智能网联汽车关键技术—激光雷达 .pdf

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智能网联汽车关键技术—激光雷达

智能汽车是在一般汽车上增加雷达、摄像头等先进传感器、控制器、执行器等装置,通

过车载环境感知系统和信息终端实现与车、路、人等的信息交换,使车辆具备智能环境感知

能力,能够自动分析车辆行驶的安全及危险状态,并使车辆按照人的意愿到达目的地,最终

实现替代人来做驾驶决策及操作的目的。智能汽车的初级阶段是具有先进驾驶辅助系统

(AdvancedDriverAssistanceSystems,ADAS)的汽车,智能汽车与网络相连便成为智能网联汽

车。

智能网联汽车本身具备自主的环境感知能力,也是智能交通系统的核心组成部分,是车

联网体系的一个结点,通过车载信息终端实现与车、路、行人、业务平台等之间的无线通信

和信息交换。智能网联汽车的聚焦点是在车上,发展重点是提高汽车安全性,其终极目标是

无人驾驶汽车。本文将自动驾驶领域最为关键的传感器——激光雷达作为中心,通过调研其

所扮演重要角色的领域——自动驾驶,了解激光雷达的分类、工作原理及技术指标等。

虽然早期激光雷达主要用于军事和民用地理测绘(GIS)等领域,但随着自动驾驶的兴起,

对于环境感知要求日趋严格,在自动驾驶架构中,传感层被比作为汽车的“眼睛”,包括车

载摄像头等视觉系传感器和车载毫米波雷达、车载激光雷达和车载超声波雷达等雷达系传感

器,其中激光雷达已经被广泛认为是实现自动驾驶的必要传感器。相比于其它类型的自动驾

驶传感器,如摄像头,激光雷达探测的距离更远,精度更高。相对于摄像头而言,激光雷达

由于为主动发射光束,故比较不容易受周围环境如弱光、雨雪烟尘的影响,而且摄像头在进

行图像识别处理时需要消耗大量的处理器能力,而激光雷达产生的三维地图信息更容易被计

算机解析。相比毫米波雷达,激光雷达的分辨率更高,并且毫米波雷达也不适用于行人检测

和目标识别等工作。在自动驾驶领域,激光雷达与其它传感器互为补充,可以有效提高车辆

对于周围环境感知的准确度。

1、激光雷达分类:

对于激光雷达,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:

激光雷达分类

2、激光雷达工作原理:

LiDAR,是英文LightDetectionAndRanging的缩写,中文名称为激光雷达。激光雷达作

为在激光测距雷达基础上发展起来的一项主动成像雷达技术,如图3-2所示,通过发射和

接收激光束,分析激光遇到目标对象后的折返时间,计算出到目标对象的相对距离,并利用

此过程中收集到的目标对象表面大量密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息,快速得到

出被测目标的三维模型以及线、面、体等各种相关数据,建立三维点云(PointCloud)图,绘

制出环境地图,以达到环境感知的目的。由于光速非常快,飞行时间可能非常短,因此要求

测量设备具备非常高的精度。从效果上来讲,激光雷达维度(线束)越多,测量精度越高,安

全性就越高。

相比于可见光、红外线等传统被动成像技术,激光雷达技术具有如下显著特点:一方面,

它颠覆传统了二维投影成像模式,可采集目标表面深度信息,得到目标相对完整的空间信息,

经数据处理重构目标三维表面,获得更能反映目标几何外形的三维图形,同时还能获取目标

表面反射特性、运动速度等丰富的特征信息,为目标探测、识别、跟踪等数据处理提供充分

的信息支持、降低算法难度;另一方面,主动激光技术的应用,使得其具有测量分辨率高,

抗干扰能力强、抗隐身能力强、穿透能力强和全天候工作的特点。

激光测距原理

大多数激光雷达系统主要包括四部分:激光器、光学扫描器,光电检测器,导航系统。

下面将简单说明各部分的原理、功能以及技术指标。

2.1:激光器

激光和发光二极管都起源于20世纪60年代,激光是受激辐射的光放大而来,两者都

使用二极管产生不同形式的光,当电通过发光二极管时,发出非相干的可见光,光射向所有

的方向;激光器使用高度专业化的二极管,其在电磁光谱的光学部分处或附近产生能量。当

这种能量对人眼可见时,我们将其称为光“”,当不可见时,我们将其称为辐“射”,这与放射

性物质的辐射不同。来自激光器的能量通过称为受激发射的原子过程被放大到极高的强度,

最后将能量变成高度定向的波束,意味着所有的单个能量波被对齐,变为“同相”并且沿相同

的方向移动。举个例子的话,发光二极管的能量就像在游乐场的保险杠车;而激光的能量就

像赛车

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