引言

激光雷達是集激光、全球定位系統(tǒng)(GPs）和IMU(慣性測量裝置）三種技術(shù)于一身的系統(tǒng),相比普通雷達,激光雷達具有分辨率高、隱蔽性好、抗干擾能力更強等優(yōu)勢。激光雷達按功能不同可以分為激光測距雷達、激光測速雷達、激光成像雷達、大氣探測激光雷達、跟蹤雷達。

激光雷達目前廣泛應用在自主移動機器人領(lǐng)域,包括無人汽車、無人飛機、水下機器人、倉儲機器人、掃地機等。在智能汽車中,激光雷達用于地圖的繪制、定位、可通行空間檢測、障礙檢測。激光雷達成本高,隨著LTE-V2x車聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,如何將激光雷達部署在路側(cè)已引發(fā)越來越多的關(guān)注。

1激光雷達原理

激光雷達測距的基本原理是通過測算激光發(fā)射信號與激光回波信號的往返時間,從而計算目標距離。激光測距方式有脈沖法激光測距、相位法激光測距兩大類。

脈沖激光測距雷達是通過計量器計算一段時間內(nèi)進入計數(shù)器的脈沖個數(shù)來測量距離。假設(shè)有n個脈沖,脈沖之間的時間間隔為1,脈沖的振蕩頻率為/=1/1,則探測距離計算為:

其中,1=表示每個脈沖所代表的距離基準,計數(shù)n個脈沖,就可以得到探測距離R。

相位法測距方式則由激光發(fā)射器發(fā)出連續(xù)的激光信號,照射到障礙物上反射回來,測量光束在往返中會產(chǎn)生相位變化,計算往返的相位差,換算出障礙物距離。

一般智能汽車所用的激光雷達主要是脈沖激光測距雷達。

激光雷達按有無機械旋轉(zhuǎn)部件,可以分為機械激光雷達、固態(tài)激光雷達和混合固態(tài)激光雷達。固態(tài)激光雷達依靠電子器件控制激光發(fā)射角,無需機械旋轉(zhuǎn)部件,尺寸小,可安裝于車內(nèi)。機械旋轉(zhuǎn)的激光雷達使用壽命一般在幾千小時:固態(tài)激光雷達的使用壽命可高達10萬h。

多線激光雷達,就是通過多個激光發(fā)射器在垂直方向上的分布,通過電機的旋轉(zhuǎn)形成多條線束掃描。多少線束的激光雷達最為合適,主要是指多少線束的激光雷達掃描出來的物體能夠適合算法的需求。理論上講,當然是線束越多、越密,對環(huán)境描述就更加充分,這樣還可以降低算法要求。常見的激光雷達線束有:16線、32線、64線等。

2激光雷達性能指標

激光雷達的主要性能參數(shù)有激光波長、探測距離、F0V(垂直+水平）、掃描頻率、角分辨率、出點數(shù)、安全等級、IP防護等級、功率、供電電壓、激光發(fā)射方式(機械/固態(tài)）等。

激光波長:目前市場上三維成像激光雷達最常用的波長是905nm和1550nm。1550nm波長LiDAR傳感器可以以更高的功率運行,能提高探測范圍,同時對于雨霧的穿透力更強。905nm波長的主要優(yōu)點是硅在該波長處吸收光子,而硅基光電探測器通常比探測1550nm光所需的錮稼砷(InGaAs）近紅外探測器便宜。

安全等級:激光雷達的安全等級是否滿足C1ass1(人眼安全）要求,需要考慮特定波長的激光產(chǎn)品在完全工作時間內(nèi)的激光輸出功率,即激光輻射的安全性是波長、輸出功率和激光輻射時間的綜合作用的結(jié)果。

探測距離:激光雷達的測距與目標的反射率相關(guān)。目標的反射率越高,則測量的距離越遠,目標的反射率越低,則測量的距離越近。因此,在查看激光雷達的探測距離時要知道該測量距離是目標反射率為多少時的探測距離。

F0V:激光雷達的視場角有水平視場角和垂直視場角。如果是機械旋轉(zhuǎn)激光雷達,則其水平視場角為360o。

掃描頻率:較高的掃描頻率可以確保安裝激光雷達的機器人實現(xiàn)較快速度的運動,并且保證地圖構(gòu)建的質(zhì)量。但要提高掃描頻率并不只是簡單的加速激光雷達內(nèi)部掃描電機旋轉(zhuǎn)這么簡單,還需要提高測距采樣率。否則,當采樣頻率固定的情況下,更快的掃描速度只會降低角分辨率。

角分辨率:一個是垂直分辨率,另一個是水平分辨率。水平方向上做到高分辨率其實不難,因為水平方向上是由電機帶動的,所以水平分辨率可以很高。一般可以達到0.01o級別。垂直分辨率與發(fā)射器幾何大小相關(guān),也與其排布有關(guān)系,相鄰兩個發(fā)射器間隔越小,垂直分辨率也就會越小。垂直分辨率為0.1～1o級別。

出點數(shù):其是指每秒激光雷達發(fā)射的激光點數(shù)。激光雷達的點數(shù)一般從每秒幾萬點至幾十萬點左右。

目前市面上大多數(shù)激光雷達所標稱的距離大多以90%反光率的漫反射物體(如白紙）作為測試基準。但實際上,對于黑色數(shù)據(jù)的有效檢出也同樣是一個重要的性能指標。深色物體吸收了絕大部分的光能量,要讓激光雷達對于深色物體具有和白色物體一樣的檢出能力是不現(xiàn)實的,對于以機器視覺為核心的三角測距遠離雷達而言更是如此。深色物體檢測能力是目前激光雷達廠商力求突破的重要難點之一。

3激光雷達路側(cè)部署方案

V2I中涉及的路側(cè)信息發(fā)布應用主要包括信號燈相位廣播及速度引導:車內(nèi)電子標牌,如限速、限高、限寬、限重提醒,危險道路等路側(cè)固定標牌提示內(nèi)容:動態(tài)交通信息提示,如交通事故、道路施工、交通路況等:緊急車輛信號燈優(yōu)先權(quán)。

路側(cè)部署激光雷達,主要考慮兩個重要場景:城市道路、高速公路。在城市道路的道路交叉口,采用對角線布置的兩臺基于路側(cè)的3D激光雷達,可以實時精準地識別行人、非機動車等弱勢交通群體和機動車的行為狀態(tài)。激光雷達將周邊200m半徑范圍內(nèi)的所有物體及環(huán)境進行實時4D重建,在經(jīng)過點云數(shù)據(jù)的特征提取后,將有異常移動軌跡的物體納入到v2x系統(tǒng)中,利用RsU向周邊或者更遠距離接近的車輛進行廣播,為正在接近路口的行人、非機動車和機動車提供路口通行信息及交通安全信息提示。

在高速公路端,可以將激光雷達布設(shè)在高速公路出入口處及高速公路事故多發(fā)地段,可以形成對周邊區(qū)域200m半徑范圍內(nèi)的交通信息全天候采集(包括出現(xiàn)的行人、機動車、非機動車等）。特別是當出入口處出現(xiàn)車輛異常行駛狀態(tài)的時候,例如,車輛錯過高速公路出口,司機采用倒車,以實線并線或者直接掉頭的方式試圖從已經(jīng)錯過的出口駛離高速,屬于高危駕駛行為,通過激光雷達的特征提取,將該車的軌跡(車道級識別）和移動信息實時發(fā)送到后方lkm之內(nèi)所有安裝有v2xoBU的信息終端,對后方駕駛員進行提示。

通過路側(cè)和運營車輛上激光雷達的布設(shè),可以迅速提高v2x網(wǎng)絡(luò)的信息獲取能力,從而增強v2x后臺數(shù)據(jù)綜合分析測算能力,為基于v2x的大數(shù)據(jù)應用,實現(xiàn)高速公路及城市道路監(jiān)管自動化控制打下良好的基礎(chǔ)。

實際操作時,按激光雷達覆蓋半徑范圍計算激光雷達的部署數(shù)量,根據(jù)實際場景需求來決定其安裝方式以及傳感器組合方式。如果是水平安裝,安裝高度一般為3m左右:如果只檢測小范圍,如停車場出口安裝高度可在5m左右,可傾斜安裝。

4結(jié)語

通過在路側(cè)端布設(shè)激光雷達,在車聯(lián)網(wǎng)建設(shè)初期,可大大提升車聯(lián)網(wǎng)信息收集及周邊環(huán)境感知能力,加速推動車聯(lián)網(wǎng)形成規(guī)模:在車聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中后期,也可為商業(yè)化運營的車聯(lián)網(wǎng)提供網(wǎng)絡(luò)安全保障。本文介紹了激光雷達的原理、性能指標及路側(cè)部署思路,供激光雷達廠商和車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)人員參考。