激光雷达技术是自动驾驶汽车不可或缺的技术
激光雷达(光和雷达的结合)是许多自动驾驶汽车不可或缺的组成部分。它通过光线测量距离，成为自动驾驶汽车的眼睛。
发布日期:2021年5月24日
什么是激光雷达技术?
激光雷达的工作原理激光雷达测量光脉冲的飞行时间，然后可以确定传感器和物体之间的距离。想象一下，当光脉冲发射时启动秒表，然后在光脉冲(从遇到的第一个物体反射)返回时停止计时器;通过测量激光的“飞行时间”，知道脉冲的速度，就可以计算出距离。光以每秒30万公里的速度传播，因此需要非常高精度的设备来生成距离信息。
使用激光作为“棍子”来测量距离
为了生成完整的点云，传感器必须能够非常快速地对整个环境进行采样。激光雷达在单个发射器/接收器上使用非常高的采样率，并且每个发射器每秒发射数万或数十万个激光脉冲。这意味着多达100,000个激光脉冲在1秒内完成从激光装置上的发射器到待测物体的往返，并返回位于激光雷达上发射器附近的接收器。较大的系统有多达64个这样的发射器/接收器(它被称为一条线)。多行使系统每秒产生超过一百万个数据点。
然而，64条固定线路不足以绘制整个环境——它只能在一个非常集中的区域提供非常清晰的分辨率。由于光学对精度的要求，制作更多的导线是非常昂贵的，所以如果导线的数量超过64条，继续增加导线的数量将会更快地增加成本。相比之下，许多激光雷达系统使用旋转组件或旋转镜来360度扫描周围环境的线路。
常见的策略包括将单个发射器和接收器向上或向下偏转，以增加激光的视野。例如，Velodyne的64车道激光雷达系统的垂直视角为26.8度(通过旋转可以实现360度的水平视角)。这个激光雷达可以在50米外看到一个12米高的物体的顶部。
对应不同的激光雷达线，有不同的锐度波段，这是因为数据传真随距离而降低。虽然它不是完美的，但更高的分辨率可以用于更近的物体，因为随着与传感器的距离增加，发射器之间的角度(例如，2度)将导致这些点带之间的间距更大。
激光雷达需要克服的问题- 反光表面的材料
由于激光雷达是基于测量激光脉冲返回传感器所需的时间，如果激光击中高反射表面，这将导致测量问题。从微观的角度来看，大多数材料表面粗糙，并向各个方向散射光;这些散射光的一小部分总是可以返回到传感器，并且足以产生距离数据。但是，如果表面反射率非常高，光线会从传感器上散射出去，则无法检测到该区域的点云，数据将是不完整的。 - 空气中的环境
空气中的环境也会影响激光雷达的读数。大雾和大雨会减弱发射的激光脉冲，影响激光雷达。为了解决这些问题，更高功率的激光器已经投入使用，但对于较小的、移动的或功率敏感的应用场景来说，它不是一个很好的解决方案。 - 旋转过程中的数据更新速率
激光雷达系统面临的另一个挑战是旋转时更新速度相对较慢。系统的更新速度受复杂光学元件转速的限制。激光雷达系统的最快旋转速度约为10Hz，这限制了数据更新速度。
当传感器旋转时，一辆以每小时60英里的速度行驶的汽车在1/10秒内行驶8.8英尺，因此可以说，当汽车经过时，传感器无法感知8.8英尺内发生的变化。辨认。更重要的是，激光雷达的覆盖范围(在完美条件下)为100-120米，这相当于一辆时速60英里的汽车不到4.5秒的驾驶时间。 - 成本
也许对于激光雷达来说，高昂的安装成本是它需要克服的最大挑战。尽管自应用以来，该技术的成本已经大大降低，但成本仍然是一个重要的障碍。
激光雷达技术在汽车工业中的应用
从车辆的自动导航到激光雷达激光雷达的操作方法非常简单。原理与雷达相同。区别在于激光雷达使用光波(红外线)，而雷达使用电磁波。两者都发射一系列脉冲光波或电磁波。当波向前传播时，遇到物体就会反射。当接收到反射波脉冲并计算飞行时间时，可以测量彼此之间的距离。这个过程是非常直接的数学计算，不涉及算法和人工智能。由于光波波长较短，可以对前方物体有准确的分辨率和测量结果。然而，雷达的波长太长，很难区分前方的物体是行人还是电线杆。
激光雷达在应用于自动导航之前，已经在其他领域得到了应用。例如，在考古领域，研究人员使用激光雷达和航空相机在柬埔寨吴哥窟发现了更大的古城遗址。此外，激光雷达还应用于风力涡轮机，测量风速和风向，以调整最佳迎风角度。
阻碍激光雷达技术广泛推广的障碍是其高昂的价格。激光雷达技术主要使用一长串高功率半导体激光器，并进行360度旋转扫描，以获得全方位的3D图像。由于光学系统需要机械旋转，所以价格昂贵。最近，为了普及和降低成本，激光雷达在设计上逐渐放弃了360度，代之以小于180度和更短探测距离的方式，从而可以使用面发射激光器(VCSEL)和数字光处理器(DLP)。使用衍射光学表面来产生激光阵列将使成本结构更具竞争力。
未来，当自动导航越来越普遍时，如果LiDAR的红外激光信号无处不在，也会引起人们对健康和安全的担忧。因此，激光雷达传感需要降低激光的强度。换句话说，如果需要降低激光的强度，就需要安装一个高灵敏度的光电探测器。
一般的光传感器工作在元件的反向偏置电压的小暗电流区域。一旦光信号进入，电流将被增强，但至少数万个光子中的任何一个都可以产生显著的光电流。单光子光传感器故意在反向偏置电压的崩溃区检测并操作组件。如果单个光子进入，它将引起实质性的坍缩，但在坍缩之后可以立即恢复。所以，如果你计算组件的碰撞次数，你就知道有多少光子被收集了，所以探测的灵敏度可以提高几个数量级。
随着新的科学技术的发明，一开始人们往往不清楚它的适当应用会有什么效果。同样地，单光子光传感器可能被视为“寻找问题的解决方案”，但随着对更灵敏检测需求的增加，单光子光传感器将会出现。未来，自动驾驶汽车将达到5级全自动驾驶。无论是立体摄像头镜头、激光雷达、雷达还是超声波，汽车制造商都必须具备将这些不同的检测系统集成在一起的能力，因为任何单一的检测系统都不会有一个完整的解决方案。综合测量系统可以在不同的天气、距离和精度条件下提供完整的数据。
