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自动驾驶传感器非官方指北——激光雷达(LiDAR)
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写在前面的话

前段时间,小鹏汽车CEO何小鹏“吹了个牛”:“2021年小鹏汽车将率先推出全球首款搭载激光雷达的量产智能汽车”。而最近,在社区里也有一些对于小鹏最新车型搭载激光雷达的一些讨论。在互联网上,也一直有“激光雷达无用论”和“激光雷达全能论”的激烈讨论。
眼看12月22日,小鹏即将把它的激光雷达揭开面纱,公之于众。乘此机会,赶一波热点,顺便聊一聊自己对于激光雷达(LiDAR)的一些浅薄的认识,权当抛砖引玉。
欢迎指正~

基本原理

激光雷达的基本原理其实没有那么神秘的,就是发射一束或者多束激光,通过接受物体对于激光的反射来进行各类参数测量的仪器。从本质上来讲,其工作原理和我们在黑夜中打开一个手电筒来照亮前方的道路没有“太大”的差别。而且,和它的近亲——毫米波雷达也极其相似。(PS.叫XX雷达的,基本都是“发射-接收-处理”模式,例如超声波雷达也是如此~)

本质上激光雷达就如同手电筒,只不过发射的是不可见光,接收和处理的不再是我们的眼睛和大脑,而是电子元件

激光雷达的英文名称:LiDAR,则是一个缩写,但也比较好的反映了这类测量仪器的本质:Light Detection and Ranging,光探测及测距,即通过光来完成物体的探测和距离的测算。

能测量什么?

既然是台测量仪器,那激光雷达能测什么?一般而言,我们在确定某个物体和我们之间相对的位置关系的时候,往往需要知道这些参数:

距离

就是物体离我们有多远,最直观的办法就是ToF法(Time of Flight,飞行时间法)。我们可以发送特定的激光,并计算接收到反射信号的时间差,在已知光速的情况下,计算出光的飞行距离,再除以2便是所探测物体的距离了。
目前,激光雷达对于距离的探测精度非常高(因为,波长非常短),可以达到厘米级。而且,探测距离也可以做到200M以上。

方位

就是物体在相对于我们的哪个方向,包括水平和垂直方位。如果再加上距离,我们已经可以准确的知道那个物体到底在哪里了,也就是我们经常听说的“点云”中的一个“点”。
使用激光雷达探测方位并不方便,因为激光的指向性很强,属于“指哪儿打哪儿”,“眼界”非常不开阔。但是,这也是优势,因为这样可以获得很高的方位的分辨率。也就是说,理论上,激光雷达可能可以远远的看清并肩走路的两个人有没有牵着小手。
所以,为了探测方位,工程师也想了不少办法:

  • 多光束:同时发射多个激光光束,分别发向不同的方向。这就是常说的:XX线激光雷达的意思,当然,线越多分辨率也就越高;
  • 旋转:把激光雷达转起来,每转过一个角度就发射一次激光,并记下旋转的角度。这个和大家经常看到的旋转的雷达天线是一个道理。这也是常说的,激光雷达是不是“固态”的缘由,固态的激光雷达是不转的。(为什么想要不转?1、旋转是机械结构,有可靠性和精度问题;2、扫描速度不够快)
  • 相控阵:对你没听错,就是军事上常说的“相控阵”,利用多个光源组成阵列,通过对光进行调制形成特殊的波形,来控制扫描方位。没有任何机械结构,可以实现快速的调控(每秒百万次的扫描),想看哪里就看哪里,不用等机械结构转过来。(但是难,很难!)
  • 微机电:给光源装一个很小的可以控制的镜片来控制光的方向;
  • 三维闪光:如同开一个闪光灯一样,一次性拍个照,再通过高灵敏度的传感器来一次性获取三维数据。

目前,激光雷达会采用以上几种方式的组合来获取物体的方位信息。从趋势来讲,没有旋转机构的固态激光雷达是车载激光雷达的发展方向。

速度

与毫米波雷达一样,激光雷达也可以利用多普勒效应,对物体相对速度进行测速。

图像信息

与毫米波雷达不同的是,激光雷达还能获得反射率信息(物体表面反射能力不同,也就是颜色不同)。也就是和我们开灯照亮房间一样,区别在于激光雷达一般发出的是红外激光。

总体而言,激光雷达具有测距远(看得远)、精度高、方位分辨率高(分得清)的优点,而且不受环境光的影响(就是白天黑夜都可以用),这些优势对于实现自动驾驶非常有帮助。

 

那问题在哪里?

既然激光雷达那么好,那为什么没有大规模使用呢?或者它是不是万能的呢?

1、小型化困难

激光雷达想要做小并不容易,不仅有一堆收发装置,还要有处理芯片。而且,如果要有旋转机构那就更加难以小型化了。我想谁都不愿意自己车子的头顶顶个圆盘吧?

2、价格高

激光雷达都很贵,这也是为什么特斯拉坚持不用的主要原因。而小型、固态、高分辨率的激光雷达更是贵上加贵!

3、恶劣天气

行车过程中难免碰到雨雾雪霾等各种相对恶劣的天气状况,但在这种状况下,激光由于波长太短往往无法穿透(毫米波雷达就好很多~)。所以,和我们在雾天打手电筒一样,激光雷达在恶劣气候下也是一脸懵逼的。

关于小鹏后续车型的激光雷达的几点猜测

我对于小鹏即将发布的激光雷达方案基于以下几点:

1、小鹏目前爆料的激光雷达安装位置位于车辆的前部左右角,即传统毫米波雷达安装位置;
2、小鹏说小鹏未来还是以视觉识别为主;
3、激光雷达现在还是很贵;

有这么几点猜测:

1、小鹏使用激光雷达主要用于障碍物探测,替代原有的毫米波雷达,并与车辆前部的毫米波雷达配合使用;这样即便是恶劣天气,前部的毫米波雷达仍能正常工作;
2、根据安装位置估计,前两个激光雷达的水平视场可以实现车辆前方接近180度的覆盖,估计HFOV超过90度;同时,考虑到安装位置,可能不需要有太高的VFOV;
3、小鹏使用的激光雷达规格应该较低(低于或等于32线),毕竟成本受约束,而且是用来辅助视觉使用的;
4、大概率固态激光雷达;

好了,是不是猜对,很快就知道了~ 欢迎小鹏打我的脸

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