自動巡航車LiDAR技術(shù)簡介

隨著主要汽車制造商在他們的汽車中加速采用?ADAS?和自動駕駛功能，汽車行業(yè)正朝著自動駕駛這一方向發(fā)展。全自動乘用車的試駕越來越多。本“應(yīng)用說明”探討了自動巡航車所采用的 LiDAR 技術(shù)，并針對關(guān)鍵的安全性問題提供了的經(jīng)濟高效的解決方案。

挑戰(zhàn)

典型的全自動巡航車的核心依賴于兩個重要的中央處理單元（CPU）- 導(dǎo)航系統(tǒng)主 CPU 和安全 CPU，它們之間協(xié)同工作以防止碰撞和確保安全。

導(dǎo)航系統(tǒng)主 CPU 可以與一個或多個 LiDAR 傳感器進行交互，提供大范圍和高分辨率的定位、映射和防撞。目前，許多自動巡航車都依賴于機械式掃描 LiDAR 傳感器，這種傳感器位于巡航車的頂部，可進行遠程探測，能夠?qū)囕v周圍實現(xiàn) 360 度覆蓋。

盲點區(qū)域的半徑受多種因素影響，包括機械式掃描 LiDAR 傳感器的垂直視場（FoV）、傳感器在車輛上的位置，以及巡航車的大小和形狀。然而，值得注意的是，機械式掃描傳感器通常不會專門配置為可獲取近距離數(shù)據(jù)，或特別選擇最佳位置以實現(xiàn) 360 度全覆蓋，這進一步導(dǎo)致巡航車周圍的盲點區(qū)域增加。

圖 機械式掃描 LiDAR 在車輛周圍產(chǎn)生的盲點。

對于確保安全和成功的自動駕駛而言，盲點區(qū)域內(nèi)的障礙檢測能力至關(guān)重要。車輛開啟時，如果未對周圍環(huán)境進行檢測并確認附近沒有障礙物，則巡航車不能啟動。此外，在巡航車的運行過程中，對于停止后即將重新啟動的情形，系統(tǒng)需要事先驗證是否有人、車輛或任何其他物體接近巡航車。例如，在接載乘客時，系統(tǒng)需要確認乘客是否已經(jīng)上車或仍然停留在盲區(qū)內(nèi)。巡航車盲區(qū)的其他物體（例如敞篷車、叉車、拖車等）也需要執(zhí)行相同的檢測過程。

圖 掃描盲區(qū)可能會帶來災(zāi)難性的后果，如同本示例中位于車輛盲區(qū)的小孩子一樣。

檢測到危險情況時，安全 CPU 會防止巡航車移動或使其完全停止。作為最新自動巡航車設(shè)計不可或缺的一部分，安全 CPU 需要進行短程到中程的防撞檢測，以便在主導(dǎo)航系統(tǒng)無法識別障礙物或發(fā)生故障時能使車輛完全停止。

安全 CPU 是一種低功耗、經(jīng)濟高效的冗余系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)速率要求較低 - 但必須確保完全覆蓋其周圍環(huán)境（360 度，水平和垂直全覆蓋）。這帶來了巨大的挑戰(zhàn)，因為這個需求本身違背了掃描的基本概念 - 更大的覆蓋范圍通常意味著更多的數(shù)據(jù)。例如，LiDAR 掃描設(shè)備每秒返回 60 萬到 220 萬個點，具體取決于傳感器的分辨率和垂直線數(shù)（16 到 64）。

尋求合適的技術(shù)

為了能夠覆蓋巡航車周圍的盲區(qū)，我們考慮并測試了不同的探測技術(shù)（超聲波、雷達和攝像機等解決方案），但每一種技術(shù)都有其局限性：

? 超聲波：范圍有限，分辨率低

? 雷 達：滲透性表面和靜態(tài)物體的檢測問題

? 攝像機：缺乏距離信息和重要的天氣梯度變化信息

其他解決方案所采用的標(biāo)準(zhǔn)同樣重要。首先，由于解決方案將在安全 CPU 中發(fā)揮最核心的作用，因此不應(yīng)向系統(tǒng)發(fā)送過多的數(shù)據(jù)，以避免數(shù)據(jù)過載帶來的數(shù)據(jù)接口問題。為了實現(xiàn) 360 度覆蓋，我們估計安全 CPU 的最佳數(shù)據(jù)輸入量為每秒 3,000 至 60,000 點。

該技術(shù)還必須提供足夠高的分辨率來檢測小物體，并可以通過跟蹤算法來實現(xiàn)精確的軌跡和速度，對物體進行精確定位從而做出有效的防撞決策。

選擇解決方案時，另一個需要考慮的重要因素是視場全覆蓋能力，以及在所有類型表面的高檢測率，這對于需要檢測巡航車周圍物體的安全系統(tǒng)至關(guān)重要 - 低分辨率的傳感器可能會發(fā)生漏測現(xiàn)象。

最后，來自安全 CPU 的數(shù)據(jù)將被送入導(dǎo)航 CPU，用作冗余數(shù)據(jù)。冗余傳感器提高了系統(tǒng)的性能水平、檢測率和穩(wěn)健性。一個傳感器漏測的物體會被另一個傳感器捕獲，從而顯著提高系統(tǒng)性能、確保安全操作，這對涉及到多名乘客的全自動無人駕駛至關(guān)重要。

兼具性能和成本優(yōu)勢并同時滿足安全要求的解決方案

基于上述要求和傳感器技術(shù)的固有限制，許多巡航車開發(fā)人員轉(zhuǎn)而采用固態(tài)泛光 LiDAR，以消除巡航車周圍的盲點。與機械式掃描 LiDAR 相比，泛光 LiDAR 成本更低、平均故障間隔時間（MTBF）更長，可提供高度可靠的短程檢測，能實現(xiàn) 100％的光密度和視場完全覆蓋。泛光 LiDAR 提供的數(shù)據(jù)可以在高達 100Hz 的測量速率下對物體進行跟蹤，基于速度、方向性和位置對可能發(fā)生的碰撞進行預(yù)測，同時消除車輛周圍可能存在的任何盲區(qū)。

當(dāng)遠程的主檢測系統(tǒng)由于故障或遺漏而無法檢測到物體時，LiDAR 解決方案作為冗余的制動和防撞系統(tǒng)，會充分考慮最大減速率（尤其是對于許多典型的巡航車的最大速度）提供必要的掃描范圍。

此外，如果在車輛附近檢測到物體，將啟動緊急制動程序。另外，巡航車上的乘客經(jīng)常不系安全帶并保持站立姿勢，為確保減速時速度保持在安全水平，需要一定的制動距離。

例如，以 40 公里/小時的速度行駛的巡航車，如果采用 3.5 米/秒2的減速率，則需要 23 米（其中包括 0.5秒的反應(yīng)時間）才能停止下來。

為了覆蓋足夠的范圍，許多 LiDAR 解決方案需要配置更強大、更昂貴的光學(xué)器材和激光源。通過專利技術(shù)用軟件方法對信號進行處理，LeddarTech 的泛光 LiDAR 技術(shù)具有成本優(yōu)勢，能夠提供所需的范圍和性能，在巡航車應(yīng)用的商業(yè)部署中（如緊急制動和盲區(qū)監(jiān)控）

具有極大的吸引力。

最終結(jié)果

為確保覆蓋到所有盲點區(qū)域，可以使用 Leddar 傳感器模塊實施兩種主要架構(gòu)類型。如果巡航車生產(chǎn)商需要其他級別的分辨率、量程或覆蓋范圍，則可根據(jù)具體應(yīng)用場景選擇相應(yīng)的模塊或架構(gòu)。因此，如果設(shè)計團隊可以接受一些盲區(qū)，則需要的傳感器數(shù)量會減少。

1. 第一種結(jié)構(gòu)提供了短程安全車殼，可以覆蓋巡航車的各個側(cè)面并消除盲點區(qū)域。

為實現(xiàn)這一目標(biāo)，我們采用了八個 Leddar M16-LSR LiDAR 模塊，它們具有 100 度水平視場和 12 米行人（低反射率）量程，這八個模塊直接安裝在巡航車的車身中，距離地面的高度從 20 厘米到 75 厘米不等，可以檢測到近處的小物體。

圖 第一種傳感器架構(gòu)所提供的短程安全車殼視圖。

2. 第二種架構(gòu)類型在巡航車的側(cè)面和后面采用短量程覆蓋，而在車身前面則擴大覆蓋范圍，可用于冗余防撞系統(tǒng)。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，我們將五個具有 100 度 FOV 的模塊放置在巡航車的側(cè)面和后面，將兩個具有更大覆蓋范圍和更高分辨率的 M16-LSR LiDAR 傳感器（48 度 FOV，30 米行人范圍）放置在車身前面。

圖 第二種傳感器架構(gòu)所提供的短程車殼視圖，車身前面覆蓋范圍更長。

使用 LeddarTech 的固態(tài) LiDAR 技術(shù)實現(xiàn)巡航車安全車殼

下面簡要介紹了 LeddarTech 的 2D 泛光 LiDAR 解決方案，自動巡航車開發(fā)人員在安全車殼和緊急制動中采用了該解決方案。

Leddar M16-LED和 M16-LSR 模塊

模塊根據(jù)照明方式不同有兩種主要的配置類型：經(jīng)典 LED 系列和新型激光系列。這兩種 M16 系列都非常適合戶外操作：它們采用固態(tài)設(shè)計，無需安裝電動機械、工作溫度范圍寬、適應(yīng)各種氣候、不受照明條件影響。

是經(jīng)過驗證的 Leddar 主力產(chǎn)品，因其多功能性和可靠性而倍受客戶青睞。該模塊的紅外 LED 光源最大可提供 100 米范圍的寬光束照明，并具有六種不同的視場配置。M16-LSR 使用激光源實現(xiàn)更長的量程，并提供更窄和具有更優(yōu)定義的垂直 FOV，相比 M16-LED，的外形更小。

主要功能和優(yōu)點包括：

? 出色的角度分辨率，使用 16 個獨立的分段同時跟蹤并同時采集

? 不同光束選項，實現(xiàn)最優(yōu)的視場（FOV）

? 多目標(biāo)跟蹤和橫向辨別能力

??FOV 檢測范圍高達 165 米（541 英尺），并且和目標(biāo)相關(guān)（M16-LSR 相對于反光目標(biāo)）

? 快速數(shù)據(jù)采集時間（高達 100 Hz）

? 具有各種光束選項，可適用于各種混合車輛配置

未來計劃

泛光 LiDAR 技術(shù)正在迅速發(fā)展。得力于新型 LiDAR 架構(gòu)的深入開發(fā)和信號處理的持續(xù)改進，更新、更強大的解決方案指日可待。同時，廣闊的市場和大量的應(yīng)用需求也是強有力的驅(qū)動因素。最終，泛光 LiDAR 技術(shù)將更具成本效益，并且其性能將在未來幾年完全取代機械式掃描儀，這也正是汽車行業(yè)專家所預(yù)期的。因此，已經(jīng)被自動巡航車作為傳感器套件的一部分而采用的泛光 LiDAR 解決方案，將在下一代產(chǎn)品得以廣泛使用時發(fā)揮更為重要的作用。

基于 LeddarTech 專利技術(shù)、具有卓越量程和分辨率的 3D 固態(tài)泛光 LiDAR 即將推出，它能滿足先進的自動巡航檢測需求。