什么是激光雷達(dá)？為什么說它是自動駕駛汽車的“眼睛”？它有哪些主要應(yīng)用？又面臨哪些機會和挑戰(zhàn)？Comet Labs合伙人Adam Kell用通俗的語言和大量實例解答了上述問題。
二、什么是激光雷達(dá)
三、激光雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用
激光雷達(dá)系統(tǒng)已經(jīng)找到了他們被應(yīng)用于人形機器人的方式——比如波士頓動力的這個機器人：
除了機器人頭部的激光雷達(dá)系統(tǒng)之外，這個機器人還使用其他傳感器，比如用光學(xué)相機來掃描類二維碼。
四、激光雷達(dá)面臨的機遇與挑戰(zhàn)
一、一個形象的比喻
想象一下，你站在一個黑暗的房間里，你能感覺到周圍環(huán)境的唯一方式是伸出棍子觸碰物體。 首先，你徑直向前伸出棍子，棍子在伸出12英尺后撞擊到一個堅實的物體。 然后你向右伸出棍子，伸出8英尺后停止。接下來試試你的左邊，有12英尺。最后，在你的后方，棍子伸出了18英尺。于是，即使你看不到任何東西，也不移動身體，你也能獲得一些關(guān)于房間的信息。
如果你在不同的方向重復(fù)幾百或幾千次這樣子動作（并且記憶力極強），你將能夠根據(jù)物體和你的距離大致了解這個屋子的全貌。
圖1 針對一間屋子的墻的二維掃描
如果向上或向下傾斜棍子，你甚至能夠根據(jù)輪廓“看到”周圍的物體，如椅子和門。這些信息可以產(chǎn)生一個叫做“點云”的圖像，它是三維坐標(biāo)系中的一系列點。當(dāng)你擁有足夠多的點，就可以生成一個非常完整的基于點云的房間，像這樣：
圖2 針對墻和飲水機的三位掃描
二、什么是激光雷達(dá)
激光雷達(dá)（LIDAR，“光”和“雷達(dá)”的組合詞）是一種被設(shè)計用于快速構(gòu)建這些點云的傳感器。通過使用光來測量距離，激光雷達(dá)能夠非?？焖俚夭杉瘶狱c——每秒高達(dá)150萬個數(shù)據(jù)點。這個采樣率使得該技術(shù)能夠部署在自動駕駛車輛等應(yīng)用上。
工作原理
激光雷達(dá)測量光脈沖的飛行時間，進而能夠判斷傳感器和物體之間的距離。想象一下，當(dāng)發(fā)出光脈沖時啟動秒表，然后當(dāng)光脈沖（從遇到的第一個物體反射出來）返回時停止計時器。通過測量激光的“飛行時間”，并且知道脈沖行進的速度，就可以計算距離。光以每秒30萬千米的速度傳播，因此需要非常高精度的設(shè)備來產(chǎn)生關(guān)于距離的數(shù)據(jù)。
圖3 用激光當(dāng)“棍子”來測量距離
為了產(chǎn)生完整的點云，傳感器必須能夠非?？焖俚貙φ麄€環(huán)境進行采樣。激光雷達(dá)能夠做到這一點的一種方式是通過在單個發(fā)射器/接收器上使用非常高的采樣率。 每個發(fā)射器每秒發(fā)射數(shù)萬或數(shù)十萬個激光脈沖。這意味著，多達(dá)100000個激光脈沖在1秒內(nèi)完成從激光器單元上的發(fā)射器到被測量的物體的往返行程，并返回到激光雷達(dá)單元上位于發(fā)射器附近的接收器。較大的系統(tǒng)具有多達(dá)64個這樣的發(fā)射器/接收器（它被稱為“線”）。多線使系統(tǒng)能夠每秒產(chǎn)生超過一百萬個數(shù)據(jù)點。
然而，64個固定線不足以映射整個環(huán)境——它只是在非常集中的區(qū)域給出非常清晰的分辨率。 由于光學(xué)中所需的精度，制造更多的線是非常昂貴的，因此在線數(shù)超過64后繼續(xù)增加線數(shù)會使成本急劇增加。因此，許多激光雷達(dá)系統(tǒng)使用旋轉(zhuǎn)組件或旋轉(zhuǎn)鏡來使線圍繞環(huán)境進行360度掃描。常見的策略包括使單個發(fā)射器和接收器向上或下偏轉(zhuǎn)使激光器視野覆蓋范圍更大。 例如，Velodyne的64線激光雷達(dá)系統(tǒng)具有26.8度的垂直視角（通過旋轉(zhuǎn)使其擁有360的度水平視角）。這個激光雷達(dá)可以從50米開外看到一個12米高的物體的頂部。
下圖中可以看到，距離激光雷達(dá)的遠(yuǎn)近不同，點云的疏密程度也不相同，這是由于數(shù)據(jù)保真度隨著距離而下降。雖然它不是完美的，但是較高分辨率可用于較近的物體，因為隨著到傳感器的距離增加，發(fā)射器之間的角度（例如，2度）會導(dǎo)致這些點帶之間的間隔更大。
圖4 旋轉(zhuǎn)的多線激光雷達(dá)產(chǎn)生的點云
三、激光雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用
點云可用于再現(xiàn)景觀或環(huán)境的三維模型，一些應(yīng)用包括：
用于監(jiān)測侵蝕或其他變化的地質(zhì)測繪/成像
監(jiān)測農(nóng)作物和樹木的生長情況
為建筑項目做測量工作
對垃圾填埋場進行準(zhǔn)確的體積預(yù)測
最常見的應(yīng)用大概是一個激光雷達(dá)系統(tǒng)集成在一輛自動駕駛汽車上——例如Top Gear的一輛卡車使用激光雷達(dá)系統(tǒng)進行越野自主導(dǎo)航。
圖5 全速行駛的自動駕駛卡車
下面的片段中，你可以看到景物的點云，以及附加的功能（綠色的小方塊代表可以駛過的物體，如植物；紅色的小方塊代表不應(yīng)駛過的物體——如巖石，樹木和汽車）。其他一些軟件模塊也能對原始點云進行理解，并將障礙物分類。
圖6 全速行駛的自動駕駛卡車
激光雷達(dá)系統(tǒng)已經(jīng)找到了他們被應(yīng)用于人形機器人的方式——比如波士頓動力的這個機器人：
圖7 波士頓動力的Atlas
除了機器人頭部的激光雷達(dá)系統(tǒng)之外，這個機器人還使用其他傳感器，比如用光學(xué)相機來掃描類二維碼。
激光雷達(dá)應(yīng)用的另一個例子是水平安裝在無人機上的用于繪制地面等高圖的傳感器。來自激光雷達(dá)的點云數(shù)據(jù)與無人機自身的位置數(shù)據(jù)結(jié)合產(chǎn)生出了這些等高線。
圖8 搭載Phoenix Aerial系統(tǒng)的無人機對地面進行測繪
四、激光雷達(dá)面臨的機遇與挑戰(zhàn)
4.1 機遇
激光雷達(dá)在智能機器生態(tài)系統(tǒng)中有很多機遇。與使用二維圖像相比，點云能夠更容易的被計算機使用，用于構(gòu)建物理環(huán)境的三維形象——二維圖像是人腦最容易理解的數(shù)據(jù)，而對于計算機來說，點云是最容易理解的。
Scanse的一款價值250美元的名為“sweep”的二維激光雷達(dá)掃描器可在戶外使用，并專為移動、低功耗應(yīng)用而設(shè)計。它只用了競爭對手近四分之一的成本，這將給這類傳感器帶來全新的應(yīng)用（我們在很多其他類型的傳感器中已經(jīng)看到過這樣的現(xiàn)象）。 二維激光雷達(dá)也可以被搭載到另一個旋轉(zhuǎn)的元件上以產(chǎn)生環(huán)境中完整的三維點云。
圖9 Scanse的Sweep掃描的三維環(huán)境
其他公司正在尋求降低系統(tǒng)成本的其他策略，例如Quanergy的固態(tài)激光雷達(dá)。該系統(tǒng)大體與上文已介紹的系統(tǒng)相同，然而，與使用旋轉(zhuǎn)光學(xué)器件來移動光束不同的是，它們使用 “相控陣列光學(xué)系統(tǒng)”來引導(dǎo)激光脈沖的方向，它可以在某一方向上釋放一個激光脈沖，而讓下一個脈沖（1微秒之后）瞄準(zhǔn)視野中的其它地方。
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