智能网联汽车 课件 项目二 任务五认知激光雷达

项目二智能网联汽车环境感知技术前言激光雷达（LiDAR）是集激光、全球定位系统（GPS）和IMU惯性测量装置三大技术为一体的系统。与普通微波雷达相比，激光雷达由于使用的是激光束，工作频率较微波高了许多，因此具有其他雷达没的优点，如：分辨率高、隐蔽性好、抗有源干扰能力强、低空探测性能好、体积小、质量轻等。认知激光雷达Annualworksummary5目录01教学目标02教学内容教学目标0103能解释环境感知的应用范围01能描述环境感知系统概念和内容02能描述环境感知系统组成01.通过环境感知系统的学习，让学生知道技术不断进步，激发学生不断学习的兴趣。知识目标素质目标教学内容02一、激光雷达概念激光雷达（LiDAR），是一种光学遥感传感器，它通过向目标物体发射激光，然后根据接收-反射的时间间隔确定目标物体的实际距离，根据距离及激光发射的角度，通过几何变化推导出物体的位置信息。激光雷达能够确定物体的位置、大小、外部形貌甚至材质。激光雷达采集到的物体信息呈现出一系列分散的、具有准确角度和距离信息的点，被称为点云。如图2-5-1所示，为激光雷达工作过程中的点云图。一、激光雷达概念与传统雷达使用无线电波相比，LiDAR使用激光射线，其射线波长一般在600~1000nm，远远低于传统雷达所使用的波长。因此，LiDAR在测量物体距离和表面形状可达到更高的精准度，一般精准度可以达到厘米级。由于激光的传播受外界环境影响较小，LiDAR能够检测的距离一般可达100m以上。激光雷达二、激光雷达类型1.按扫描方式分类：车载激光雷达根据其扫描方式的不同，可分为机械激光雷达和固态激光雷达。⑴机械激光雷达机械激光雷达外表上最大的特点就是有机械旋转机构，如图2-5-2所示。二、激光雷达类型1.按扫描方式分类⑴机械激光雷达智能网联测试车车顶上较复杂的圆柱形装置，即为机械式激光雷达，如图2-5-3所示。机械激光雷达调试、装配工艺复杂，生产周期长，成本居高不下，并且机械部件寿命不长（约1000-3000小时），难以满足苛刻的车规级要求（至少1万小时以上）。另外，机械式激光雷达由于光学结构固定，适配不同车辆往往需要精密调节其位置和角度。因此，激光雷达量产商都在着手开发性能更好、体积更小、集成化程度更高，并且成本更低的激光雷达。二、激光雷达类型1.按扫描方式分类⑵固态激光雷达固态激光雷达由于不存在旋转的机械结构，其结构简单、尺寸小，如图2-5-4所示，所有的激光探测水平和垂直视角都是通过电子方式实现的，并且装配调试可以实现自动化，能够量产，成本大幅降低，设备的耐用性也有效地提高了，固态激光雷达是必然的技术发展路线。但是，固态激光雷达在不良天气条件下检测性能较差，不能实现全天候工作。且机械激光雷达能进行3600范围的扫描，固态式激光雷达一般为1200范围的向前扫描。根据技术路线不同，固态激光雷达又分为光学相控阵OPA（OpticalPhasedArray）激光雷达、微机电系统MEMS（Micro-ElectroMechanicalSystems）激光雷达和3DFlash激光雷达。

二、激光雷达类型1.光学相控阵固态激光雷达固态激光雷达采用相控阵原理实现，完全消除了机械结构，通过调整发射阵中各发射单元的相位差来改变激光的出射角。光学相控阵通常由其相位的电子束扫描控制，因此也被称为电子扫描技术。光学相控阵激光雷达的核心技术包括光学相控阵、光学集成电路和远场辐射模式，它是一种没有机械固件的纯固态激光雷达，如图2-5-5所示。（2）Flash固态激光雷达Flash激光雷达是一种发射面阵光的非扫描雷达，是一种聚焦于二维或三维图像的激光雷达，如Flash激光雷达6所示。虽然稳定性和成本都很好，但主要问题是探测距离很近。基于三维闪光技术的固态激光雷达在技术可靠性方面存在问题。二、激光雷达类型1.光学相控阵固态激光雷达（3）MEMS固态激光雷达MEMS固态激光雷达是指将所有机械部件集成到一个芯片中，通过半导体工艺生产的MEMS。它消除了机械旋转结构，从根本上降低了激光雷达的成本，如图2-5-7所示。二、激光雷达类型2.按雷达线数分类：根据线数的多少，激光雷达分为单线激光雷达与多线激光雷达。⑴单线激光雷达单线激光雷达扫描一次只产生一条扫描线，其所获得的数据为2D数据，因此无法区别有关目标物体的3D信息，如图2-5-8所示。由于单线激光雷达比多线激光雷达在角频率和灵敏度更快，所以，在测试周围障碍物的距离和精度上都更加精确。但是，单线雷达只能平面式扫描，不能测量物体高度，有一定局限性。目前，主要应用于服务机器人身上，如扫地机器人。在智能车上，单线激光雷达主要用于规避障碍物、地形测绘等领域。二、激光雷达类型2.按雷达线数分类：⑵多线激光雷达多线激光雷达扫描一次可产生多条扫描线，主要应用于障碍物的雷达成像，相比单线激光雷达在维度提升和场景还原上有了质的改变，可以识别物体的高度信息，目前市场上多线产品包括4线、8线、16线、32线、64线等。如图2-5-9所示，为多线激光雷达扫描的不同类型障碍物的点云图，包括汽车、人、墙、树木等。二、激光雷达类型3.按功能方式分类激光雷达按照功能用途，可以分为激光测距雷达、激光测速雷达、激光成像雷达、大气探测雷达和跟踪雷达等；按照按激光发射波形分类可分为连续型激光雷达和脉冲型激光雷达；按载荷平台分类可分为机载激光雷达，车载激光雷达等；按探测方式分类可分为直接探测激光雷达和相干探测激光雷达。三、激光雷达组成激光雷达由发射光学系统、接收光学系统、主控及处理电路板、探测器接收电路模块、激光器及驱动模块组成，如图2-5-10所示。一个单束窄带激光器和一个接收系统。LIDAR系统包括激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的坐标X，Y，Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。四、激光雷达工作原理激光雷达由发射光学系统、接收光学系统、主控及处理电路板、探测器接收电路模块、激光激光雷达的工作原理与雷达非常相近，以激光作为信号源，由激光器发射出的脉冲激光，打到地面的车辆、行人、树木、道路、桥梁和建筑物上，引起散射，一部分光波会反射到激光雷达的接收器上，根据激光测距原理计算，就得到从激光雷达到目标点的距离，脉冲激光不断地扫描目标物，就可以得到目标物上全部目标点的数据，用此数据进行成像处理后，就可得到精确的三维立体图像。激光雷达最基本的工作原理与无线电雷达没有区别，即由雷达发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定目标的距离。至于目标的径向速度，可以由反射光的多普勒频移来确定，也可以测量两个或多个距离，并计算其变化率而求得速度，这是、也是直接探测型雷达的基本工作原理，其工作原理如图2-5-11所示。激光雷达接收系统采用了各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外线和可见光多元探测器。激光雷达使用两种工作模式：脉冲和连续波。根据探测原理，探测方法可分为米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射、荧光、多普勒等。四、激光雷达工作原理四、激光雷达工作原理实时激光雷达一般分为16线、32线、64线、96线、128线，雷达测距的精度非常重要，以96线激光雷达为例，它具有10角分辨率，如果行人在50米以外，只有一条激光脉冲线。显然不能区分行人的轮廓。它也可以在白天利用摄像头进行分辨。但如果是在夜间，激光雷达难以单独识别，毫米波雷达只能识别障碍物，对热敏信息无法识别，如图2-5-12所示。四、激光雷达工作原理精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）以及目标的形状检测、识别分辨和跟踪。高频激光器可以在一秒钟内获得106～107个数量级的位置点云信息，并根据这些信息进行三维建模，如图2-5-12所示。四、激光雷达工作原理除了获得位置信息外，它还可以通过激光信号的反射率初步区分不同的材料。目标的径向速度可以通过反射光的多普勒频移来确定，激光雷达发射的激光照亮物体，被物体散射并返回激光接收器接收。激光测量模块根据发射前后的激光信息处理三维坐标、距离、方位角、反射强光等数据，其中，由于不同物体的反射率不同，激光雷达可以根据回波的反射光强（0～255级）来区分物体的不同区域，其精度可达毫米级。现今市场上主流的车载激光雷达主要是基于三种原理测距，三角测距法、飞行时间（Timeofflight，TOF）法和调幅连续波（AmplitudeModulatedContinuousWave，AMCW）测距法。接下来，以飞行时间（TOF）法为例介绍激光雷达的测距原理。四、激光雷达工作原理如图2-5-13所示，TOF法就是根据激光遇到障碍物后的折返时间，通过光速计算目标与雷达的相对距离。激光光束可以准确测量视场中物体轮廓边沿与设备间的相对距离，这些轮廓信息组成点云图并绘制出3D环境地图，如图2-5-14所示。四、激光雷达工作原理从原理上来说，TOF雷达可以测量的距离更远。实际上，在一些要求测量距离较远的场合，比如智能网联汽车应用，几乎都是TOF雷达。TOF激光雷达采用脉冲激光采样，并且还能严格控制视场以减少环境光的影响，这些都是长距离测量的前提条件。另外，在转速一定的情况下，采样率（每秒能够完成的点云测量次数）决定了每一帧图像的点云数目以及点云的角分辨率。角分辨率越高，点云数量越多，则图像对周围环境的描绘就越细致。三种测距方案各具优缺点，将车载激光雷达需具备的5个核心能力作为选型的维度对上述三种测距方法进行了总结对比，见表2-5-1。测距方案探测距离探测精度抗强光能力光功率成本三角法最近近距离精度高远距离精度低不具备低低TOF最远高强适中适中AMCW适中适中适中高适中五、激光雷达应用前景1.定位导航在运动定位中，位置传感器提供了智能车的大致的定位信息，在此基础上，激光雷达从环境中感知的信息用来在小范围内和已知地图匹配，实现对位置传感器定位的校正。激光雷达在定位中的最主要的作用就是对位置传感器定位的校正。2.障碍检测及运动目标跟踪根据激光雷达数据的特点，利用点和线段特征来描述环境；提取出当前时刻的点或线段特征，与已知地图进行匹配，从而得到车辆的位姿估计。这种方法需要建立环境的地图，并在已知地图的基础上进行定位，解决对环境地图的描述和地图自动生成问题、环境地图的匹配问题、以及定位的精度问题。在无人驾驶系统中，实现障碍物的检测常用的传感器有双目立体相机、激光雷达等。五、激光雷达应用前景2.障碍检测及运动目标跟踪。相比于双目立体相机，激光雷达在深度信息的准确性以及检测范围上要更为出色，如图2-5-15所示。五、激光雷达应用前景3.在车辆