激光雷達(dá)對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車感知技術(shù)的應(yīng)用

　　對(duì)自動(dòng)駕駛汽車日益增長(zhǎng)的興趣刺激了激光雷達(dá)技術(shù)的重大發(fā)展。這些3D激光雷達(dá)傳感器因其通過(guò)激光脈沖測(cè)量距離的準(zhǔn)確環(huán)境感知而受到高度重視，因此已成為自主運(yùn)輸不可或缺的安全組件。因此，移動(dòng)部門(mén)對(duì)它們的需求很大，并且對(duì)該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展有很大興趣

　　在這種興趣激增之前，激光雷達(dá)已經(jīng)使用了幾年，主要用于研究、制圖和空間分析。然而，早期的設(shè)備價(jià)格昂貴，通常體積龐大，并且需要經(jīng)常維護(hù)。技術(shù)進(jìn)步現(xiàn)在已經(jīng)使它們更強(qiáng)大、維護(hù)更少、成本更低、用戶友好，即使對(duì)于沒(méi)有專業(yè)3D數(shù)據(jù)分析專業(yè)知識(shí)的個(gè)人也是如此。

　　這種轉(zhuǎn)變使激光雷達(dá)吸引了越來(lái)越多的行業(yè)，帶來(lái)了新的應(yīng)用領(lǐng)域。舉例說(shuō)明：

　　基于激光雷達(dá)的體積監(jiān)測(cè)解決方案生成散裝材料庫(kù)存的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在以前使用替代方法難以收集。這些解決方案將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)集成到庫(kù)存管理系統(tǒng)中，有助于提高農(nóng)業(yè)、建筑和回收等行業(yè)的流程效率。

　　在安全系統(tǒng)領(lǐng)域，激光雷達(dá)傳感器在入侵檢測(cè)方面表現(xiàn)出色，提供了無(wú)與倫比的可靠性，并顯著降低了誤報(bào)率。因此，它們是保護(hù)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和確保對(duì)要求高安全性的物體（如發(fā)電廠和機(jī)場(chǎng)）提供最佳保護(hù)的理想選擇。

　　激光雷達(dá)有助于人群管理，匿名跟蹤人群運(yùn)動(dòng)模式。例如，旅游目的地采用激光雷達(dá)技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)游客數(shù)量，并在一個(gè)地區(qū)接近超額容量時(shí)通過(guò)移動(dòng)應(yīng)用程序提供實(shí)時(shí)替代目的地建議，從而緩解擁堵。

　　什么是激光雷達(dá)？

　　激光雷達(dá)是“光探測(cè)和測(cè)距”的縮寫(xiě)，其工作原理是利用激光束進(jìn)行距離測(cè)量。早期的3D激光雷達(dá)傳感器，如第一輛自主測(cè)試車輛上所見(jiàn)，被稱為旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)。這些設(shè)備的特點(diǎn)是體積龐大的組件安裝在車頂上，通過(guò)機(jī)械旋轉(zhuǎn)來(lái)獲取環(huán)境數(shù)據(jù)。這些早期的迭代是昂貴的，并且由于它們的移動(dòng)部件而需要定期維護(hù)。

　　為了緩解這些缺點(diǎn)，Blickfeld等公司采用了固態(tài)激光雷達(dá)技術(shù)，消除了對(duì)機(jī)械部件的需求。這一進(jìn)步帶來(lái)了更可靠、更小、更具成本效益的傳感器。

　　在固態(tài)掃描激光雷達(dá)中，激光二極管每秒鐘向MEMS反射鏡（微機(jī)電系統(tǒng)）發(fā)射數(shù)十萬(wàn)個(gè)激光脈沖，這些反射鏡以各自的頻率振動(dòng)。這些MEMS反射鏡被精確定位，以錐形偏轉(zhuǎn)激光束，而沒(méi)有機(jī)械磨損。由于在微型傳感器生產(chǎn)方面的成熟發(fā)展，這些元件可以可靠和廉價(jià)地大量生產(chǎn)。

　　發(fā)射的光脈沖在它們的路徑上被物體反彈，并被傳感器再次捕獲。通過(guò)測(cè)量光傳播距離所需的時(shí)間，激光雷達(dá)可以計(jì)算出傳感器和檢測(cè)到的物體之間的精確距離（飛行時(shí)間原理）。這個(gè)過(guò)程能夠創(chuàng)建周圍環(huán)境的高度精確的3D表示（所謂的點(diǎn)云）。

　　本質(zhì)上，該技術(shù)的工作原理類似于雷達(dá)，雷達(dá)使用電磁波測(cè)量距離和速度，當(dāng)它遇到金屬表面時(shí)特別可靠，但遇到其他材料時(shí)就不那么可靠了。一般來(lái)說(shuō)，雷達(dá)提供的細(xì)節(jié)比激光雷達(dá)少。3D激光雷達(dá)可以非常精確地捕捉物體的空間位置和形狀，高度獨(dú)立于它們的表面材料。

　　3D成像之路

　　各種激光雷達(dá)傳感器的功能取決于它們的視野，從而決定了它們可以收集的信息量：

　　1D激光雷達(dá)：涉及使用一個(gè)單一的激光脈沖指向一個(gè)方向，允許在特定點(diǎn)的距離測(cè)量。這項(xiàng)技術(shù)適用于收費(fèi)亭之類的應(yīng)用，但它無(wú)法洞察物體的類型、大小或形狀。

　　2D激光雷達(dá)：利用水平旋轉(zhuǎn)的激光脈沖來(lái)測(cè)量距離和運(yùn)動(dòng)方向，通過(guò)分析反射點(diǎn)和距離來(lái)提供關(guān)于物體形狀的附加信息。2D激光雷達(dá)傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器人領(lǐng)域。然而，物體只能在傳感器平面的高度被探測(cè)到，排除了精確的尺寸評(píng)估。例如，當(dāng)在警報(bào)系統(tǒng)中使用膝蓋高的物體時(shí)，相對(duì)較小的動(dòng)物會(huì)觸發(fā)警報(bào)，導(dǎo)致頻繁的錯(cuò)誤警報(bào)。升高觀察平面可能會(huì)讓人類通過(guò)爬行或蹲伏來(lái)躲避探測(cè)。

　　3D激光雷達(dá)：通過(guò)水平和垂直旋轉(zhuǎn)激光脈沖，創(chuàng)建了一個(gè)錐形視野，使激光雷達(dá)傳感器能夠捕捉三維空間數(shù)據(jù)。這第三維度對(duì)于獲得周圍環(huán)境的精確空間表示、在許多應(yīng)用領(lǐng)域貢獻(xiàn)有價(jià)值的數(shù)據(jù)以及打開(kāi)全新的可能性是至關(guān)重要的。為了保持在報(bào)警系統(tǒng)的范圍內(nèi)，3D激光雷達(dá)確保檢測(cè)到對(duì)安全區(qū)域的每一次入侵，并確定入侵對(duì)象的大小。在軟件中，可以根據(jù)對(duì)象大小設(shè)置觸發(fā)警報(bào)的閾值，從而顯著減少錯(cuò)誤警報(bào)和未經(jīng)授權(quán)的入侵。

在安全應(yīng)用中，激光雷達(dá)用戶可以定義區(qū)域，在這些區(qū)域中，任何入侵都可以被可靠地檢測(cè)到，并且誤報(bào)率非常低。（圖片：Blickfeld）

　　圖像識(shí)別與激光雷達(dá)

　　3D激光雷達(dá)傳感器提供直接的距離信息，而相機(jī)主要捕捉光線和顏色細(xì)節(jié)，但不測(cè)量空間信息。這些直接測(cè)量的距離值提供了顯著的優(yōu)勢(shì)。盡管現(xiàn)代人工智能支持的軟件可以從相機(jī)數(shù)據(jù)中獲取3D信息，但3D激光雷達(dá)可以直接、更快、更精確地提供空間信息。這對(duì)于依靠精確距離測(cè)量來(lái)安全導(dǎo)航和避免碰撞的自動(dòng)駕駛汽車和無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)尤其有益。

　　下一層：智能激光雷達(dá)

智能激光雷達(dá)Qb2以絕對(duì)值的形式提供結(jié)果，但也可以根據(jù)請(qǐng)求輸出點(diǎn)云。（圖片：Blickfeld）

　　智能激光雷達(dá)傳感器需要先進(jìn)的光學(xué)和電子硬件組件，以及用于分析收集數(shù)據(jù)的功能強(qiáng)大的軟件。在大多數(shù)情況下，來(lái)自傳感器的3D數(shù)據(jù)被傳輸?shù)酵獠坑?jì)算機(jī)，在那里感知軟件被用于分析。

　　然而，Blickfeld通過(guò)開(kāi)發(fā)Qb2簡(jiǎn)化了這一過(guò)程，Qb2是一種集成了所有必要數(shù)據(jù)分析軟件的激光雷達(dá)傳感器?；旧?，傳感器的“眼睛”和“大腦”現(xiàn)在都在一個(gè)設(shè)備中，便于立即訪問(wèn)可用數(shù)據(jù)，而不需要額外的計(jì)算機(jī)硬件或網(wǎng)絡(luò)附件。這使得更廣泛的受眾可以訪問(wèn)3D數(shù)據(jù)，甚至是那些沒(méi)有專業(yè)3D數(shù)據(jù)分析技能的受眾。

　　由此產(chǎn)生的信息可以使用MQTT和API等標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議直接無(wú)縫傳輸?shù)?a target="_blank">物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)或云。這允許全球員工實(shí)時(shí)訪問(wèn)結(jié)果，在平板電腦或智能手機(jī)上的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器中輕松查看。此外，由于只需要傳輸少量數(shù)據(jù)，因此通過(guò)Wi-Fi傳輸是可行的，進(jìn)一步減少了電纜需求。這在具有多個(gè)傳感器的系統(tǒng)中尤其有利，例如那些通常用于監(jiān)控大量散裝材料庫(kù)存的系統(tǒng)，顯著簡(jiǎn)化了安裝和操作。

　　激光雷達(dá)可以幫助傳統(tǒng)行業(yè)數(shù)字化

　　采用3D激光雷達(dá)技術(shù)的企業(yè)能夠立即認(rèn)識(shí)到其優(yōu)勢(shì)，由于精確的實(shí)時(shí)信息，這可以導(dǎo)致數(shù)字化和更有效的流程。因此，3D激光雷達(dá)有可能顯著提高各行業(yè)供應(yīng)鏈的數(shù)字化水平，并在解決以前成本高昂、勞動(dòng)密集型或可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特定任務(wù)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。將軟件集成到設(shè)備中使幾乎任何人都能從3D數(shù)據(jù)中受益，即使沒(méi)有專業(yè)知識(shí)。

　　審核編輯：黃飛