引言

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

激光雷達(dá)目前廣泛應(yīng)用在自主移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域,包括無人汽車、無人飛機(jī)、水下機(jī)器人、倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人、掃地機(jī)等。在智能汽車中,激光雷達(dá)用于地圖的繪制、定位、可通行空間檢測(cè)、障礙檢測(cè)。激光雷達(dá)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(dá)部署在路側(cè)已引發(fā)越來越多的關(guān)注。

1激光雷達(dá)原理

激光雷達(dá)測(cè)距的基本原理是通過測(cè)算激光發(fā)射信號(hào)與激光回波信號(hào)的往返時(shí)間,從而計(jì)算目標(biāo)距離。激光測(cè)距方式有脈沖法激光測(cè)距、相位法激光測(cè)距兩大類。

脈沖激光測(cè)距雷達(dá)是通過計(jì)量器計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)入計(jì)數(shù)器的脈沖個(gè)數(shù)來測(cè)量距離。假設(shè)有n個(gè)脈沖,脈沖之間的時(shí)間間隔為1,脈沖的振蕩頻率為/=1/1,則探測(cè)距離計(jì)算為:

其中,1=表示每個(gè)脈沖所代表的距離基準(zhǔn),計(jì)數(shù)n個(gè)脈沖,就可以得到探測(cè)距離R。

相位法測(cè)距方式則由激光發(fā)射器發(fā)出連續(xù)的激光信號(hào),照射到障礙物上反射回來,測(cè)量光束在往返中會(huì)產(chǎn)生相位變化,計(jì)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(dá)主要是脈沖激光測(cè)距雷達(dá)。

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

多線激光雷達(dá),就是通過多個(gè)激光發(fā)射器在垂直方向上的分布,通過電機(jī)的旋轉(zhuǎn)形成多條線束掃描。多少線束的激光雷達(dá)最為合適,主要是指多少線束的激光雷達(dá)掃描出來的物體能夠適合算法的需求。理論上講,當(dāng)然是線束越多、越密,對(duì)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(dá)線束有:16線、32線、64線等。

2激光雷達(dá)性能指標(biāo)

激光雷達(dá)的主要性能參數(shù)有激光波長(zhǎng)、探測(cè)距離、F0V(垂直+水平）、掃描頻率、角分辨率、出點(diǎn)數(shù)、安全等級(jí)、IP防護(hù)等級(jí)、功率、供電電壓、激光發(fā)射方式(機(jī)械/固態(tài)）等。

激光波長(zhǎng):目前市場(chǎng)上三維成像激光雷達(dá)最常用的波長(zhǎng)是905nm和1550nm。1550nm波長(zhǎng)LiDAR傳感器可以以更高的功率運(yùn)行,能提高探測(cè)范圍,同時(shí)對(duì)于雨霧的穿透力更強(qiáng)。905nm波長(zhǎng)的主要優(yōu)點(diǎn)是硅在該波長(zhǎng)處吸收光子,而硅基光電探測(cè)器通常比探測(cè)1550nm光所需的錮稼砷(InGaAs）近紅外探測(cè)器便宜。

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

探測(cè)距離:激光雷達(dá)的測(cè)距與目標(biāo)的反射率相關(guān)。目標(biāo)的反射率越高,則測(cè)量的距離越遠(yuǎn),目標(biāo)的反射率越低,則測(cè)量的距離越近。因此,在查看激光雷達(dá)的探測(cè)距離時(shí)要知道該測(cè)量距離是目標(biāo)反射率為多少時(shí)的探測(cè)距離。

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

掃描頻率:較高的掃描頻率可以確保安裝激光雷達(dá)的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)較快速度的運(yùn)動(dòng),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(jiǎn)單的加速激光雷達(dá)內(nèi)部掃描電機(jī)旋轉(zhuǎn)這么簡(jiǎn)單,還需要提高測(cè)距采樣率。否則,當(dāng)采樣頻率固定的情況下,更快的掃描速度只會(huì)降低角分辨率。

角分辨率:一個(gè)是垂直分辨率,另一個(gè)是水平分辨率。水平方向上做到高分辨率其實(shí)不難,因?yàn)樗椒较蛏鲜怯呻姍C(jī)帶動(dòng)的,所以水平分辨率可以很高。一般可以達(dá)到0.01o級(jí)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(gè)發(fā)射器間隔越小,垂直分辨率也就會(huì)越小。垂直分辨率為0.1～1o級(jí)別。

出點(diǎn)數(shù):其是指每秒激光雷達(dá)發(fā)射的激光點(diǎn)數(shù)。激光雷達(dá)的點(diǎn)數(shù)一般從每秒幾萬點(diǎn)至幾十萬點(diǎn)左右。

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

3激光雷達(dá)路側(cè)部署方案

V2I中涉及的路側(cè)信息發(fā)布應(yīng)用主要包括信號(hào)燈相位廣播及速度引導(dǎo):車內(nèi)電子標(biāo)牌,如限速、限高、限寬、限重提醒,危險(xiǎn)道路等路側(cè)固定標(biāo)牌提示內(nèi)容:動(dòng)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(hào)燈優(yōu)先權(quán)。

路側(cè)部署激光雷達(dá),主要考慮兩個(gè)重要場(chǎng)景:城市道路、高速公路。在城市道路的道路交叉口,采用對(duì)角線布置的兩臺(tái)基于路側(cè)的3D激光雷達(dá),可以實(shí)時(shí)精準(zhǔn)地識(shí)別行人、非機(jī)動(dòng)車等弱勢(shì)交通群體和機(jī)動(dòng)車的行為狀態(tài)。激光雷達(dá)將周邊200m半徑范圍內(nèi)的所有物體及環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)4D重建,在經(jīng)過點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特征提取后,將有異常移動(dòng)軌跡的物體納入到v2x系統(tǒng)中,利用RsU向周邊或者更遠(yuǎn)距離接近的車輛進(jìn)行廣播,為正在接近路口的行人、非機(jī)動(dòng)車和機(jī)動(dòng)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(dá)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(duì)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(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車等）。特別是當(dāng)出入口處出現(xiàn)車輛異常行駛狀態(tài)的時(shí)候,例如,車輛錯(cuò)過高速公路出口,司機(jī)采用倒車,以實(shí)線并線或者直接掉頭的方式試圖從已經(jīng)錯(cuò)過的出口駛離高速,屬于高危駕駛行為,通過激光雷達(dá)的特征提取,將該車的軌跡(車道級(jí)識(shí)別）和移動(dòng)信息實(shí)時(shí)發(fā)送到后方lkm之內(nèi)所有安裝有v2xoBU的信息終端,對(duì)后方駕駛員進(jìn)行提示。

通過路側(cè)和運(yùn)營(yíng)車輛上激光雷達(dá)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(qiáng)v2x后臺(tái)數(shù)據(jù)綜合分析測(cè)算能力,為基于v2x的大數(shù)據(jù)應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)高速公路及城市道路監(jiān)管自動(dòng)化控制打下良好的基礎(chǔ)。

實(shí)際操作時(shí),按激光雷達(dá)覆蓋半徑范圍計(jì)算激光雷達(dá)的部署數(shù)量,根據(jù)實(shí)際場(chǎng)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(cè)小范圍,如停車場(chǎng)出口安裝高度可在5m左右,可傾斜安裝。

4結(jié)語(yǔ)

通過在路側(cè)端布設(shè)激光雷達(dá),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(dòng)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(yùn)營(yíng)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(dá)的原理、性能指標(biāo)及路側(cè)部署思路,供激光雷達(dá)廠商和車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)人員參考。