关于激光雷达调研

一、激光雷达

​ 激光雷达,也称光学雷达(LIght Detection And Ranging)是激光探测与测距系统的简称,它通过测定传感器发射器与目标物体之间的传播距离,分析目标物体表面的反射能量大小、反射波谱的幅度、频率和相位等信息,从而呈现出目标物精确的三维结构信息。

1.1 LiDAR的结构

激光雷达主要包括激光发射、接收、扫描器、透镜天线和信号处理电路组成。激光发射部分主要有两种,一种是激光二极管,通常有硅和砷化镓两种基底材料,再有一种就是目前非常火热的垂直腔面发射(VCSEL)(比如 iPhone 上的 LiDAR),VCSEL 的优点是价格低廉,体积极小,功耗极低,缺点是有效距离比较短,需要多级放大才能达到车用的有效距离。

激光雷达主要应用了激光测距的原理,而如何制造合适的结构使得传感器能向多个方向发射激光束,如何测量激光往返的时间,这便区分出了不同的激光雷达的结构。

1.1.1 机械式

以 Velodyne 2007年推出了一款激光雷达为例,它把 64 个激光器垂直堆叠在一起,使整个单元每秒旋转许多次。发射系统和接收系统存在物理意义上的转动,也就是通过不断旋转发射器,将激光点变成线,并在竖直方向上排布多束激光发射器形成面,达到 3D 扫描并接收信息的目的。

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1.1.2 混合固态式

​ MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)微机电系统,利用微电子机械系统的技术驱动旋镜,反射激光束指向不同方向。混合固态激光雷达的优点包括了:数据采集速度快,分辨率高,对于温度和振动的适应性强;通过波束控制,探测点(点云)可以任意分布,例如在高速公路主要扫描前方远处,对于侧面稀疏扫描但并不完全忽略,在十字路口加强侧面扫描。而只能匀速旋转的机械式激光雷达是无法执行这种精细操作的。

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1.1.3 光学相控阵式(OPA)

相控阵发射器由若干发射接收单元组成阵列,通过改变加载在不同单元的电压,进而改变不同单元发射光波特性,实现对每个单元光波的独立控制,通过调节从每个相控单元辐射出的光波之间的相位关系,在设定方向上产生互相加强的干涉从而实现高强度光束,而其他方向上从各个单元射出的光波彼此相消。组成相控阵的各相控单元在程序的控制下可使一束或多束高强度光束按设计指向实现空域扫描。

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1.1.4 泛光面阵式(FLASH)

泛光面阵式是目前全固态激光雷达中最主流的技术,其原理也就是快闪,它不像 MEMS 或 OPA 的方案会去进行扫描,而是短时间直接发射出一大片覆盖探测区域的激光,再以高度灵敏的接收器,来完成对环境周围图像的绘制。

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​ 固态3D激光雷达内无旋转部件所以寿命比较长,同时采用无重复路径的扫描模式,可以减少盲区,因此利用固态3D激光雷达进行SLAM逐渐成为一种趋势,但是固态3D激光雷达的扫描角有限、扫描路径不重复,这些都会对位姿的求解带来一定的难度。

如下图所示,分别展示了 MID-40、Avia 傲览、HAP 三款雷达的扫描图案,三者均为非重复扫描方式,前两者扫描区域接近圆形,后者扫描区域接近矩形;其中,HAP[2] 是对原 Horizon 产品线的取代。

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1.2 硬件参数

1.2.1 视场角与分辨率

​ 激光雷达视场角分为水平视场角和垂直视场角,水平视场角即为在水平方向上可以观测的角度范围,旋转式激光雷达旋转一周为 360°,所以水平视场角为 360°。垂直视场角为在垂直方向上可以观测的角度,一般为 40°。而它并不是对称均匀分布的,因为我们主要是需要扫描路面上的障碍物,而不是把激光打向天空,为了良好的利用激光,因此激光光束会尽量向下偏置一定的角度。并且为了达到既检测到障碍物,同时把激光束集中到中间感兴趣的部分,来更好的检测车辆,激光雷达的光束不是垂直均匀分布的,而是中间密,两边疏。下图是禾赛 64 线激光雷达的光束示意图,可以看到激光雷达的有一定的偏置,向上的角度为 15°,向下的为 25°,并且激光光束中间密集,两边稀疏。

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1.2.2 点频

​ 即周期采集点数,因为激光雷达在旋转扫描,因此水平方向上扫描的点数和激光雷达的扫描频率有一定的关系,扫描越快则点数会相对较少,扫描慢则点数相对较多。一般这个参数也被称为水平分辨率,比如激光雷达的水平分辨率为 0.2°,那么扫描的点数为 360°/0.2°=1800,也就是说水平方向会扫描 1800 次。

​ 那么激光雷达旋转一周,即一个扫描周期内扫描的点数为 1800*64=115200。比如禾赛 64 线激光雷达,扫描频率为 10Hz 的时候水平角分辨率为 0.2°,在扫描频率为 20Hz 的时候角分辨率为 0.4°(扫描快了,分辨率变低了)。输出的点数和计算的也相符合 1152000 pts/s。

二、选购对比

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2.1 优缺点

固态激光雷达

优点:结构简单,尺寸小,无需旋转部件,在结构和尺寸上可以大大压缩,提高使用寿命并使其成本降低。

缺点:视场角小,固态意味着激光雷达不能进行360度旋转,只能探测前方。因此要实现全方位扫描,需在不同方向布置多个(至少前后两个)固态激光雷达。扫描路径不重复

机械式旋转激光雷达

优点:扫描范围全覆盖360度,价格便宜,扫描路径重复。

缺点:工作时由于旋转会发生震动

三、关于Hypersen固态激光雷达

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官网提供SDK供用户二次开发,不足之处就是视场角较小,如需多角度全方位需要购买多个激光雷达,支持多机协作。现有的开源SLAM程序基于机械式激光雷达。固态3D激光雷达与机械式激光雷达不同,扫描角有限、扫描路径不重复,这些都与机械式激光雷达不同,会对位姿的求解带来一定的难度。针对这些问题,需要自己研究激光里程计估计方法,改进对应的特征提取方法、点云配准方法等等。

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