收藏本站 劰载中...网站公告 | 吾爱海洋论坛交流QQ群:835383472

激光+雷达,了解无人驾驶,从这个核心部件开始,都是干货 - 大连黄渤海海洋测绘数据信息有限公司 数模

[复制链接]
; B( H+ Y! a0 j9 m- S0 I

激光雷达全面分析总共四篇,本文为基础篇,包含雷达相关知识,激光雷达的介绍,工作原理,核心部件,技术指标。第二篇为技术篇,之后两篇是市场篇以及产业篇,欢迎关注。

) q! y" ?# i7 x" o* U* r

1. 原理简单,毫米波/激光/超声波

8 Q1 }; P0 p( A I8 `4 v2 \& M

介绍激光雷达之前,先了解雷达。

0 }% @3 \) p/ F6 v, K% W! w

雷达,是英文“Radar”的音译,英文全称为Radio Detection and Ranging,即无线电探测和测距。

) H. o; d/ R- z

雷达向目标发射无线电波,通过发送信号与目标反射信号进行对比,来获得目标至发射点距离、距离变化率、方位、高度以及角度等信息。

1 y, N- r( [: j3 M$ x+ C( R8 e3 x6 \

按照发射电波的频率或波长,雷达主要有以下应用:

+ k" c- V% o; ?3 F. h! G4 i% T: `
/ D+ t3 v; [5 p% @; y9 K

雷达发明于19世纪,直到20世纪30年代初才开始流行,在二战时期声名鹊起。

/ k) _: o& Y: M. e7 x

1938年,盟军在英国泰晤士河口布置了200公里长的雷达网,给希特勒造成极大的威胁。随后,英国海军又将雷达安装在军舰上,在海战中发挥了重要作用。

& F" }2 N7 z7 P& i% E& i5 T
( O7 }+ a9 G5 X( }, b& d8 W5 g

雷达不仅运用在军事上,还可用于探测天气,海洋测绘,民用飞机航空管制,查找地下20米深处的古墓等。

" ?6 W m2 o: [: C9 o3 O$ I

虽然各种雷达的用途和结构不尽相同,但基本构造是一样的,简单来说都包括:发射器、接收器机和处理器。

5 J2 T" x C" o6 T3 E

雷达发射无线电波,事实上,不论无线电波,还是我们平时看到的可见光,在本质上都是电磁波,在真空中传播的速度都是光速。

0 v* Y, l4 d( W8 e1 A" `

下图为电磁波图谱:

2 q" e) F3 Z. s9 T N
, W; j* o9 I/ J

根据公式:光速= 波长 * 频率,频率越高,波长越短。波长越短,意味着分辨率越高;而分辨率越高,意味着在距离、速度、角度上的测量精度更高。

$ o) z: I: X# ~6 s8 `

目前应用于汽车无人驾驶的雷达主要有三种:

& k; Y( v4 e" {& p( F9 |

1. 介于微波和红外线之间,频率范围10GHz—200GHz,波长为毫米级,毫米波雷达;

/ e9 p; a3 [- J. ^$ L

2. 介于红外线和可见光之间,频率大致为10^14Hz(100000GHz),波长为纳米级,本文的主角——激光雷达;

3 D7 M2 I5 z7 o( x. v4 Y; a: I

3. 频率高于20000Hz的超声波雷达;

$ s$ v: L* B3 y# w, B V

需要指出的是,毫米波和激光属于电磁波一种,是电磁场的一种运动形态;而超声波属于声波,是物体机械振动状态的传播,超声波振动频率大于20000Hz,一般人耳听不到。

0 ]7 ]; ]" l6 H5 D2 w

无论是普通雷达,激光雷达,毫米波雷达,或者超声波雷达,其工作原理都是一样的,发出信号,测量从物体反射回来的时间,由于光速恒定,因此可以通过测量时间来计算距离。这一物理学基础在过去一个世纪中并没有改变。

0 Z( T- l- Y( ~7 u# c
5 S# b$ p% v4 r$ Z& A4 z" K/ `

2. 最大优势:三维点云建模

! R8 p9 G8 d2 f$ `# V a) g7 K

了解了雷达之后,开始介绍激光雷达。

" C2 b8 n( Q$ C$ P8 L4 R

激光雷达(英文Lidar),英文全称为Laser Detecting and Ranging,即激光探测和测距。

" O6 J' A' `# R( N

与雷达工作原理类似,激光雷达通过发射和接收激光束。

* I) S) X- e. N% {$ q$ Y* I6 X0 h

通过测量激光信号的时间差和相位差来确定距离,通过水平旋转扫描来测角度,并根据这两个参数建立二维的极坐标系,再通过获取不同俯仰角度信号获得三维中的高度信息。

0 H+ k; \* E! r7 k4 y! ?

高频激光可在一秒内获取大量(约150万个)的位置点信息(称为点云),并根据这些信息进行三维建模。

8 x' c9 W9 U0 \
' C- a. x4 s* p+ m- R0 X

除了获得位置信息外,激光信号的反射率可以区分目标物质的不同材质。激光雷达的维度(线束)越多,测量精度越高。

: i% S: }" x. P+ |0 U

由于激光频率高,波长短,所以可以获得极高的角度、距离和速度分辨率。

8 i& z5 ~ g2 x# d7 f" }% \( g& r

距离和速度分辨率高,意味着可以利用多谱勒成像技术,创建出目标清晰的3D图像,这就是激光雷达最大的优势。

% O7 T8 { S* C

在激光问世的第二年(1961年),就有人提出了激光雷达的设想,在1971年阿波罗15号任务中,美国宇航员使用激光高度计来绘制月球表面,让人们认识到激光雷达的准确性和实用性,得到了广泛的关注。

4 b, e2 c# h+ g) C( Y

世界第一款汽车用激光雷达是美国Velodyne公司生产的64线激光雷达,首次亮相于2005年无人驾驶挑战赛。

- D" _5 b* @* E [
2 F3 }! f" p3 D8 o" x3 n3 m

3. 工作原理和组成:四大系统,八个指标

; z7 T9 q$ R1 I- I8 s

激光雷达 = 激光发射+激光接收+信息处理+扫描系统

. ` Y0 v0 N( l' n: G

下图所示为激光雷达系统组成:

; \5 A, S- k% `0 P6 }8 D
) W) E! |9 ^ m" X; o

激光发射系统:激励源周期性地驱动激光器,发射激光脉冲,激光调制器通过光束控制器控制发射激光的方向和线数,最后通过发射光学系统,将激光发射至目标物体;

$ {2 [8 G' f5 c, F

激光接收系统:经接收光学系统,光电探测器接受目标物体反射回来的激光,产生接收信号;

J& H% g5 M' z6 i

信息处理系统:接收信号经过放大处理和数模转换,经由信息处理模块计算,获取目标表面形态、物理属性等特性,最终建立物体模型。

y0 V/ `/ T6 P" B+ B& q

扫描系统,以稳定的转速旋转起来,实现对所在平面的扫描,并产生实时的平面图信息。

- F0 g& B" c4 {; T

下面放一张动图,更加形象生动:

7 N' g# }) ~, z) X! X
# {1 ~9 S! }# e ^! }

下图为激光雷达的核心器件,除了光学镜片之外,大部分都为电子元器件。

* x- e2 W- [7 y: Y! X G; h
! i, p m* F" g" o* q

激光雷达实物具体什么样?

, x7 ^7 ^6 X2 v2 d

下图为Velodyne公司的64线激光雷达HDL_64E。

5 c( D5 E( I5 l0 h5 t
6 Z' e" f3 c9 w! G4 ^3 Z7 K* `. z

该雷达前端上下分布有四组激光发射器(每组16个发射机,共64个)和两组激光接受器(每组32个激光接收机,对应64个)。

/ J( T! a" @$ V& O* q: q

在电路的控制下,发射机和接收机按照时间顺序轮流工作,在水平和俯仰方向形成光学扫描。

" ]" B# j$ R3 ?, T* c

一般来说,用以下八个技术指标来评价激光雷达:

最大辐射功率:决定是否需要防护水平视场:是否360度全视角旋转垂直视场:俯仰角角度(30度/15度)光源波长:光学参数(纳米级别)测量距离:是否满足长距离探测(200米)测量时间和帧频率:激光返回一圈的时间纵向和水平分辨率:对算法影响大,精度越高越贵测距精度:厘米级
D% m1 R8 v2 g5 o: M

(下一篇技术篇,包括激光雷达的分类,关键技术以及主要挑战,敬请期待)

6 n4 ^. ?! n: D4 C* k: h4 ]

本文为“汽车人参考”原创,如果您觉得文章不错,转发此文,关注“汽车人参考”是对我们最大的支持。

+ H( G. S; m0 {% L0 {# y+ B * \+ B/ o8 x- p) ^7 h* ?" Z& x% V$ T$ D3 Q# | & ~9 `" J3 A7 x: A6 U4 y + r1 i1 h' Y q; g3 _7 T/ J
回复

举报 使用道具

相关帖子

全部回帖
暂无回帖,快来参与回复吧
懒得打字?点击右侧快捷回复 【吾爱海洋论坛发文有奖】
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册
张进国
活跃在9 小时前
快速回复 返回顶部 返回列表