什么是激光雷達(dá)視場(chǎng)角

作為落地智能駕駛感知的“最后一塊拼圖”，激光雷達(dá)憑借遠(yuǎn)距離、全天候等性能將成為未來(lái)智能駕駛的核心傳感器之一。從機(jī)載激光雷達(dá)向車(chē)載雷達(dá)跟進(jìn)，激光雷達(dá)制造商需要重新設(shè)計(jì)與排布元件，達(dá)到量產(chǎn)裝車(chē)的可能性。

我們?cè)谏弦黄趦?nèi)容為大家激光雷達(dá)的工作原理(傳送門(mén)：迎來(lái)前裝變革?解讀激光雷達(dá)的宿命之爭(zhēng))。

而這一期我們將圍繞激光雷達(dá)的產(chǎn)品特性，首先與其它傳感器做類(lèi)比，并結(jié)合其測(cè)距與定位應(yīng)用以及當(dāng)前激光雷達(dá)的車(chē)載性能表現(xiàn)，并最終對(duì)不同傳感器之間的融合做思考，為大家較為全面介紹如何評(píng)價(jià)一款激光雷達(dá)。

一、激光雷達(dá)與其它傳感器的對(duì)比思考：

上一期我們和大家聊到了激光雷達(dá)的工作原理、單線與多線激光雷達(dá)以及激光雷達(dá)的部分應(yīng)用場(chǎng)景。

而對(duì)于激光雷達(dá)更為直觀性能表現(xiàn)，我們可以進(jìn)一步看看其與普通傳感器的對(duì)比。

激光雷達(dá)、 毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)都利用主動(dòng)式發(fā)出波來(lái)完成對(duì)物體的監(jiān)測(cè)、測(cè)距并進(jìn)行數(shù)字分析，而攝像頭則是基于環(huán)境感知，以此來(lái)采集數(shù)據(jù)以及記錄分析環(huán)境信息等。

最近，補(bǔ)盲激光雷達(dá)市場(chǎng)熱鬧非凡，各家在宣傳產(chǎn)品的視場(chǎng)角時(shí)竭盡全力，毫不吝嗇形容詞。

回歸到實(shí)際需求，多大的視場(chǎng)角夠用?超大是多大?多大算大?

今天就來(lái)盤(pán)一盤(pán)補(bǔ)盲激光雷達(dá)視場(chǎng)角(FOV， Field of View)這件事。

在談視場(chǎng)角之前，先談?wù)勓a(bǔ)盲激光雷達(dá)。?激光雷達(dá)是一種采用激光來(lái)進(jìn)行的測(cè)距系統(tǒng)，用于獲取數(shù)據(jù)并產(chǎn)生精確的數(shù)字高程模型(DEM - Digital Elevation Model)。從激光本身來(lái)看，其具有非常精確的測(cè)距能力，測(cè)距的精度可以達(dá)到厘米級(jí)。隨著商用GPS和IMU(Inertial Measurement Unit，即慣性測(cè)量單元)的快速發(fā)展，通過(guò)激光雷達(dá)從移動(dòng)平臺(tái)上獲得高精度的數(shù)據(jù)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)并被廣泛應(yīng)用。

激光掃描測(cè)量是通過(guò)激光掃描器和距離傳感器來(lái)獲取目標(biāo)的表面形態(tài)。激光掃描器的組成部件通常由激光發(fā)射器、接收器、時(shí)間計(jì)數(shù)器、微計(jì)算機(jī)等部分組成。激光脈沖發(fā)生器周期的驅(qū)動(dòng)激光二極管發(fā)射激光脈沖，然后由接受透鏡接收目標(biāo)表面反射信號(hào)，產(chǎn)生接收信號(hào)。內(nèi)部利用穩(wěn)定的石英時(shí)鐘對(duì)發(fā)射和接收時(shí)間差進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)微計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)量資料進(jìn)行內(nèi)部微處理，顯示或存儲(chǔ)、輸出距離和角度信息，并與距離傳感器獲取的數(shù)據(jù)相匹配，最后經(jīng)過(guò)相應(yīng)系統(tǒng)軟件進(jìn)行一系列的處理，獲取目標(biāo)表面的三維數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行各種量算和立體模型的建立。激光雷達(dá)通過(guò)脈沖激光不斷掃描目標(biāo)物，就可以獲取到目標(biāo)物上所有的目標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，使用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理之后，可以得到一個(gè)精確的三維立體模型。

補(bǔ)盲激光雷達(dá)，很重要

首先，補(bǔ)盲激光雷達(dá)到底是什么?

大多數(shù)人會(huì)從字面意義上理解，認(rèn)為是對(duì)于自動(dòng)駕駛車(chē)輛盲區(qū)進(jìn)行覆蓋的激光雷達(dá)傳感器。其實(shí)，這里的“補(bǔ)盲”一詞，并不能完全準(zhǔn)確地描繪該類(lèi)激光雷達(dá)在自動(dòng)駕駛里面扮演的角色。其含義，更多的是指產(chǎn)品彌補(bǔ)了長(zhǎng)距激光雷達(dá)覆蓋不到的區(qū)域。

業(yè)內(nèi)認(rèn)為，補(bǔ)盲激光雷達(dá)主要負(fù)責(zé)的是近車(chē)身的感知空間的覆蓋，為自動(dòng)駕駛車(chē)輛提供更為精準(zhǔn)的車(chē)身周?chē)系K物和空間感知能力。

那么，為什么需要補(bǔ)盲激光雷達(dá)?

中汽研去年編制的《自動(dòng)駕駛汽車(chē)交通安全白皮書(shū)》中提到，人類(lèi)駕駛汽車(chē)事故中追尾事故最多，占到整體的29.9%，而側(cè)部、前部碰撞以及碰撞固定物(道路上的交通設(shè)施)也分別占整體的29%、12.9%以及12.7%;

梳理人類(lèi)駕駛汽車(chē)時(shí)發(fā)生的道路交通事故特征，會(huì)發(fā)現(xiàn)，因車(chē)輛設(shè)計(jì)缺陷等因素形成的駕駛?cè)艘曇懊^(qū)，導(dǎo)致車(chē)輛在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中容易發(fā)生事故。此外，無(wú)信號(hào)燈交叉口和紅綠燈等處也是人類(lèi)駕駛過(guò)程中的事故多發(fā)地。

此時(shí)，補(bǔ)盲激光雷達(dá)的側(cè)向覆蓋就顯得尤為重要。

我們還可以從一些場(chǎng)景中感受一下。

場(chǎng)景一：高速公路上，遇到超寬車(chē)輛時(shí)的鄰車(chē)道間距保持

在高速公路上，由于超寬車(chē)輛本身裝載的貨物經(jīng)常超長(zhǎng)超寬超高，很容易遮擋周?chē)?chē)輛駕駛員視野。此外，超寬貨車(chē)也容易擠占其他車(chē)道，在與他車(chē)會(huì)車(chē)時(shí)經(jīng)常發(fā)生剮蹭事故。

針對(duì)此類(lèi)場(chǎng)景，就需要側(cè)向激光雷達(dá)的感知能力，精準(zhǔn)把控鄰車(chē)輛間距，避免不必要的事故發(fā)生。

場(chǎng)景二：擁堵十字路口的拐彎，有大量VRU(弱勢(shì)道路使用者，一般指行人、兩輪車(chē))的情況下

在城市道路中，轉(zhuǎn)彎的時(shí)候經(jīng)常會(huì)遇到人車(chē)合流的情況，需要增強(qiáng)車(chē)輛側(cè)后方的感知能力，以對(duì)車(chē)身周?chē)奈矬w，特別是VRU形成精準(zhǔn)的距離感知，從而保證整個(gè)自動(dòng)駕駛過(guò)程的安全與平穩(wěn)。

隨著今年下半年小鵬P5、極狐阿爾法S、蔚來(lái)ET7等搭載激光雷達(dá)的車(chē)型相繼面世，“激光雷達(dá)”一詞也頻頻登上熱搜。這個(gè)曾被大洋彼岸的埃隆·馬斯克嗤之以鼻的“傻子玩意”，儼然成為了國(guó)內(nèi)造車(chē)勢(shì)力眼中的“香餑餑”。

不僅如此，國(guó)內(nèi)廠家對(duì)于自家的激光雷達(dá)也有著不同的定義：“首款”、“首次量產(chǎn)”等等前綴讓消費(fèi)者看得頭暈眼花。想要“理性吃瓜”，這個(gè)激光雷達(dá)到底是什么?你真的知道嗎?

什么是激光雷達(dá)?

在2019年馬斯克曾說(shuō)過(guò)“激光雷達(dá)是傻子的玩意，任何人用激光雷達(dá)都注定失敗”。這個(gè)讓馬斯克diss的東西究竟是什么呢?

激光雷達(dá)是通過(guò)發(fā)射和接收激光，測(cè)量激光信號(hào)的時(shí)間差或相位差來(lái)感知外界障礙物的高度、角度和距離等信息，通過(guò)水平旋轉(zhuǎn)掃描來(lái)測(cè)角度，并根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)建立二維的極坐標(biāo)系，然后通過(guò)獲取不同俯仰角度信號(hào)獲得三維中的高度信息，最后通過(guò)軟件繪制成機(jī)器能夠識(shí)別的三維模型，類(lèi)似于我們的眼睛。

其實(shí)激光雷達(dá)并不是什么新奇的裝備，早在1961年，美國(guó)的休斯飛機(jī)公司就曾推出過(guò)第一個(gè)類(lèi)似激光雷達(dá)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)將激光聚焦成像后與傳感器和數(shù)據(jù)采集電子設(shè)備配合，測(cè)量信號(hào)返回的時(shí)間來(lái)計(jì)算距離，并用于衛(wèi)星跟蹤。可以說(shuō)激光雷達(dá)挺早就出現(xiàn)了，但是之前一直用在那些看起來(lái)“高大上”的領(lǐng)域，而直到汽車(chē)廠家大肆宣傳自動(dòng)駕駛技術(shù)時(shí)，激光雷達(dá)這個(gè)詞才被引入到大眾的視野中。

厘米級(jí)的3D建模

要想實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的輔助駕駛或更高階的自動(dòng)駕駛，車(chē)輛必須要能感知自己所處的環(huán)境，這對(duì)于汽車(chē)行業(yè)是一個(gè)新的挑戰(zhàn)，也是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛最關(guān)鍵的一步。

激光雷達(dá)可以以厘米級(jí)的精度對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行3D建模。不同于毫米波雷達(dá)和攝像頭，激光雷達(dá)能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出周?chē)系K物的具體輪廓和距離，并且不會(huì)漏判、誤判前方出現(xiàn)的障礙物，有效探測(cè)距離也更遠(yuǎn)。

單純的攝像頭方案如果配合強(qiáng)大的算法，也是可以實(shí)現(xiàn)高階的自動(dòng)駕駛的。不過(guò)實(shí)現(xiàn)是一回事，好用又是另一回事。目前除了特斯拉還在堅(jiān)持?jǐn)z像頭純視覺(jué)方案，其他各大車(chē)企都已經(jīng)開(kāi)始走激光雷達(dá)和攝像頭共同配合的混合路線了。集合兩種傳感器自身的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，可以達(dá)到“1+1>2”的效果，讓車(chē)輛獲得超強(qiáng)的感知能力。

特斯拉的純視覺(jué)路線我是特別不看好，我們?nèi)搜蹞碛械某瑥?qiáng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力和超高的分辨率比車(chē)載的攝像頭高了不知道多少倍。我們大腦的處理速度和預(yù)測(cè)能力也比特斯拉目前的算法和自動(dòng)駕駛芯片高效，這都不能保證開(kāi)車(chē)時(shí)不出意外，所以現(xiàn)在我們要引入比人眼感知能力更強(qiáng)的激光雷達(dá)，來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛對(duì)外界環(huán)境的超強(qiáng)感知。用超強(qiáng)的感知彌補(bǔ)車(chē)載芯片算法的不足，以求實(shí)現(xiàn)高階的自動(dòng)駕駛。

激光雷達(dá)的指標(biāo)

如何評(píng)價(jià)激光雷達(dá)的性能強(qiáng)弱呢?評(píng)判一款激光雷達(dá)的重要指標(biāo)有如下幾項(xiàng)：

測(cè)量距離：激光雷達(dá)的感知范圍，能探測(cè)多遠(yuǎn)，目前主流的是150m。

測(cè)距精度：激光雷達(dá)對(duì)探測(cè)距離的精確度，目前主流是厘米級(jí)的精度。

水平視場(chǎng)角：激光雷達(dá)的水平視野角度(AOB)，相當(dāng)于我們?nèi)搜鄣臋M向視野，最高360度。

垂直視場(chǎng)角：激光雷達(dá)的垂直視野角度(BOC)，相當(dāng)于我們?nèi)搜鄣呢Q向視野。越大越好，目前主流為30度/15度。垂直視場(chǎng)角和水平視場(chǎng)角合稱為視場(chǎng)角度，我們經(jīng)常看到的FOV，說(shuō)的就是它，表示激光雷達(dá)的總視野。

測(cè)量時(shí)間和幀頻率：激光雷達(dá)的激光從發(fā)射到返回的時(shí)間，相當(dāng)于一個(gè)測(cè)量周期所花費(fèi)的時(shí)間。時(shí)間越短對(duì)運(yùn)動(dòng)信息的采集就越好，高速行駛時(shí)的反應(yīng)時(shí)間就越短。

縱向和水平分辨率：也叫角分辨率，相當(dāng)于我們顯示器的分辨率，度數(shù)越小，得到的圖像就越清晰。目前主流的激光雷達(dá)一般為0.1~1度。

出點(diǎn)數(shù)：激光雷達(dá)每秒發(fā)射的激光點(diǎn)數(shù)，點(diǎn)數(shù)越多激光就可以越密集。目前主流激光雷達(dá)可以每秒發(fā)出幾萬(wàn)點(diǎn)至幾十萬(wàn)點(diǎn)激光。

線束：也叫等效點(diǎn)云密度，是激光雷達(dá)垂直方向上的激光的分布數(shù)量，一般為16線、32線、64線，越多越好。