智能汽车测控技术 课件 第3章-第3讲 激光雷达

智能汽车测控技术

第3讲激光雷达1.定义1.雷达雷达，是英文“Radar”的音译，英文全称是RadioDetectionandRanging，即无线电探测和测距。雷达向目标发射无线电波，通过发送信号与目标反射信号进行对比，来获得目标至发射点距离、距离变化率、方位、高度以及角度等信息。第3讲激光雷达1.定义1.雷达雷达按频段可分为：超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达以及激光雷达等。如下图所示。雷达频段分类图第3讲激光雷达1.定义1.雷达目前应用于汽车无人驾驶的雷达主要有三种：(1)介于微波和红外线之间，频率范围10GHz-200GHz，波长为毫米级，毫米波雷达。(2)介于红外线和可见光之间，频率大致为1014Hz(100000GHz)，波长为纳米级，激光雷达。(3)频率高于20000Hz的超声波雷达。第3讲激光雷达1.定义2.激光雷达激光雷达是工作在光波频段的雷达，它利用光波频段的电磁波先向目标发射探测信号，然后将其接收到的同波信号与发射信号相比较，从而获得目标的位置（距离、方位和高度）、运动状态（速度、姿态）等信息，实现对目标的探测、跟踪和识别。第3讲激光雷达1.定义2.激光雷达激光雷达可以分别按照探测体系、应用方向、线束、基于机械/电子部件分类，如下表所示。第3讲激光雷达1.定义2.激光雷达下图是机械旋转激光雷达的组成，依靠伺服电机，将投射到反射镜的激光旋转投射出去，遇到障碍物反射回收，通过接收器接收回波信号。由于内部核心包含激光器、扫描器、光学组件、光电探测器、接收IC以及位置和导航器件等复杂且精密的部件，硬件成本较高。第3讲激光雷达2.原理及特点

1.工作原理激光雷达的成像原理：发射器和接收器连接在一个可以旋转的机械结构上，某时刻发射器将激光发射出去，之后接收器接收返回的激光并计算激光与物体碰撞点到雷达原点的距离。由于每次发射/接收的角度是预先设定的，因此根据距离、水平角度和垂直角度就能求出碰撞点相对于激光雷达中心的坐标。每条线每次发射激光得到的数据由一个四元组(x,y,z,i)表示，其中(x,y,z)是三维坐标，i表示反射强度。第3讲激光雷达2.原理及特点

1.工作原理某款16线激光雷达的成像原理如图所示：第3讲激光雷达2.原理及特点

1.工作原理下图是典型的一帧数据的可视化图：第3讲激光雷达2.原理及特点

2.数据特点激光雷达采集到的三维数据通常被称为点云。激光雷达的点云数据结构比较简单，点云数据构成如图所示：第3讲激光雷达2.原理及特点

2.数据特点激光点云数据还有以下特点：(1)距离中心点越远点云越稀疏；(2)机械激光雷达的帧率常用10Hz；(3)点与点之间根据成像原理有内在联系；(4)激光雷达生成的数据中不能确定所有区域是否存在障碍物；(5)激光雷达生成的数据一般不会出现噪声点，但是其他激光雷达可能会对其造成影响，另外落叶、雨雪、沙尘、雾霾也会产生噪声点；(6)与激光雷达有相对运动的物体的点云会出现偏移。第3讲激光雷达3.测距原理

激光雷达的测距原理是通过测算激光发射信号与激光回波信号的往返时间，从而计算出目标的距离。根据所发射激光信号的不同形式，激光测距方法有脉冲测距法、干涉测距法和相位测距法等。第3讲激光雷达3.测距原理

1.脉冲测距法

第3讲激光雷达3.测距原理

2.干涉测距法通过激光器发射出一束激光，通过分光镜分为两束相干光波，两束光波各自经过反射镜M1和M2反射回来，在分光镜处又汇合到一起。由于两束光波的路程差不同，通过干涉后形成的明暗条纹也不同，所以传感器将干涉条纹转换为电信号之后，就可以实现测距。第3讲激光雷达3.测距原理

3.相位测距法

第3讲激光雷达4.标定

1.单个激光雷达的坐标转换由于激光雷达封装的数据包仅为水平旋转角度和距离参量，为了呈现三维点云图的效果，可将极坐标下的角度和距离信息转化为笛卡尔坐标系下的XYZ坐标。雷达极坐标与XYZ坐标的映射如下图所示。第3讲激光雷达4.标定

1.单个激光雷达的坐标转换雷达极坐标与XYZ坐标转换关系如下所示：

第3讲激光雷达4.标定

2.激光雷达的标定激光雷达与车体为刚性连接，两者间的相对姿态和位移固定不变，为了建立激光雷达之间以及激光雷达与车辆之间的相对坐标关系，需要对激光雷达的安装进行标定，并使激光雷达数据从激光雷达坐标统一转换至车体坐标上。下面以RS-LiDAR-16激光雷达为例进行介绍。第3讲激光雷达4.标定

2.激光雷达的标定第3讲激光雷达4.标定

2.激光雷达的标定激光雷达坐标系为右手坐标系，旋转轴朝上为Z轴正方向，电缆出口方向为X轴正方向，根据右手法则，可以判断出Y轴的正方向。车体坐标系以车辆后轴中心为坐标原点，垂直地面向上为Z轴，朝前为Y轴，按照右手坐标系确定X轴坐标系方向。其中，

第3讲激光雷达4.标定

2.激光雷达的标定

第3讲激光雷达4.标定

2.激光雷达的标定

第3讲激光雷达5.技术指标

主要指标（1）距离分辨率：是指两个目标物体可区分的最小距离（2）最大探测距离：通常需要标注基于某一个反射率下的测得值，例如白色反射体大概70%反射率，黑色物体7%～20%反射率（3）测距精度：是指对同一目标进行重复测量得到的距离值之间的误差范围（4）测量帧频：测量帧频与摄像头的帧频概念相同，刷新率越高，响应速度越快第3讲激光雷达5.技术指标

主要指标（5）数据采样率：是指每秒输出的数据点数，等于帧率乘以单幅图像的点云数目（6）角度分辨率：是指扫描的角度分辨率，等于视场角除以该方向所采集的点云数目（7）视场角：又分为垂直视场角和水平视场角，是激光雷达的成像范围（8）波长：波长会影响雷达的环境适应性和对人眼的安全性第3讲激光雷达6.产品使用

1.产品简介RS-LiDAR-16是深圳市速腾聚创科技有限公司推出的16线激光雷达，主要面向无人驾驶汽车环境感知、无人机测绘等领域。其内置16组激光元器件，同时发射与接收高频率激光束，通过360旋转，进行实时3D成像，提供精确的三维空间点云数据及物体反射率，让机器获得可靠的环境信息，为定位、导航、避障等提供有力的保障。第3讲