激光雷达在无人汽车领域的应用

山西省大同市第一中学校 李玖泽

1.引言

民用无人驾驶汽车受到现代社会自动化研究的飞速发展的影响，也受到了技术上的支持。无人驾驶汽车的研发也受到了很多企业或科研机构的青睐。

激光雷达技术诞生在传统雷达技术和现代激光技术相结合的现代社会，是一种先进的光学遥感技术。激光雷达的信息利用振幅和相位等作为载体。可以轻松地实现精准测速并实现三维位置定位，具有极大的测速范围和超强的抗干扰能力。本文具体说明了激光雷达技术在无人汽车领域的应用原理和优势，并分析了现实的应用实例[1]。

2.激光雷达的基本原理

2.1 物理原理

激光雷达作为现代的先进遥感技术，是利用对障碍物的反射的光的探测来得到目标物体的位置信息。现在，超短脉冲激光技术和高灵敏度的信号探测系统在不断地进步之中，使得激光雷达测量精度和空间分辨率更加高，探测的范围也越来越大。激光雷达工作时，会先由发射机发射一束激光束，激光束到达障碍物表面后，便由接收装置对反射的回波进行处理，，提取其中有用的信息。将回波信号的时间隔、频率变化等上传至计算机将进行分析，便可以准确计算目标物体有效的信息，最后与激光器本身的位置以及发射激光束的方向相结合，便可以人工构建障碍物的位置及形状等信息[2]。

2.2 系统组成

激光雷达测量系统分为硬件部分和软件部分。其中，三维激光扫描器、速度传感器等装置属于硬件系统。软件则侧重结果性的输出形式，负责对数据的收集、信号的分析以及三维立体坐标的确定等方面。此外，还可以细分不同的软件模块，工程管理、数据采集、三维显示等分别对应不同的实际领域。其中，负责对数据的预先处理和计算的数据处理模块是整个系统的核心部分。

激光雷达工作时先采集数据，并将所得的初始数据保存与计算机中，并雷达与计算机的联系畅通。三维现实模块就是为用户提供扫描信息，模型的建立和数据的分析都属于此模块。输出模块是最终的成果，可以将包含测量物体的体积、变化量、报表的输出和生成等信息以报表的形式呈递给用户[3]。

3.汽车用激光雷达

3.1 测距方式

激光雷达可以实现超远距离的探测，只需分析反射光即可完成。有单线激光雷达和多线激光雷达两种形式，多线雷达在单线激光雷达的二维测量基础上增加了一定角度的俯仰能力，可以实现对三维立体空间的扫描。在无人驾驶汽车上面，结合两种激光雷达是通常使用的办法，以此来准确实现障碍物的探测和完成保证汽车安全通过预定行程的功能[4]。

3.2 测距方式分类

（1）如果按照成像方式分类，可分为扫描成像雷达和非扫描成像雷达两种。将激光雷达和二维光学扫描镜结合起来，便构成了成像式激光雷达。成像式激光雷达对周围环境进行逐点扫描测量，借此来获取目标障碍物的位置信息。非扫描成像雷达则是先由分束器系统发出不同方向的光射向待测区域。被测物体表面散射的光被二维成像器接收，便可以通过对信息的分析构建立体位置图像。

（2）根据所发射光束数量来分类，则分为单线激光雷达和多线激光雷达。单线激光雷达工作时用一条激光束扫描一个区域，便可以计算障碍物与发射器的相对位置，多线激光雷达是指同时发射两条或两条以上的激光束为探测光的激光雷达，关键的旋转扫描电机最多可以同时发射64条激光束，扫描结果返回处理器中，处理器建立立体几何模型。在实际运用之中，多个激光器协调工作，并且每一个激光器都有一组单独数据来协助建立三维模型[5]。

3.3 激光雷达的优点

（1）高清晰度，高测量精度：激光雷达系统测量精度可以小于2厘米，角度分辨率可以达到约0.09度，在如此高的辨析度条件下，完整的测量周围环境将被清晰完整地描绘出来。

（2）激光雷达抗干扰能力特别强，且基本不会受到其他红外线雷达光束干扰。它发出的红外线波并不会受到一般电磁波的影响，综上所述，可以干扰激光雷达的并不多，正与现如今高度自动化的新型系统理念相符。

（3）探测能力强，只会受到照射目标表面反射的光，且基本不会收到干扰。环境地形的三维位置甚至障碍物材质都可以被完整反馈回来。所以激光扫描仪反射回来的信号精确度极高

（4）测速范围大，相对速度高达200公里每小时的障碍物都可以被激光雷达成功扫描，因此，在无人驾驶汽车系统中，激光扫描仪不仅运用于市区低速环境之下，也可以被应用很高的相对速度之下，因此在高速移动中可以大大提高无人驾驶汽车的安全性[6]。

4.应用分析

4.1 应用案例

国内外很多公司都已经投入的对激光雷达的研究:由福特和百度投资的Velodyne致力于将激光雷达运用于无人车领域，而美国的Quanergy公司与谷歌、福特、奥迪等多方无人车研发公司合作，以色列的Innoviz公司有希望在2017年将激光雷达成本压缩在250美元每台，拥有独特的算法的加拿大LeddarTech公司，可以大大提高激光雷达在恶劣环境下的性能，美国的TrlLumine的激光器产品价格低，传输速度快。在国内也涌现了一批出色的激光雷达无人车公司，出色的有深圳的镭神智能、大族激光、速腾聚创，北京的北醒光子、速感科技、北科天绘，上海的禾赛科技，思岚科技等。

其中，最具有代表性的是谷歌车用激光雷达。谷歌车上设置了5种车外传感器，其中两种雷达是把握周边环境的重要传感器，一种是读取周边环境三维结构的激光雷达。谷歌车上的激光雷达，样子就像特种车辆上的旋转射灯一样，可以360°不停转动，所以可以瞬时读取周围3D空间的状况，并将其数据进行转换。它的工作原理是飞行时间方式。飞行时间工作方式，就是在用传感器测定距离方向上照射激光，通过计算激光遇到障碍物后返回的时间，便可以测定探测器至障碍物的距离。Velodyne公司为谷歌制作的车载激光雷达，可以将附近120米之内的距离3D数据化，测定误差小于5 cm[7]。

4.2 应用前景

在无人车领域的大量需求之下，推动着激光雷达技术的发展提到了一个全新的高度，变得越来越精准。车载激光雷达体积小、质量轻、激光波长，这便是未来发展的主要趋势，激光雷达目前被公认为最有潜力的目标探测技术。

5.结论

激光雷达应用于汽车感知时，具有测量精度高、响应时间短、抗干扰能力强的优势。无人驾驶汽车领域运用的激光雷达技术被普遍看好。在科技发展的基础下，激光雷达的性能也越来越好，成本不断降低，无人驾驶汽车领域的运用也一定会越来越广泛。

[1]辛煜,梁华为,梅涛,黄如林,杜明博,王智灵,陈佳佳,赵盼.基于激光传感器的无人驾驶汽车动态障碍物检测及表示方法[J].机器人,2014,36(06):654-661.

[2]黄武陵.激光雷达在无人驾驶环境感知中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用,2016,16(10):3-7.

[3]赵一鸣,李艳华,商雅楠,李静,于勇,李凉海.激光雷达的应用及发展趋势[J].遥测遥控,2014,35(05):4-22.

[4]端木庆玲,阮界望,马钧.无人驾驶汽车的先进技术与发展[J].农业装备与车辆工程,2014,52(03):30-33.

[5]姜海娇,来建成,王春勇,李振华.激光雷达的测距特性及其测距精度研究[J].中国激光,2011,38(05):234-240.

[6]华灯鑫,宋小全.先进激光雷达探测技术研究进展[J].红外与激光工程,2008,37(S3):21-27.

[7]乔维高,徐学进.无人驾驶汽车的发展现状及方向[J].上海汽车,2007,(07):40-43.