智能駕駛車載激光雷達關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用算法

智能駕駛技術(shù)的迅速發(fā)展極大地推動了各類環(huán)境感知傳感器的研究。車載激光雷達（LightDetectionandRanging，LiDAR）因其具有可準確獲取目標的三維信息、分辨率高、抗干擾能力強、探測范圍廣、近全天候工作等優(yōu)點，在智能駕駛環(huán)境感知系統(tǒng)中占據(jù)了重要地位。智能駕駛這一特定情境對車載激光雷達的硬件技術(shù)與應(yīng)用算法的性能均提出了很高的要求，如應(yīng)用于Level3（由SAE（SocietyofAutomotiveEngineers）提出的智能駕駛自動等級，從Level0-5共6級）以上智能駕駛系統(tǒng)的車載激光雷達，其激光安全等級應(yīng)為class1（功率小于0.4mW低輸出激光），以保證智能駕駛汽車行駛過程中行人的安全；其探測距離至少應(yīng)為100m，測量精度在厘米級，掃描頻率至少在5-20Hz，以滿足智能駕駛汽車的高速行駛的要求；而且LiDAR點云數(shù)據(jù)的傳輸速率、點云處理算法的運行速度、精度以及處理效果也必須滿足汽車高速行駛的需求；同時激光雷達的體積、重量、成本、驅(qū)動電壓均應(yīng)當符合車載系統(tǒng)的安裝水準。圖1.左：Luminar公司聯(lián)合創(chuàng)始人AustinRussell在智能駕駛車中觀看雷達點云圖像；右：Luminar激光雷達生成的周圍環(huán)境點云圖，顏色表達了環(huán)境中物體的距離信息。圖片引用自JeffHecht,"LidarforSelf-DrivingCars,"Optics&PhotonicsNews29(1),26-33(2018).為達到智能駕駛對車載激光雷達的高要求，針對車載激光雷達關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用算法的相關(guān)研究不斷地深入拓展。在激光發(fā)射、接收、掃描等諸多激光雷達硬件技術(shù)中，目前人們普遍認為掃描技術(shù)是車載激光雷達的關(guān)鍵，它直接決定了雷達的掃描頻率、掃描范圍、點云數(shù)據(jù)量等各項重要參數(shù)，是縮小車載激光雷達的整體體積與降低成本的關(guān)鍵，也直接影響了車載激光雷達的車規(guī)級量產(chǎn)的實現(xiàn)。根據(jù)掃描單元的結(jié)構(gòu)不同，智能駕駛車載激光雷達可分為機械式、混合式及全固態(tài)三類。目前智能駕駛應(yīng)用主流車載激光雷達為機械掃描式雷達，因其體積大、功耗大，特別是成本遠遠超出了智能駕駛商業(yè)化預(yù)期，自然成為人們重點關(guān)注和致力研究解決的焦點問題，也由此形成了以掃描技術(shù)為核心的車載激光雷達小型化、固態(tài)化技術(shù)研究趨勢。除機械式雷達外，混合式車載激光雷達已開始應(yīng)用于智能駕駛解決方案中，全固態(tài)車載激光雷達仍處于研發(fā)初期階段。在應(yīng)用算法開發(fā)方面，針對高掃描頻率與分辨率的車載激光雷達每秒產(chǎn)生的百萬計點云數(shù)據(jù)，點云處理算法多種多樣，它們都是建立在應(yīng)用開發(fā)者選取的不同應(yīng)用場景之上，特性各有優(yōu)劣，尚不存在完美的統(tǒng)一算法，但應(yīng)用算法研究追求的目標是相同的，就是要在有效處理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上不斷追求實時性與高精度，以便為智能駕駛系統(tǒng)的控制與決策提供有效的技術(shù)支撐。本文將圍繞車載激光雷達關(guān)鍵技術(shù)，特別是以掃描方式的變革為核心進行重點闡述，分析現(xiàn)有激光雷達掃描技術(shù)的類型、實現(xiàn)方法及發(fā)展趨勢；總結(jié)現(xiàn)有車載激光雷達應(yīng)用算法的發(fā)展以及由基礎(chǔ)算法的集成衍生出的前沿熱門技術(shù)。機械式車載激光雷達是指通過機械旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)激光掃描的車載激光雷達。其中，激光發(fā)射部件在豎直方向上排布成激光光源線陣，并可通過透鏡在豎直面內(nèi)產(chǎn)生不同指向的激光光束；在步進電機的驅(qū)動下持續(xù)旋轉(zhuǎn)，豎直面內(nèi)的激光光束由“線”變成“面”，經(jīng)旋轉(zhuǎn)掃描形成多個激光“面”，從而實現(xiàn)探測區(qū)域內(nèi)的3D掃描。機械式車載激光雷達是最早應(yīng)用于智能駕駛的激光雷達產(chǎn)品，時至今日憑借其原理簡單、易驅(qū)動、易實現(xiàn)水平360°掃描等優(yōu)點仍被廣泛應(yīng)用于智能駕駛實驗測試車上。盡管機械式車載激光雷達探測性能優(yōu)越、技術(shù)成熟，是當前的主流，但其高昂的成本和較短的使用壽命卻使其無法實現(xiàn)車規(guī)級量產(chǎn)。機械式車載激光雷達內(nèi)部結(jié)構(gòu)精密，零件數(shù)多、組裝工藝復雜、制造周期長，因此生產(chǎn)成本居高不下。HDL-64E售價高達8萬美元，VLS-128售價雖尚未公開，但可想而知必定更加昂貴。機械式車載激光雷達內(nèi)部含有大量可動部件，易受車輛振動影響，在行車環(huán)境下磨損嚴重，長期使用可靠性差。如今機械式傳感器平均失效時間為1000-3000小時，而汽車廠商的要求是至少13000小時。此外，機械式激光雷達還存在接受光窗數(shù)值小、信噪比低等缺點。圖2.左：著名64線機械式激光雷達威力登HDL-64E；右：威力登2017年提出的128線激光雷達VLS-128圖片引用自“Velodyne正式推出128線激光雷達VLS-128，探測距離300米，分辨率是上一代10倍”為降低車載激光雷達的生產(chǎn)成本，增加其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時保證其較好的探測性能，混合式車載激光雷達和全固態(tài)車載激光雷達應(yīng)運而生。落地生產(chǎn)并在智能駕駛解決方案中初步推廣應(yīng)用的主要是混合固態(tài)激光雷達，具有實用性的全固態(tài)激光雷達產(chǎn)品仍在研發(fā)中。混合式車載激光雷達將微機電系統(tǒng)（MicroelectromechanicalSystem，MEMS）與振鏡結(jié)合形成MEMS振鏡，通過振鏡旋轉(zhuǎn)完成激光掃描，一般稱為MEMS車載激光雷達。其發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，驅(qū)動電路驅(qū)動激光器產(chǎn)生激光脈沖同時驅(qū)動MEMS振鏡旋轉(zhuǎn)，激光在旋轉(zhuǎn)振鏡的反射下實現(xiàn)掃描，經(jīng)發(fā)射光學單元準直后出射。MEMS車載激光雷達將機械結(jié)構(gòu)進行微型化、電子化的設(shè)計，避免了機械式激光雷達那樣整體大幅度的旋轉(zhuǎn)，有效降低了功耗和整個系統(tǒng)在行車過程中出現(xiàn)問題的幾率。由于其將主要部件運用芯片工藝生產(chǎn)，量產(chǎn)能力隨之提高，成本大幅降低，售價遠低于同等性能的機械式車載激光雷達。加之技術(shù)上容易實現(xiàn)，因此是當下呼聲最高、最有希望短期內(nèi)實現(xiàn)車規(guī)級量產(chǎn)的車載激光雷達。圖3MEMS車載激光雷達發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3StructureofMEMSvehicleLiDARtransmittingsystemMEMS車載激光雷達的不足之處在于MEMS振鏡機械掃描角度較小，需要增設(shè)角度擴大系統(tǒng)來實現(xiàn)大視場掃描。董光焰、Siepmann等采用正負透鏡組來擴大掃描角度，使掃描范圍增大到40°以上。李啟坤等提出一種基于2DMEMS鏡的激光雷達，通過16高速光開關(guān)分時給6個水平探測角度為60°子系統(tǒng)提供光信號，實現(xiàn)360°水平方向全掃描，但該雷達有效探測距離僅限于一百米以內(nèi)。全固態(tài)車載激光雷達，完全取消了機械掃描結(jié)構(gòu)，水平和垂直方向的激光掃描均通過電子方式實現(xiàn)；相比于仍保留有“微動”機械結(jié)構(gòu)的MEMS激光雷達來說，電子化的更加徹底。由于其內(nèi)部沒有任何宏觀或微觀上的運動部件，可靠性高、耐持久使用，系統(tǒng)整體體積縮小。主要包括光學相控陣（OpticalPhasedArray，OPA）車載激光雷達和閃光（Flash）型車載激光雷達兩種。OPA車載激光雷達采用光學相位控制陣列技術(shù)實現(xiàn)激光掃描。相位控制陣列由電光掃描單元排列而成，在特定電壓的作用下，各單元將發(fā)射出具有特定相位和光強的光波；調(diào)節(jié)各發(fā)射光波之間的相位關(guān)系，可使其在某一特定方向上產(chǎn)生相互加強的干涉，從而產(chǎn)生具有一定指向性的高強度光束；相控陣單元將按程序設(shè)計，在各設(shè)定方向上依次產(chǎn)生高強度光束，從而達到光束掃描的效果。2016年美國國際消費類電子產(chǎn)品展覽會(InternationalConsumerElectronicsShow，簡稱CES)上，Quanergy推出的全球款專為智能駕駛汽車設(shè)計的固態(tài)激光雷達S3即為OPA固態(tài)激光雷達，商家聲稱該產(chǎn)品成本低至200美元，只有手掌大小，探測距離150米，角分辨率高達0.02°，水平視場為120°。但S3至今尚未發(fā)售，在智能駕駛解決方案中的實際應(yīng)用案例無從查詢，隨車使用時能否達到介紹的效果也不得而知。目前用于實現(xiàn)電光掃描的主要材料有：液晶、光波導（鈮酸鋰晶體、GaAs等）、PLZT壓電陶瓷、鐵電疇、光纖光柵。各種材料使用時的相關(guān)參數(shù)如表1所示，可以看出，PLZT壓電陶瓷、鐵電疇與光纖光柵的驅(qū)動電壓都很高，液晶與光波導材料（鈮酸鋰晶體、GaAs）的驅(qū)動電壓則較低。由于車載系統(tǒng)難以提供較高的驅(qū)動電壓，因此目前車載激光雷達中主要應(yīng)用的電光材料為液晶與光波導。表1不同材料用于光學相控陣激光掃描時的參數(shù)對比Table1ParametersofdifferentmaterialsusedinopticalphasedarraylaserscanningOPA車載激光雷達掃描速度快，可達MHz量級以上；可控性好，可對目標區(qū)域進行高密度掃描而對其他區(qū)域進行稀疏掃描；成本低，售價在幾百到幾千美元不等，遠低于同等性能的機械式和混合式車載激光雷達。目前制約OPA車載激光雷達實現(xiàn)車規(guī)級量產(chǎn)的原因首先在于其易形成旁瓣、影響光束作用距離和角分辨率；其次在于其采用高精度集成的微陣列芯片式設(shè)計，制作工藝難度高。Flash型車載激光雷達屬于非掃描式激光雷達，運行時直接發(fā)射出一大片覆蓋探測區(qū)域的激光，隨后由高靈敏度接收器陣列計算每個像素對應(yīng)的距離信息，從而完成對周圍環(huán)境的繪制。Flash型激光束直接向各個方向漫射，只要一次快閃便能照亮整個場景，因此能快速記錄環(huán)境信息，避免了掃描過程中目標或激光雷達移動帶來的運動畸變。目前其無法用于智能駕駛汽車的原因在于其探測距離小，當探測目標距離過大時返回的光子數(shù)有限，導致探測精度降低，無法準確感知目標方位。2016年美國亞德諾半導體公司發(fā)表的相關(guān)專利中提出通過將視角分段、將激光器與探測器分組的方法緩解上述問題。2017年左右，美國PrincetonLightwave公司推出了Flash3D激光雷達產(chǎn)品GeigerCruizer，該產(chǎn)品中使用了單光子雪崩二極管這種高敏感度傳感器，在合適的頻率一個光子就能將其激活，這使得GeigerCruizer感知距離超過300米且符合人眼安全要求。根據(jù)其官網(wǎng)公布的測試視頻可見，近至50米處的飛盤，遠到350米處高速公路上以時速60公里行駛的汽車均在其快閃時成像；近處目標的3D點云成像較為完善，遠處目標的3D點云成像則有一定程度的缺失。高效的應(yīng)用算法對車載激光雷達充分實現(xiàn)探測性能至關(guān)重要，因此業(yè)界越來越多的人認為智能駕駛汽車最終將成為一個“軟件產(chǎn)品”。為及時準確感知周圍環(huán)境，跟蹤并識別障礙物、完成智能駕駛汽車定位和行駛路徑規(guī)劃，保證其安全、高效的行駛，車載激光雷達的數(shù)據(jù)處理應(yīng)滿足實時、穩(wěn)定、高精度的要求。現(xiàn)有車載激光雷達應(yīng)用算法都具有不同程度的局限性，首先，算法可靠性和實時性相互制約，二者難以同時滿足；其次，算法多為針對某一特定場景開發(fā)，難以保證可移植性和穩(wěn)定性。場景的復雜性和多樣性使得算法的研究異彩紛呈，呈現(xiàn)出多層次、多角度的多元組合態(tài)勢。車載激光雷達應(yīng)用算法可分為3類：點云分割算法、目標跟蹤與識別算法、即時定位與地圖構(gòu)建算法（SimultaneousLocalizationAndMapping，SLAM），如表2所示。各類算法的合理選擇使用將解決不同場景下的智能駕駛問題，其中點云分割算法是目標跟蹤與識別的基礎(chǔ)，目標跟蹤與識別將實現(xiàn)對汽車周圍障礙物運動狀態(tài)和幾何特征的判斷，SLAM將實現(xiàn)汽車的精確定位與可通行路徑規(guī)劃。表2車載激光雷達應(yīng)用算法Table2VehicleLidarApplicationAlgorithm綜上分析可見，隨著全球智能駕駛進入產(chǎn)業(yè)化與商業(yè)化的準備期，車載激光