自動駕駛科普之雷射雷達的工作原理

2020-12-03 自動駕駛之家

近年來，一個叫雷射雷達的傢伙進入了測繪各個領域，很多人對它感覺很陌生，其實不然，他可是老傢伙了，我們所熟知的地球與月亮的距離，就是通過雷射測距技術實現的。雷射測距的原理很簡單，就是通過測量雷射從發射到月面反射光到達地球的時間，乘以光速再除以二，就是地月距離了。

為了保障雷射能夠很好地反射回來，登月的美國人特地在月球上放置了這樣一面反射鏡，以保障雷射很好地反射回來。

隨著GPS和IMU（慣性導航技術）的發展，使精確的即時定位、定姿成為可能，很多廠商發現，這傢伙用來幹測繪非常適合，所以近年來雷射雷達就被推到了各位的面前。有人看見雷射雷達，心中會冒出來一個疑惑

「雷射雷達和雷達有什麼區別？」

雷射雷達是雷達麼？

答案：是！

不信我們看下圖：

他們的區別就和名字一樣簡單易懂 ，雷射雷達就是，發射雷射的雷達。在原理上基本類似，只是雷射雷達發射的是一條直線的光束，而雷達發射出去的是一個錐狀的電磁波波束。

按照用途，我們可以把雷射傳感器分為兩類，即避障級和高精度測繪級，通過對比我們可以發現在一些關鍵參數上，如角解析度、視場角、測量距離、測量速率、測量精度、多次回波技術、多周期回波技術等，這兩類雷射傳感器有較大差別。接下來我們著重聊一下測繪雷射雷達。

它是將雷射傳感器、GNSS、IMU和相機集成在一起的一個系統，通過各個傳感器的參數標定，可以精確計算出傳感器之間的位置偏差，以及不同坐標系間轉換所用到的旋轉角，從而將獲取的點雲數據的相對坐標轉換成大地坐標。

總之可以邊走邊掃，而且掃出來的點全是大地坐標！就是這麼炫酷：

測量型雷射雷達系統組成

在使用雷射雷達做測繪時，我們一般可以採用汽車、無人機、有人機等移動平臺作為載體，將移動中的雷射原始數據、GNSS數據、IMU數據，後期通過Post-processing模式的後處理得到釐米級精度POS數據，基於POS和原始雷射數據生成我們常常看到的雷射點雲成果。

機載彩色點雲

車載彩色點雲

那麼各搭載平臺間有什麼差異，該如何選擇？

追求效率直接裝到直升機或者固定翼飛機上！

測量效率直接拉滿，但由於直升機或固定翼飛的較高，所以精度就差一些，一般在10CM左右，做大面積地形測繪可選取這種手段。

直升機搭載雷射雷達

測區適合飛行，且對精度有要求，就用旋翼無人機

使用旋翼無人機效率略遜於固定翼無人機，但在精度控制方面更能得心應手，可以達到5cm精度。機載雷射雷達是一種萬金油的組合，無論何種地形都能一顯身手。

旋翼無人機作業模式

特定城區或者街道環境，選用車載模式

雷射雷達車載模式，只能掃描道路兩邊200米內的數據，掃描區域受限，一般道路改擴建項目或者帶狀地形圖項目可以使用此種作業模式，100米內的精度在5cm。

車載作業模式

背包作為補充手段，填補最後的空白

由於我們是多平臺雷射雷達，甚至可以背在背上進行測量。背包模式的存在，是為了補充以上幾種作業方式的不足，用於測量一些汽車和飛機都進不去的地方，比如地下空間測量，礦山測量、方量計算等地方。由於人在背負設備步行時存在一定人為抖動，一般經過處理後在10cm左右。

背包作業模式

雷射雷達這麼多參數，我應該關注什麼指標？

①角解析度，也就是測角精度

角解析度是掃描儀分辨目標的能力，測角解析度越小，則表明能夠分辨的目標越小，這樣測量出的點雲數據就越細膩。一般避障級雷射傳感器的測角精度只有0.1°左右，而測繪級雷射傳感器角解析度一般是0.001°甚至更低。

②測量距離

測量距離與雷射發射頻率和實際地物反射率有關，最大測量距離和反射率有關，一般是指ρ≧60%（部分甚至到ρ≧90%）的情況下的最大掃描距離，同時測量距離與雷射發射頻率成反比，發射頻率越大，測量距離越小

不同的物體（山坡，植被，水泥建築物，金屬管道，土壤礦物，煤等）具有不同的反射率，大多數建築物的反射率為50%左右，煤和瀝青路面在20%左右，因此在實際應用中，我們要對設備的最大射程打折。

③測量速度

一般通過雷射脈衝的最大發射頻率來體現，例如RIEGL的VUX-1UAV其最大雷射發射頻率為550 000點/秒，而mini VUX-1UAV 是100 000點/秒。

④測量精度

它指測量一定數量後得出的真實值，是與真實一致性的度，重複精度也叫再現性或可重複性，是用於表示多次測量得到同一結果的可能性的量。一般測繪級的雷射傳感器測量精度都在1cm左右。

⑤視場角

視場角=雷射束的掃描角，指雷射束通過掃描裝置所能達到的最大角度範圍，而有效視場角一般還會與實際作業時的航高、有效測量距離有關。雖然很多雷射傳感器的水平視場角是360°的，我們實際應用時一般只會用到90°-120°。

好處說了這麼多，那麼雷射雷達的不足在哪？

一：受天氣和環境的影響。

無論是哪種模式的雷射雷達工作方式，由於雷射的物理特性的限制，雷射傳感器受環境因素影響較大，在室外和在煙霧、粉塵、雨雪、沙塵和強光環境中均無法穩定可靠地工作。

二：貴

工業用品的價格是理性的，它的研發成本很高，而這只能靠量產去攤薄，現階段雷射雷達的需求還沒有那麼大的量，這讓成本難以降低。

另一塊是邊際成本，雷射雷達屬於高精密機械，能用於測繪雷射頭比避障級更是貴得多，產品製作不容易，製作成本本身就很高了。

雖然目前雷射雷達還算不上完美，但由於它能夠透射植被的特點，能夠直接測量地表，很好地解決密林測量難題，因此受到了很多客戶的青睞。未來，隨著技術的進步以及量產的增加，成本過高的問題可以有效降低，目前雖然雷射雷達不算完美，但它未來可期！（智能座艙與自動駕駛）

相關焦點

  • 汽車自動駕駛之雷射雷達行業深度報告
    雷射雷達：三維點雲建模構建傳感基石 路徑之爭：雷射雷達為什麼是 L4 自動駕駛不可或缺的傳感器？ 工作原理：「發射-反饋」系統如何形成三維點雲信息？ 與雷達工作原理類似，雷射雷達通過測量雷射信號的時間差和相位差來確定距離，但 其最大優勢在於能夠利用多譜勒成像技術，創建出目標清晰的 3D 圖像。
  • 【牛車實驗室】趣味解讀毫米波雷達/雷射雷達 自動駕駛的「電子眼」
    自動駕駛從概念化走向現實世界似乎非常迅速，對於自動駕駛的定義，簡單來說就是對大量交通數據進行運算，最終得到最優的行車路線和速度，車輛實現無人幹預的自動行駛。但是最關鍵的技術難點卻在於獲取數據，所以雷達變成了自動駕駛不可或缺的硬體。自動駕駛汽車通過雷達將複雜的交通數據全部捕獲。
  • 自動駕駛「三駕馬車」之毫米波雷達,原理其實蠻簡單
    雷射雷達、毫米波雷達、攝像頭，被稱為自動駕駛傳感系統的「三駕馬車」。雷射雷達很貴，攝像頭有先天缺陷，但毫米波雷達卻是所有高級別自動駕駛ADAS不可或缺的標配，本文從科普角度為讀者介紹毫米波雷達。，不受目標物體形狀和顏色的幹擾因此，毫米波雷達很好彌補了紅外、雷射、攝像頭等其他傳感器在車載應用中所不具備的使用場景。
  • 自動駕駛的未來,是雷射雷達還是視覺識別?
    首先我們來看看特斯拉跟雷射雷達還有計算機視覺識別的軼聞。 在特斯拉CEO馬斯克眼中，雷射雷達是一種落後的東西，他在2019年4月曾經說過：「雷射雷達和高精度地圖都是自動駕駛中錯誤的解決方案, 只會減慢自動駕駛商業化的速度。如果你只是在限制區域行駛, 那也不能叫做自動駕駛。」
  • 漫談自動駕駛雷射雷達和新型探測技術
    不過，接下來我們要介紹的並不知道我們熟悉的這個「雷達」概念，而是利用光來進行探測和定位的手段——「雷射雷達」。什麼是雷射雷達？如今，「雷射雷達」已不是什麼陌生的概念了，特別是隨著自動駕駛的熱潮，它也備受矚目。
  • 雷射雷達加速自動駕駛汽車發展
    編者按：近年來自動駕駛汽車的遠距離深度相機雷射雷達作為汽車理解三維空間的主流方案備受認可，不過雷射雷達目前大且貴，這使得該技術的進一步普及充滿挑戰。當然，深度相機還分近距深度相機和遠距深度相機，近距深度相機精度高，工作距離短，可用於工業檢測、無序分揀、人臉識別等。遠距深度相機識別精度低，工作距離遠，可用於手勢、動作和姿態識別，無人駕駛避障、路徑規劃等，其中自動駕駛系統中常用的雷射雷達就屬於遠距深度相機。
  • 雷射雷達LIDAR的工作原理及特點應用分析
    最近Velodyne挑起的雷射雷達LiDAR專利之戰成為了業界熱點。可以說在嚴苛的自動駕駛系統中雷射雷達成為一種不可替代的傳感器。今天讓我們詳細聊聊雷射雷達LIDAR是怎麼回事。 什麼是雷射雷達LIDAR 雷射雷達LiDAR的全稱為Light Detection and Ranging雷射探測和測距，又稱光學雷達。
  • 雷射雷達vs純計算機視覺 自動駕駛的兩大流派
    雷射雷達流派和純計算機視覺流派一直在自動駕駛技術中的感知層解決方案上喋喋不休。雷射雷達派認為純視覺算法在數據形式和精度上的不足；純視覺流派則認為雷射雷達不必要且過於昂貴。本文將對雷射雷達、攝像頭以及毫米波雷達等主流傳感器、各自動駕駛公司的解決方案以及傳感器市場格局作介紹。
  • 雷射雷達是什麼?為什麼自動駕駛必不可少?
    上期文章我們介紹特斯拉的自動駕駛有個軟肋，就是對於靜止的物體有可能探測不到，其背後的原因就是傳統的雷達不能有效識別靜態物體。當然，這個問題並不是沒有解決的辦法，那就多種傳感器的配合使用。就目前的技術而言，大多數自動駕駛汽車都會搭載三類傳感器：攝像頭、雷達和雷射雷達。
  • 雷射雷達:從光電技術角度看自動駕駛
    雷射雷達和與之競爭的傳感器技術(相機、雷達和超聲波)加強了對傳感器融合的需要，也對認真謹慎地選擇光電探測器、光源和MEMS振鏡提出了更高的要求。通過傳感器融合實現這些系統的同步運行，可以讓完全自動駕駛的車輛監視周圍環境，並警告駕駛員潛在的道路危險，甚至採取獨立於駕駛員的躲避行動以防止碰撞。　　自動駕駛汽車還必須在高速狀態下區分和識別前方的物體。通過測距技術，這些自動駕駛汽車必須快速構建一張約100m距離內的三維(3D)地圖，並在高達250m距離範圍內創建高角解析度的圖像。如果駕駛員不在場，車輛的人工智慧必須做出最佳決策。
  • 雷射雷達廠商開啟自動駕駛激戰
    投稿來源：蛇眼財經近年來國內自動駕駛行業爆發的勢頭愈加明顯，L2、L3級別的自動駕駛功能商業化加速落地，L4級別自動駕駛功能也進入了試運行階段。在此背景下，自動駕駛行業的上遊產業鏈如雷射雷達也開始蓬勃發展。
  • 雷射雷達疊加雷達,解決霧天自動駕駛
    雷射雷達疊加雷達，解決霧天自動駕駛 2020-11-20 10:52 來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客
  • 自動駕駛的眼睛 細述單線雷射雷達的作用
    但是雷射雷達最大的缺點——容易受到大氣條件以及工作環境的煙塵的影響，要實現全天候的工作環境是非常困難的事情。實際上，目前我們提到的，包括自動駕駛、機器人、測繪用到的雷射雷達，基本上屬於這種直接探測類型的雷射雷達。有比較特殊的，比如測風、測速之類的雷達，一般會採用相干體制。　　按應用分類，我們可以分得更多，比如：雷射測距儀、雷射三維成像雷達、雷射測速雷達、雷射大氣探測雷達，等等。
  • 自動駕駛的眼睛:雷射、毫米波雷達&攝像頭三種技術產品之比較
    」的觀點後，在自動駕駛領域引起軒然大波。 qT1EETC-電子工程專輯目前無人駕駛汽車上主流的「眼睛」有四種：毫米波雷達、雷射雷達、超聲波雷達、攝像頭。它是微波（300 MHz-300 GHz）的一個子頻段，測距原理跟一般雷達一樣，即把無線電波（雷達波）發出去，然後接收回波，利用障礙物反射波的時間差確定障礙物距離，利用反射波的頻率偏移確定相對速度。
  • 自動駕駛離不開的雷射雷達,究竟有幾種分類?
    雷射雷達因為雷射波長短，準直性高，使得雷射雷達性能優異：角解析度和距離解析度高、抗幹擾能力強、能獲得目標多種圖像信息(深度、反射率等)、體積小、質量輕。目前雷射雷達廣泛應用在測繪、氣象監測、安防、自動駕駛等領域。且大部分人認為，雷射雷達是自動駕駛不可或缺的關鍵傳感器。
  • 自動駕駛的寵兒!雷射雷達如何降價百倍走向普及【附PPT】
    導語：汽車產業經歷劇變，自動駕駛浪潮來襲。是被浪潮吞沒，還是屹立於浪潮之巔？如何摘得「人工智慧項目之母」桂冠，用智能代替雙手掌控車輛？從9月14日起，智東西重磅推出9堂自動駕駛系列課。
  • 深度解析自動駕駛雷射雷達技術原理、感知系統的發展趨勢
    原標題：深度解析自動駕駛雷射雷達技術原理、感知系統的發展趨勢 　　目前，機械旋轉雷射雷達的高
  • 無人駕駛之雷射雷達(一):那些你不知道的技術原理和應用領域!
    雷射雷達是一種採用非接觸雷射測距技術的掃描式傳感器，其工作原理與一般的雷達系統類似，通過發射雷射光束來探測目標，並通過搜集反射回來的光束來形成點雲和獲取數據，這些數據經光電處理後可生成為精確的三維立體圖像。
  • 實現高級自動駕駛,一定要用雷射雷達嗎?
    在技術之爭上，支持雷射雷達的一派和支持純視覺計算的一派還在吵得不可開交，同時也還有技術廠商試圖用毫米波雷達來取代雷射雷達。可見雷射雷達在高級自動駕駛所處的「C位」的地位仍然面臨挑戰。為什麼大多數的自動駕駛公司都認可雷射雷達技術？而偏偏又有少數公司不走「尋常路」，不接雷射雷達的招？箇中原因嘛？既有傳感器的技術路線之爭，也有自動駕駛車企對商業路線的判斷。
  • 自動駕駛離不開雷達,分兩種不同類型
    【ZOL汽車電子】雷達是自動駕駛的關鍵部件，雷達能及時反饋複雜的路況，由汽車的中央處理器再做出正確的決策，按照正確的路線行駛，還要規避各種車輛和行人，天氣好的時候普通雷達就能勝任，而惡劣天氣下，如雨霧天氣就要靠雷射雷達才能更高的反饋精度。所以，雷達分兩類。