淺析激光雷達(dá)對于自動駕駛系統(tǒng)的重要性

為普及激光雷達(dá)對于自動駕駛系統(tǒng)的重要性，近日全球激光雷達(dá)龍頭企業(yè)Velodyne在其官方網(wǎng)站發(fā)布了三篇關(guān)于自動駕駛傳感器的博客，《高工智能汽車》從中摘錄了一部分如下：

情境意識是良好駕駛的關(guān)鍵。為了將汽車導(dǎo)航到期望的目的地，司機(jī)需要知道自己的位置并實(shí)時(shí)觀察周圍環(huán)境。

這些觀察允許駕駛員本能地采取行動，例如加速或剎車、改變車道、合并到公路上、繞過障礙物和物體進(jìn)行機(jī)動。

完全自動駕駛的車輛（AV）的工作方式基本相同，只是它們使用傳感器和GPS技術(shù)來感知環(huán)境并規(guī)劃通往期望目的地的路徑。

這些技術(shù)共同工作，以確定汽車所在的位置和正確的路線。他們不斷地確定汽車周圍發(fā)生的事情，定位車輛附近的人和物體的位置，并評估其運(yùn)動的速度和方向。

這種持續(xù)的信息流被輸入到汽車的車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，這決定了在周圍環(huán)境中安全導(dǎo)航的最安全方式。

自動駕駛車輛利用高清晰地圖引導(dǎo)汽車導(dǎo)航系統(tǒng)。最新發(fā)展目標(biāo)是實(shí)時(shí)生成和更新這些地圖。雖然這仍然是一項(xiàng)正在進(jìn)行中的工作，但這是必要的，因?yàn)槲覀兊牡缆窏l件不是靜態(tài)的。

擁擠、事故和建筑使我們的街道和公路上的現(xiàn)實(shí)生活變得復(fù)雜起來。車載傳感技術(shù)，如激光雷達(dá)、攝像頭和毫米波雷達(dá)，實(shí)時(shí)感知環(huán)境以提供這些不斷變化的道路狀況的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

這些傳感器產(chǎn)生的實(shí)時(shí)地圖通常非常詳細(xì)，包括道路車道、路面邊緣、路肩、分隔線和其他關(guān)鍵信息。這些地圖包括附加信息，如路燈、電線桿和交通標(biāo)志的位置。

車輛必須意識到這些特征，才能安全地行駛在道路上。

傳感技術(shù)解決了其他關(guān)鍵的驅(qū)動要求。例如，激光雷達(dá)能夠使車輛具有360°的視野，因此在運(yùn)行時(shí)可以看到車輛周圍的整個環(huán)境。

傳感器技術(shù)為車載計(jì)算機(jī)提供了檢測和識別諸如車輛、自行車、動物和行人等物體所需的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)還允許車輛的計(jì)算機(jī)測量這些物體的位置、速度和軌跡。

在自動駕駛車輛檢測物體方面的典型的例子就是高速公路上的危險(xiǎn)輪胎碎片。這個例子經(jīng)常被引用，因?yàn)樗鼤o所有的傳感器帶來麻煩。

輪胎碎片通常不夠大，無法從遠(yuǎn)處輕易地被發(fā)現(xiàn)，并且它們通常與路面顏色相同。傳感器技術(shù)必須具有足夠高的分辨率來準(zhǔn)確地檢測碎片位置。這需要將輪胎與道路瀝青分開，并確定它是靜止的物體（而不是像小動物那樣移動的物體）。

在這種情況下，車輛不僅需要檢測物體，而且還將其分類為輪胎碎片，這是必須避免的。然后，車輛必須確定正確的行動路線，如改變車道以避免輪胎碎片同時(shí)不撞到另一車輛或物體。

為了給車輛足夠的時(shí)間來改變它的路徑和速度，這些步驟都必須在不到一秒鐘的時(shí)間內(nèi)發(fā)生。同樣，車輛車載計(jì)算機(jī)做出的這些決策依賴于車輛傳感器提供的精確數(shù)據(jù)。

在所有的傳感器中，目前激光雷達(dá)被認(rèn)為是必須的傳感器。它以極高的速率反射周圍物體的光，每秒產(chǎn)生數(shù)百萬個激光脈沖。通過測量每個脈沖“彈離”物體并返回到傳感器所需的時(shí)間，并將這一時(shí)間乘以光速，可以計(jì)算物體的距離。

同時(shí)，以極高的速率收集這些距離數(shù)據(jù)會產(chǎn)生“點(diǎn)云”，或者傳感器周圍環(huán)境的3D表示，在地圖上精確地定位車輛——在厘米以內(nèi)。

目前，全球各地的激光雷達(dá)廠商提出了多種技術(shù)路線，在這些方法中，都有著相同的性能指標(biāo)用于判斷激光雷達(dá)是否能夠適用于自動駕駛車輛。

最關(guān)鍵的指標(biāo)包括：視場角、測距范圍、分辨率、旋轉(zhuǎn)速度/幀速率。

視場角。人們普遍認(rèn)為，360°水平視場——對于人類駕駛員來說不可能——但對于自動駕駛車輛的安全運(yùn)行是最佳的。

例如，我們可以在高速公路上進(jìn)行高速合并車道的場景。自動駕駛車輛前方對角觀看另一輛車是否在相鄰車道上行駛。這也需要大致垂直于車輛當(dāng)前行駛位置的視圖，以評估相鄰車道上的車輛，并確認(rèn)有并道的空間。

在整個過程中，車輛必須向前看，這樣就可以在前方進(jìn)行交通協(xié)商。由于這些原因，一個狹窄的視場將不足以使車輛安全地執(zhí)行并道動作。

因此，旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)傳感器對于這些應(yīng)用是最佳的，因?yàn)槟軌虿东@完整的360度視圖。

相比之下，如果自動駕駛車輛采用有限水平視野的傳感器，則需要更多的傳感器，并且車輛的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須隨后將這些各種傳感器收集的數(shù)據(jù)拼接在一起。

垂直視野是另一個重要的性能指標(biāo)，激光雷達(dá)的能力與現(xiàn)實(shí)生活的駕駛需求相匹配。LiDAR需要看到道路以識別可駕駛區(qū)域，避免物體和碎片在其車道上，并在需要時(shí)改變車道或在十字路口轉(zhuǎn)彎。

自動駕駛車輛也需要激光雷達(dá)（LiDAR）光束，該光束指向足夠高的地方，以探測高大的物體、路標(biāo)、懸垂物，以及上下坡道。

測距范圍。這對于激光雷達(dá)來說一直是一個重要話題，自動駕駛車輛需要盡可能地向前看，以優(yōu)化安全性。在高速公路上，200米的最小測距范圍允許車輛在最短時(shí)間對變化的道路條件和環(huán)境作出反應(yīng)。

低速場景，則允許傳感器具有更短的距離，但是車輛仍然需要對道路上的意外事件做出快速反應(yīng)。

在每種情況下，車載傳感器需要足夠的距離給車輛足夠的時(shí)間來檢測人或物體，分類它是什么，確定它是否移動和如何移動，然后采取步驟避免它同時(shí)不撞到另一輛車或物體。

另一個與測距范圍相關(guān)的因素是反射率。影響物體表面反射率的因素主要有物體表面顏色和表面類型（亞光，高亮，平滑，粗糙等）。

我們通常定義柯達(dá)白板（Kodak white material）的表面反射率為100%，因此根據(jù)這一定義光亮表面的反射率一般會大于100%。

淺色物體比暗物體反射更多的光。雖然許多傳感器能夠在遠(yuǎn)距離檢測具有高反射率的物體，但是能夠檢測遠(yuǎn)距離低反射率物體的傳感器要少得多。

分辨率。高分辨率激光雷達(dá)在所有速度下都是物體檢測和防撞的關(guān)鍵。更精確的分辨率允許傳感器更精確地確定物體的大小、形狀和位置，而最先進(jìn)的激光雷達(dá)傳感器能夠檢測3厘米內(nèi)的物體，有些可以接近到2厘米。

這種更精細(xì)的分辨率甚至優(yōu)于高分辨率毫米波雷達(dá)，并為車輛提供了最清晰的道路視覺。

為了檢驗(yàn)分辨率的重要性，我們可以考慮道路上輪胎碎片的例子。LiDAR系統(tǒng)不僅需要能夠檢測出物體，而且需要識別出它是什么。

考慮到它需要檢測黑暗表面上的黑色物體，因此具有較高分辨率的傳感器提高了車輛準(zhǔn)確檢測和分類的能力。

此外，為了幫助對道路狀況作出技術(shù)反應(yīng)，與攝像頭不同，LiDAR提供環(huán)境的3D圖像，其中包括物體離車輛多遠(yuǎn)的精確測量。