越高，汽車(chē)得到的信息就越多，自動(dòng)駕駛判斷就越正確。

而評(píng)價(jià)一個(gè)激光雷達(dá)好壞也離不開(kāi)以下三個(gè)參數(shù)。這是激光雷達(dá)最最最簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)理論，和判斷一個(gè)激光雷達(dá)的最有效方式。

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但從商業(yè)角度來(lái)看，就像不存在完美的人一樣，根本也不存在完美的激光雷達(dá)。量產(chǎn)一款激光雷達(dá)是考慮體積、功耗、成本、可靠性、安全性等，所以基本不可能制造出一個(gè)能同時(shí)向一個(gè)方向發(fā)射出無(wú)數(shù)激光的激光雷達(dá)。

為了能夠得到空間信息點(diǎn)，我們發(fā)明了機(jī)械式、MEMS、相控陣式、FISH等激光雷達(dá)。

1.首先是機(jī)械雷達(dá)：通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)演示原理，可以實(shí)現(xiàn)周?chē)?60度的環(huán)境掃描和建模。激光發(fā)射器發(fā)出一束經(jīng)過(guò)調(diào)制的激光，經(jīng)過(guò)物體反射后再由接收器接受到光信號(hào)，如果一個(gè)雷達(dá)可以同時(shí)發(fā)出多束光，并且讓他旋轉(zhuǎn)起來(lái)，就可以實(shí)時(shí)探測(cè)到周?chē)奈矬w，甚至生成點(diǎn)云，實(shí)現(xiàn)為周?chē)h(huán)境的實(shí)時(shí)建模，這種雷達(dá)被稱為多線數(shù)機(jī)械激光雷達(dá)。多數(shù)自動(dòng)駕駛車(chē)輛都搭載Velodyne公司出品的HDL-64E激光雷達(dá)，該產(chǎn)品每秒能完成對(duì)視場(chǎng)中220萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的掃描，同時(shí)還能完成對(duì)120米范圍內(nèi)物體的定位，精度可達(dá)厘米級(jí)。強(qiáng)悍是強(qiáng)悍，但是這樣一個(gè)傳感器的重量達(dá)到了13千克 ，單價(jià)更是高達(dá)8萬(wàn)美元，快能買(mǎi)一臺(tái)整車(chē)呢，根本不可能做到完全普及，或者實(shí)現(xiàn)智能輔助駕駛的夢(mèng)想。

2.MEMS，微振鏡氏激光雷達(dá)；

這是一種基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），整套系統(tǒng)只需一個(gè)很小的反射鏡就能引導(dǎo)固定的激光束射向不同方向。由于反射鏡很小，因此其慣性力矩并不大，可以快速移動(dòng)，速度快到可以在不到一秒時(shí)間里跟蹤到 掃描模式。這種激光雷達(dá)的主要優(yōu)點(diǎn)是量產(chǎn)容易，目前采用的都是MEMS微震鏡激光雷達(dá)。除此之外，MEMS激光雷達(dá)的一大優(yōu)勢(shì)是傳感器可以動(dòng)態(tài)調(diào)整自己的掃描模式，以此來(lái)聚焦特殊物體，采集更遠(yuǎn)更小物體的細(xì)節(jié)信息并對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，這是傳統(tǒng)機(jī)械激光雷達(dá)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。圖達(dá)通給蔚來(lái)ET7供應(yīng)的就是這種激光雷達(dá)，其中還有它獨(dú)特的凝視功能，讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)對(duì)局部障礙物感應(yīng)的更清晰。

毫無(wú)疑問(wèn)，激光雷達(dá)的應(yīng)用已經(jīng)從外星世界，走入我們身邊，但從商業(yè)來(lái)看，目前還沒(méi)有完美的激光雷達(dá)。自動(dòng)駕駛汽車(chē)需要避讓道路上的各類(lèi)障礙物，但只有在非常確切地判斷出來(lái)障礙物時(shí)才剎車(chē)?yán)@行。從決策來(lái)看，我們判斷一般高度超過(guò)20cm的障礙物就需要被繞行。而當(dāng)障礙物大小從一輛車(chē)縮小到20cm高或黑色輪胎（反射率約為3%）時(shí)，只有當(dāng)探測(cè)距離滿足250米（10%反射率）的情況下，它才能在100米到150米的距離被激光雷達(dá)探測(cè)到。這個(gè)距離是自動(dòng)駕駛汽車(chē)以120km/h時(shí)速高速駕駛時(shí)的實(shí)現(xiàn)可靠感知的安全距離。這意味目前車(chē)載激光雷達(dá)的可靠距離和點(diǎn)云還是不夠的，甚至連車(chē)規(guī)級(jí)可靠性都是一大考驗(yàn)，這也許馬斯克是因?yàn)檫@樣才不愿意使用激光雷達(dá)，但什么事情不是從無(wú)到有的?就像最早人們不相信超聲波倒車(chē)?yán)诇?zhǔn)確性，討厭360度全景影像巨大的畸變一樣，新生事物總是需要成長(zhǎng)的，激光雷達(dá)也一樣。我們需要用發(fā)展的眼光解決發(fā)展中遇到的困難，隨著的產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，激光雷達(dá)最終會(huì)像手機(jī)攝像頭一樣，像超聲波雷達(dá)一樣走進(jìn)千家萬(wàn)戶，為每一輛自動(dòng)駕駛汽車(chē)創(chuàng)造價(jià)值。

編輯：黃飛

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