項目二智能網聯汽車環境感知技術前言激光雷達（LiDAR）是集激光、全球定位系統（GPS）和IMU慣性測量裝置三大技術為一體的系統。與普通微波雷達相比，激光雷達由于使用的是激光束，工作頻率較微波高了許多，因此具有其他雷達沒的優點，如：分辨率高、隱蔽性好、抗有源干擾能力強、低空探測性能好、體積小、質量輕等。認知激光雷達Annualworksummary5目錄01教學目標02教學內容教學目標0103能解釋環境感知的應用范圍01能描述環境感知系統概念和內容02能描述環境感知系統組成01.通過環境感知系統的學習，讓學生知道技術不斷進步，激發學生不斷學習的興趣。知識目標素質目標教學內容02一、激光雷達概念激光雷達（LiDAR），是一種光學遙感傳感器，它通過向目標物體發射激光，然后根據接收-反射的時間間隔確定目標物體的實際距離，根據距離及激光發射的角度，通過幾何變化推導出物體的位置信息。激光雷達能夠確定物體的位置、大小、外部形貌甚至材質。激光雷達采集到的物體信息呈現出一系列分散的、具有準確角度和距離信息的點，被稱為點云。如圖2-5-1所示，為激光雷達工作過程中的點云圖。一、激光雷達概念與傳統雷達使用無線電波相比，LiDAR使用激光射線，其射線波長一般在600~1000nm，遠遠低于傳統雷達所使用的波長。因此，LiDAR在測量物體距離和表面形狀可達到更高的精準度，一般精準度可以達到厘米級。由于激光的傳播受外界環境影響較小，LiDAR能夠檢測的距離一般可達100m以上。激光雷達二、激光雷達類型1.按掃描方式分類：車載激光雷達根據其掃描方式的不同，可分為機械激光雷達和固態激光雷達。⑴機械激光雷達機械激光雷達外表上最大的特點就是有機械旋轉機構，如圖2-5-2所示。二、激光雷達類型1.按掃描方式分類⑴機械激光雷達智能網聯測試車車頂上較復雜的圓柱形裝置，即為機械式激光雷達，如圖2-5-3所示。機械激光雷達調試、裝配工藝復雜，生產周期長，成本居高不下，并且機械部件壽命不長（約1000-3000小時），難以滿足苛刻的車規級要求（至少1萬小時以上）。另外，機械式激光雷達由于光學結構固定，適配不同車輛往往需要精密調節其位置和角度。因此，激光雷達量產商都在著手開發性能更好、體積更小、集成化程度更高，并且成本更低的激光雷達。二、激光雷達類型1.按掃描方式分類⑵固態激光雷達固態激光雷達由于不存在旋轉的機械結構，其結構簡單、尺寸小，如圖2-5-4所示，所有的激光探測水平和垂直視角都是通過電子方式實現的，并且裝配調試可以實現自動化，能夠量產，成本大幅降低，設備的耐用性也有效地提高了，固態激光雷達是必然的技術發展路線。但是，固態激光雷達在不良天氣條件下檢測性能較差，不能實現全天候工作。且機械激光雷達能進行3600范圍的掃描，固態式激光雷達一般為1200范圍的向前掃描。根據技術路線不同，固態激光雷達又分為光學相控陣OPA（OpticalPhasedArray）激光雷達、微機電系統MEMS（Micro-ElectroMechanicalSystems）激光雷達和3DFlash激光雷達。

二、激光雷達類型1.光學相控陣固態激光雷達固態激光雷達采用相控陣原理實現，完全消除了機械結構，通過調整發射陣中各發射單元的相位差來改變激光的出射角。光學相控陣通常由其相位的電子束掃描控制，因此也被稱為電子掃描技術。光學相控陣激光雷達的核心技術包括光學相控陣、光學集成電路和遠場輻射模式，它是一種沒有機械固件的純固態激光雷達，如圖2-5-5所示。（2）Flash固態激光雷達Flash激光雷達是一種發射面陣光的非掃描雷達，是一種聚焦于二維或三維圖像的激光雷達，如Flash激光雷達6所示。雖然穩定性和成本都很好，但主要問題是探測距離很近。基于三維閃光技術的固態激光雷達在技術可靠性方面存在問題。二、激光雷達類型1.光學相控陣固態激光雷達（3）MEMS固態激光雷達MEMS固態激光雷達是指將所有機械部件集成到一個芯片中，通過半導體工藝生產的MEMS。它消除了機械旋轉結構，從根本上降低了激光雷達的成本，如圖2-5-7所示。二、激光雷達類型2.按雷達線數分類：根據線數的多少，激光雷達分為單線激光雷達與多線激光雷達。⑴單線激光雷達單線激光雷達掃描一次只產生一條掃描線，其所獲得的數據為2D數據，因此無法區別有關目標物體的3D信息，如圖2-5-8所示。由于單線激光雷達比多線激光雷達在角頻率和靈敏度更快，所以，在測試周圍障礙物的距離和精度上都更加精確。但是，單線雷達只能平面式掃描，不能測量物體高度，有一定局限性。目前，主要應用于服務機器人身上，如掃地機器人。在智能車上，單線激光雷達主要用于規避障礙物、地形測繪等領域。二、激光雷達類型2.按雷達線數分類：⑵多線激光雷達多線激光雷達掃描一次可產生多條掃描線，主要應用于障礙物的雷達成像，相比單線激光雷達在維度提升和場景還原上有了質的改變，可以識別物體的高度信息，目前市場上多線產品包括4線、8線、16線、32線、64線等。如圖2-5-9所示，為多線激光雷達掃描的不同類型障礙物的點云圖，包括汽車、人、墻、樹木等。二、激光雷達類型3.按功能方式分類激光雷達按照功能用途，可以分為激光測距雷達、激光測速雷達、激光成像雷達、大氣探測雷達和跟蹤雷達等；按照按激光發射波形分類可分為連續型激光雷達和脈沖型激光雷達；按載荷平臺分類可分為機載激光雷達，車載激光雷達等；按探測方式分類可分為直接探測激光雷達和相干探測激光雷達。三、激光雷達組成激光雷達由發射光學系統、接收光學系統、主控及處理電路板、探測器接收電路模塊、激光器及驅動模塊組成，如圖2-5-10所示。一個單束窄帶激光器和一個接收系統。LIDAR系統包括激光器產生并發射一束光脈沖，打在物體上并反射回來，最終被接收器所接收。接收器準確地測量光脈沖從發射到被反射回的傳播時間。因為光脈沖以光速傳播，所以接收器總會在下一個脈沖發出之前收到前一個被反射回的脈沖。鑒于光速是已知的，傳播時間即可被轉換為對距離的測量。結合激光器的高度，激光掃描角度，從GPS得到的激光器的位置和從INS得到的激光發射方向，就可以準確地計算出每一個地面光斑的坐標X，Y，Z。激光束發射的頻率可以從每秒幾個脈沖到每秒幾萬個脈沖。舉例而言，一個頻率為每秒一萬次脈沖的系統，接收器將會在一分鐘內記錄六十萬個點。一般而言，LIDAR系統的地面光斑間距在2-4m不等。四、激光雷達工作原理激光雷達由發射光學系統、接收光學系統、主控及處理電路板、探測器接收電路模塊、激光激光雷達的工作原理與雷達非常相近，以激光作為信號源，由激光器發射出的脈沖激光，打到地面的車輛、行人、樹木、道路、橋梁和建筑物上，引起散射，一部分光波會反射到激光雷達的接收器上，根據激光測距原理計算，就得到從激光雷達到目標點的距離，脈沖激光不斷地掃描目標物，就可以得到目標物上全部目標點的數據，用此數據進行成像處理后，就可得到精確的三維立體圖像。激光雷達最基本的工作原理與無線電雷達沒有區別，即由雷達發射系統發送一個信號，經目標反射后被接收系統收集，通過測量反射光的運行時間而確定目標的距離。至于目標的徑向速度，可以由反射光的多普勒頻移來確定，也可以測量兩個或多個距離，并計算其變化率而求得速度，這是、也是直接探測型雷達的基本工作原理，其工作原理如圖2-5-11所示。激光雷達接收系統采用了各種形式的光電探測器，如光電倍增管、半導體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外線和可見光多元探測器。激光雷達使用兩種工作模式：脈沖和連續波。根據探測原理，探測方法可分為米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射、熒光、多普勒等。四、激光雷達工作原理四、激光雷達工作原理實時激光雷達一般分為16線、32線、64線、96線、128線，雷達測距的精度非常重要，以96線激光雷達為例，它具有10角分辨率，如果行人在50米以外，只有一條激光脈沖線。顯然不能區分行人的輪廓。它也可以在白天利用攝像頭進行分辨。但如果是在夜間，激光雷達難以單獨識別，毫米波雷達只能識別障礙物，對熱敏信息無法識別，如圖2-5-12所示。四、激光雷達工作原理精確測量目標位置（距離和角度）、運動狀態（速度、振動和姿態）以及目標的形狀檢測、識別分辨和跟蹤。高頻激光器可以在一秒鐘內獲得106～107個數量級的位置點云信息，并根據這些信息進行三維建模，如圖2-5-12所示。四、激光雷達工作原理除了獲得位置信息外，它還可以通過激光信號的反射率初步區分不同的材料。目標的徑向速度可以通過反射光的多普勒頻移來確定，激光雷達發射的激光照亮物體，被物體散射并返回激光接收器接收。激光測量模塊根據發射前后的激光信息處理三維坐標、距離、方位角、反射強光等數據，其中，由于不同物體的反射率不同，激光雷達可以根據回波的反射光強（0～255級）來區分物體的不同區域，其精度可達毫米級。現今市場上主流的車載激光雷達主要是基于三種原理測距，三角測距法、飛行時間（Timeofflight，TOF）法和調幅連續波（AmplitudeModulatedContinuousWave，AMCW）測距法。接下來，以飛行時間（TOF）法為例介紹激光雷達的測距原理。四、激光雷達工作原理如圖2-5-13所示，TOF法就是根據激光遇到障礙物后的折返時間，通過光速計算目標與雷達的相對距離。激光光束可以準確測量視場中物體輪廓邊沿與設備間的相對距離，這些輪廓信息組成點云圖并繪制出3D環境地圖，如圖2-5-14所示。四、激光雷達工作原理從原理上來說，TOF雷達可以測量的距離更遠。實際上，在一些要求測量距離較遠的場合，比如智能網聯汽車應用，幾乎都是TOF雷達。TOF激光雷達采用脈沖激光采樣，并且還能嚴格控制視場以減少環境光的影響，這些都是長距離測量的前提條件。另外，在轉速一定的情況下，采樣率（每秒能夠完成的點云測量次數）決定了每一幀圖像的點云數目以及點云的角分辨率。角分辨率越高，點云數量越多，則圖像對周圍環境的描繪就越細致。三種測距方案各具優缺點，將車載激光雷達需具備的5個核心能力作為選型的維度對上述三種測距方法進行了總結對比，見表2-5-1。測距方案探測距離探測精度抗強光能力光功率成本三角法最近近距離精度高遠距離精度低不具備低低TOF最遠高強適中適中AMCW適中適中適中高適中五、激光雷達應用前景1.定位導航在運動定位中，位置傳感器提供了智能車的大致的定位信息，在此基礎上，激光雷達從環境中感知的信息用來在小范圍內和已知地圖匹配，實現對位置傳感器定位的校正。激光雷達在定位中的最主要的作用就是對位置傳感器定位的校正。2.障礙檢測及運動目標跟蹤根據激光雷達數據的特點，利用點和線段特征來描述環境；提取出當前時刻的點或線段特征，與已知地圖進行匹配，從而得到車輛的位姿估計。這種方法需要建立環境的地圖，并在已知地圖的基礎上進行定位，解決對環境地圖的描述和地圖自動生成問題、環境地圖的匹配問題、以及定位的精度問題。在無人駕駛系統中，實現障礙物的檢測常用的傳感器有雙目立體相機、激光雷達等。五、激光雷達應用前景2.障礙檢測及運動目標跟蹤。相比于雙目立體相機，激光雷達在深度信息的準確性以及檢測范圍上要更為出色，如圖2-5-15所示。五、激光雷達應用前景3.在車輛