本文編譯自Voyage，作者是Oliver Cameron，他是Udacity前副主席，創(chuàng)辦了自動(dòng)駕駛公司Voyage，并任職CEO。Voyage已經(jīng)取得了加州車(chē)輛管理局(DMV)的路測(cè)許可，是無(wú)人駕駛領(lǐng)域的新星。該文詳細(xì)介紹了激光雷達(dá)作為無(wú)人駕駛關(guān)鍵核心零部件的重要性和原理。

 

　　圖：voyage

最近，我們?cè)赩oyage 上分享了一些關(guān)于Homer的新聞，它可是我們的第一輛無(wú)人駕駛出租車(chē)。為了更好地來(lái)實(shí)現(xiàn)理解和導(dǎo)航的目的，我們給Homer配備了全方位的傳感器，而其中起關(guān)鍵作用的就是LIDAR（激光雷達(dá)）。而在接下來(lái)的這篇文章中，你將會(huì)了解更多有關(guān)LIDAR的信息——它在無(wú)人駕駛汽車(chē)領(lǐng)域的起源，以及它是如何與其他傳感器堆疊的。好吧，我已經(jīng)迫不及待地想和你們分享了……

　　
“超能力”

　　
LIDAR可以使無(wú)人駕駛汽車(chē)（或任何機(jī)器人）能夠用一些“超能力”來(lái)觀察世界：

　　
持續(xù)360度的能見(jiàn)度：想像一下，如果人類(lèi)的眼睛可以全天候的看到四面八方。

　　
精準(zhǔn)的深度信息：假設(shè)，而不是猜測(cè)，你總是可以知道與你相關(guān)的物體的精確距離（精度為±2cm）。

　　
如果你曾經(jīng)看到過(guò)一輛無(wú)人駕駛汽車(chē)，那么，你很有可能已經(jīng)看到了一個(gè)LIDAR傳感器。通常，它就是一個(gè)安裝在車(chē)頂上并在不斷旋轉(zhuǎn)的大塊頭盒子。就像下圖中，在百度無(wú)人駕駛汽車(chē)上的那樣。

　　圖：百度研究院

市場(chǎng)上最受歡迎的LIDAR傳感器之一是高功率Velodyne HDL-64E傳感器。下圖就是安裝在Homer上的Velodyne HDL-64E傳感器。

 

　　圖：voyage

LIDAR如何工作的？

　　
一個(gè)具有360度視覺(jué)和準(zhǔn)確深度信息的傳感器是如何工作的呢？簡(jiǎn)單地說(shuō)：激光雷達(dá)傳感器不斷地發(fā)射出激光光束，然后測(cè)量出光線返回傳感器所需要的時(shí)間。

 

通過(guò)每秒發(fā)射數(shù)百萬(wàn)光束，來(lái)自LIDAR傳感器的測(cè)量能夠?qū)崿F(xiàn)真正3D世界的可視化。通過(guò)它，你可以推斷出你周邊任何物體的精確測(cè)量值（可高達(dá)約60m，這取決于你選擇的傳感器）

　　激光雷達(dá)的簡(jiǎn)史

如果你想要了解為什么如今的激光雷達(dá)工具受到那么多的擁護(hù)和支持，那么，很重要的一點(diǎn)就是要看看其他有著類(lèi)似目標(biāo)的類(lèi)似技術(shù)。

　　
·聲納

　　
可以這樣說(shuō)，最原始的深度感知機(jī)器人是蝙蝠（5000萬(wàn)年前?。ｒ穑ɑ蚝ｋ嗟龋┠軌蚴褂没芈暥ㄎ粊?lái)執(zhí)行與LIDAR相同的功能，也稱為聲吶（聲音導(dǎo)航和測(cè)距）。聲納使用聲波來(lái)測(cè)量距離，而不是像LIDAR那樣測(cè)量光束。

　　
歷經(jīng)5000萬(wàn)年的生物排他性，隨著潛艇戰(zhàn)爭(zhēng)的到來(lái)，第一次世界大戰(zhàn)推進(jìn)了人造Sonar傳感器首次大規(guī)模部署的時(shí)間表。聲納在水中表現(xiàn)非常出色，在水中，聲音的傳播要比光或無(wú)線電波更好（這個(gè)我們稍后詳細(xì)介紹）。而目前，聲納傳感器主要用于汽車(chē)行業(yè)，最主要的是以傳感器的形式。這些短距離（約5米）的傳感器能夠以便捷的方式了測(cè)量出你的車(chē)與后面墻之間的距離?？墒锹暭{沒(méi)有被證明能夠在無(wú)人駕駛汽車(chē)需求的種類(lèi)（60m以上的距離）上工作。

 

在這種情況下，蝙蝠既是發(fā)送者也是接收者

　　
·雷達(dá)

　　
雷達(dá)（無(wú)線電方向和范圍），和聲納一樣，這是在臭名昭著的世界大戰(zhàn)期間開(kāi)發(fā)的另一種技術(shù)（這是第二次世界大戰(zhàn)期間產(chǎn)生的）。它使用無(wú)線電波來(lái)測(cè)量距離，而不是使用光或聲波。我們?cè)贖omer上使用了很多雷達(dá)（德?tīng)柛鞲衅鳎?，這是一種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的方法，可以精確檢測(cè)和跟蹤距離物體的距離。下圖是部署在Homer上的雷達(dá)。

 

　　圖：voyage

　　
雷達(dá)沒(méi)有很多的缺點(diǎn)，它不僅在極端天氣條件下可以表現(xiàn)良好，而且價(jià)格區(qū)間比較合理。雷達(dá)不僅可以用于檢測(cè)物體，而且還可以追蹤它們（例如：追蹤汽車(chē)的行駛速度以及方位）。也許雷達(dá)并不會(huì)像LIDAR那樣給出那么多的細(xì)節(jié)，但雷達(dá)和激光雷達(dá)都是奉送的，而且他們之間絕對(duì)不是那種可以代替的關(guān)系。

　　
·LIDAR（激光雷達(dá)）

　　
激光雷達(dá)誕生于20世紀(jì)60年代，也就是在激光誕生之后。在1971年的阿波羅15號(hào)任務(wù)期間，宇航員繪制了月球表面的圖景，讓激光雷達(dá)在公眾面前首次亮了相，了解激光雷達(dá)可以用來(lái)做什么。

　　
在激光雷達(dá)被證實(shí)可以用于汽車(chē)和無(wú)人駕駛之前，激光雷達(dá)的受歡迎的用例之一是考古學(xué)。激光雷達(dá)為繪制大面積的土地提供了大量的價(jià)值，考古學(xué)和農(nóng)業(yè)都從中受益匪淺。

 

　　一個(gè)在空中拍攝的雷達(dá)地圖

　　
團(tuán)隊(duì)成員Steve Leisz教授告訴英國(guó)廣播公司，“當(dāng)激光雷達(dá)首次在 Angamuco中投入使用時(shí)，我們不知道這個(gè)地區(qū)有多大，它是不是包括建筑物和建筑物，或者它也許甚至是一座城市。”也許更令人驚訝的是，球隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)名為pok-ta-pok的中美洲游戲的球場(chǎng)，以及金字塔。“這是完全是一個(gè)驚喜，” Leisz說(shuō)——雷達(dá)考古學(xué)在未知領(lǐng)域閃閃發(fā)光。

　　
直到二十一世紀(jì)初，LIDAR才開(kāi)始被用于汽車(chē)領(lǐng)域，在2005年的大DARPA挑戰(zhàn)賽中，它因Stanley（以及后來(lái)的Junior）而聞名于世。

　　
2005年Grand DARPA挑戰(zhàn)賽的勝利者Stanley除了使用軍用級(jí)GPS、陀螺儀、加速度計(jì)和前置攝像機(jī)（視線可達(dá)80米以上）外，還采用了安裝在車(chē)頂上的5臺(tái)SICK LIDAR傳感器。所有這一切都是由坐在后備箱中的6臺(tái)1.6GHz Pentium Linux電腦支持的。

　　
SICK LIDAR（其在2005年的挑戰(zhàn)賽中占有重要地位）所面臨的主要挑戰(zhàn)是每次激光掃描基本上都是橫向切割，因此你必須在有針對(duì)性的指導(dǎo)下進(jìn)行操作。許多團(tuán)隊(duì)將它們安置在傾斜階段，以便使用它們“掃描”一段空間。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)：我們今天所知道的SICK是一個(gè)二維激光雷達(dá)（一個(gè)方向上的幾束光）與現(xiàn)代3D激光雷達(dá)（所有方向的多束光）。

　
Velodyne

 

　　圖：Velodyne

Velodyne長(zhǎng)久以來(lái)都是LIDAR的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者，但是最初他們沒(méi)有以這種方式為生。在1983年，Velodyne是以一家音響公司進(jìn)入大眾視野的，專(zhuān)門(mén)從事低頻聲音和低音炮技術(shù)。低音炮包含定制傳感器，DSP和定制DSP控制算法。在Stanley首次亮相的同時(shí)，Velodyne也成為我們今天所熟知的激光雷達(dá)公司。2004年，Velodyne創(chuàng)始人David和Bruce Hall首次以DAD團(tuán)隊(duì)（Digital Audio Drive）的名義進(jìn)入2004 DARPA比賽。在2005年的第二場(chǎng)比賽中，大衛(wèi)·霍爾（David Hall）為基于3D激光的實(shí)時(shí)系統(tǒng)發(fā)明了專(zhuān)利，為Velodyne當(dāng)前的LIDAR產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。2007年第三次DARPA挑戰(zhàn)，大多數(shù)團(tuán)隊(duì)使用這種技術(shù)作為其感知系統(tǒng)的基礎(chǔ)。David Hall的發(fā)明現(xiàn)在已經(jīng)成為史密森尼史密斯（Simonsonian）作為實(shí)現(xiàn)自主駕駛的基礎(chǔ)性突破。

　　
LIDAR在無(wú)人駕駛汽車(chē)中的巨大前景

　　
為什么激光雷達(dá)能夠給無(wú)人駕駛汽車(chē)帶來(lái)騰飛？一句話：測(cè)繪。LIDAR允許你生成巨大的3D地圖（其原始應(yīng)用程序），然后你就可以預(yù)測(cè)內(nèi)部導(dǎo)航汽車(chē)或機(jī)器人。通過(guò)使用激光雷達(dá)來(lái)對(duì)環(huán)境進(jìn)行繪圖和導(dǎo)航，你可以提前知道一條通道的邊界，或者在500米前是否有停車(chē)標(biāo)志或交通信號(hào)燈。這種可預(yù)測(cè)性正是無(wú)人駕駛汽車(chē)所需要的技術(shù)，是過(guò)去5年來(lái)無(wú)人駕駛汽車(chē)取得進(jìn)步的重要原因。

 

·對(duì)象檢測(cè)

　　
由于激光雷達(dá)已經(jīng)變得具有更高分辨率并且可以在更長(zhǎng)的范圍內(nèi)運(yùn)行，所以在對(duì)象檢測(cè)和追蹤出現(xiàn)了新的用例。LIDAR地圖不僅可以準(zhǔn)確地知道你在世界上的位置，還可以幫你導(dǎo)航，與此同時(shí)，它也可以檢測(cè)和追蹤汽車(chē)、行人等障礙，并且，根據(jù)Waymo的消息，根據(jù)足球頭盔也是可以進(jìn)行檢測(cè)和追蹤的。

　　
現(xiàn)代激光雷達(dá)使你可以區(qū)分一個(gè)人是在騎自行車(chē)還是在步行，甚至可以檢測(cè)出他的行駛速度以及前行的方向。

 

　　
這真是驚人的導(dǎo)航能力，可預(yù)測(cè)性和高分辨率—對(duì)象追蹤的結(jié)合意味著LIDAR是今天無(wú)人駕駛汽車(chē)中的關(guān)鍵傳感器，很難去想象那個(gè)主控因素發(fā)生改變，除非……

　　
攝像頭驅(qū)動(dòng)的無(wú)人駕駛

　　
有一些初創(chuàng)公司在那里使用純攝像機(jī)（也可能是雷達(dá)）解決無(wú)人駕駛駕駛汽車(chē)的問(wèn)題，而沒(méi)有將激光雷達(dá)考慮在內(nèi)。特斯拉便是這類(lèi)人中最大的一個(gè)，而Elon Musk反復(fù)強(qiáng)調(diào)，如果人類(lèi)用眼睛、耳朵和大腦來(lái)感知和瀏覽世界，那為什么汽車(chē)不可以呢？我肯定這種做法會(huì)取得令人驚喜的結(jié)果，特別是其他有才華的團(tuán)隊(duì)都在為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而不懈努力著，這其中就包括Comma和AutoX。

　　
值得注意的一點(diǎn)是，特斯拉有一個(gè)有趣的約束，這可能影響他們的決策：規(guī)模。特斯拉希望不久能夠在一年內(nèi)生產(chǎn)出50萬(wàn)輛汽車(chē)，而且迫不及待地希望LIDAR明天就能降低成本（或者制造成本），真希望這個(gè)在昨天就發(fā)生了！

　　
激光雷達(dá)的未來(lái)

　　
這個(gè)行業(yè)正在向前邁進(jìn)，著重點(diǎn)在于：成本在降低，分辨率和范圍在增加。

　　
·成本降低

　　
固態(tài)激光雷達(dá)開(kāi)辟了低于1K美元強(qiáng)大的激光雷達(dá)裝置的潛力，而這個(gè)在今天可能每單位需要高達(dá)80k美元。LeddarTech是這個(gè)早期市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者之一。

　　
這是Velodyne所講述的有關(guān)固態(tài)（solid-state）激光器的觀點(diǎn)：

　　
固態(tài)激光，由你希望以盡可能低的成本獲得最小尺寸的嵌入式傳感器驅(qū)動(dòng)的固定傳感器。當(dāng)然，這也意味著你有一個(gè)較小的視野。而Velodyne是同時(shí)支持固定和環(huán)繞視圖傳感器的。固定傳感器被小型化以便為了更好的嵌入。從成本的角度來(lái)看，它們都包含透鏡、激光和檢測(cè)器。最低成本系統(tǒng)實(shí)際上是通過(guò)環(huán)繞視圖傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)椴粩嗟男D(zhuǎn)可以在整個(gè)視野范圍內(nèi)重新使用鏡頭、激光和檢測(cè)器。這種重復(fù)使用既是最經(jīng)濟(jì)的，也是最強(qiáng)大的，因?yàn)樗梢詼p少與實(shí)時(shí)合并不同觀點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的誤差——這是當(dāng)車(chē)輛正在快速移動(dòng)時(shí)真正計(jì)數(shù)的。

　　
·分辨率和范圍增加

　　
LIDAR申請(qǐng)數(shù)量的巨大增長(zhǎng)帶來(lái)了在這一領(lǐng)域的創(chuàng)業(yè)公司的大量有才華的創(chuàng)始人和團(tuán)隊(duì)。更高的分辨率輸出和增加的追蹤范圍（在某些情況下為200m）將提供更好的對(duì)象識(shí)別和追蹤，而這是與像Luminar這樣的創(chuàng)業(yè)公司的傳感器的關(guān)鍵區(qū)別之一。

　　
Voyage下注了激光雷達(dá)。我們喜歡它帶來(lái)的所有好處，相信生態(tài)系統(tǒng)將會(huì)及時(shí)降低成本，因?yàn)槲覀冃枰獢U(kuò)大自主的出租車(chē)服務(wù)。如果你是LIDAR的創(chuàng)業(yè)公司，并且想要測(cè)試你的傳感器，我們很樂(lè)意成為你的第一批客戶之一。