01 車載激光雷達(dá)的激光點云

通過點云技術(shù)，激光雷達(dá)的成像能夠更為清晰、精準(zhǔn)，能夠充分發(fā)揮高分辨率的優(yōu)點。點云的應(yīng)用不僅可以節(jié)省掉傳統(tǒng)的建模時間，也增加了模型準(zhǔn)確性，是激光雷達(dá)的技術(shù)優(yōu)勢之一。

車載激光雷達(dá)是一種移動型掃描系統(tǒng)，可以通過發(fā)射和接收激光束，分析激光遇到目標(biāo)對象后的折返時間，計算出目標(biāo)對象與車的相對距離，并利用收集的目標(biāo)對象表面大量的密集點的三維坐標(biāo)、反射率等信息，快速復(fù)建出目標(biāo)的三維模型及各種圖件數(shù)據(jù)，建立三維點云圖，繪制出環(huán)境地圖，以達(dá)到環(huán)境感知的目的。激光雷達(dá)采集到的物體信息呈現(xiàn)出一系列分散的、具有準(zhǔn)確角度和距離信息的點，被稱為點云，如圖1所示。

圖2 激光雷達(dá)點云圖

一、激光點云的參數(shù)和特點

激光點云指由三維激光雷達(dá)設(shè)備掃描得到的空間點數(shù)據(jù)集，每一個點云都包含三維坐標(biāo)（XYZ）和激光反射強度（Intensity），其中強度信息會與目標(biāo)物表面材質(zhì)與粗糙度、激光入射角度、激光波長以及激光雷達(dá)的能量密度有關(guān)，點云的相關(guān)參數(shù)和特點如下：

二、原始點云數(shù)據(jù)的接收與解析

1、點云數(shù)據(jù)的接收

激光雷達(dá)的原始點云數(shù)據(jù)都會被存放在一個數(shù)據(jù)包里（PCAP），此時數(shù)據(jù)包里面的數(shù)據(jù)都是一連串的字節(jié)符號，無法直接使用。以Velodyne的16線激光雷達(dá)為例，原始點云數(shù)據(jù)的接收主要是通過UDP（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）的形式向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)。

從數(shù)據(jù)的內(nèi)容來看，該型號的激光雷達(dá)在垂直方向上（-15°到+15°）有16線的激光束，其每幀的數(shù)據(jù)長度固定為1,248字節(jié)，這些字節(jié)包括前42字節(jié)的前數(shù)據(jù)包標(biāo)識、12組數(shù)據(jù)包、4字節(jié)時間戳和最后兩字節(jié)雷達(dá)型號參數(shù)。

每個數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)都包含了激光光束的旋轉(zhuǎn)角度、距離值、反射強度的信息。例如，“B6 07”代表了激光雷達(dá)的探測距離為3.948m，“2A”代表了激光的反射強度，但這些信息都是以兩字節(jié)表示，需要進(jìn)一步解析這些數(shù)據(jù)。

2、點云數(shù)據(jù)的解析

數(shù)據(jù)包中的原始數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為可被PCD格式的數(shù)據(jù)集 PCD文件主要是由笛卡爾坐標(biāo)（x,y,z）和強度值i組成的列表，即每個點云都會附帶獨有的三維坐標(biāo)系和能量反射強度。

在這個坐標(biāo)系中，x軸指向汽車的前部，y軸指向汽車的左側(cè)。由于這個坐標(biāo)系采用右手定則，坐標(biāo)系z軸指向汽車上方。

圖5  點云pcd坐標(biāo)

三、定位處理

在獲得以上三維坐標(biāo)和每點的強度信息后，車輛將提取路況特征并匹配相應(yīng)路段，從而實現(xiàn)自身定位。

1、特征提取

用點云數(shù)據(jù)做定位的第一步是先要確定“我在哪里”，此時感知算法設(shè)備要先提取周邊場景的目標(biāo)物特征，并通過這些特征和所獲取到的相對距離信息建立一個小地圖，確定車輛的相對初始位置。

點云特征提取往往是實時的，這導(dǎo)致點云的數(shù)據(jù)量非常大，而現(xiàn)有量產(chǎn)車的硬件性能有限，所以為了減少點云數(shù)據(jù)的計算量，點云數(shù)據(jù)在被提取特征時一般會被優(yōu)先提取較為明顯的特征，像物體的輪廓信息、目標(biāo)物的線面角，具體地電線桿是線的特征、路面是面的特征、建筑物的角點就是角的特征。

2、地圖匹配

在提取完周圍目標(biāo)物的特征后，感知算法需要根據(jù)這些特征來進(jìn)行點云地圖匹配，來獲取各個點云之間的相對位姿，點云地圖匹配一般可分為幀間匹配和高精地圖匹配。

幀間匹配也叫子圖匹配，指將前后幀上有相同特征的點云做匹配，最后得到一張局部小地圖；高精地圖匹配，指將優(yōu)化后的點云與高精地圖做匹配。在自動駕駛行業(yè)內(nèi)，自動駕駛方案商或者主機廠都會應(yīng)用這兩種不同方案，但常用的匹配方案還是以幀間匹配為主。

3、位姿優(yōu)化

點云數(shù)據(jù)在做完匹配后，可以獲取各點云間的相對位姿（從一個坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為另一個坐標(biāo)系的過程中發(fā)生的平移和旋轉(zhuǎn)等動作）而相對位姿的準(zhǔn)確性會影響構(gòu)建地圖的準(zhǔn)確性，所以需要對點云的相對位姿做一定的優(yōu)化。

相對位姿的不準(zhǔn)確主要由于一些不可控因素，如點云被物體遮擋或者激光雷達(dá)視場角的限制，點云的位姿優(yōu)化通過一定的點云坐標(biāo)系的剛體變化（旋轉(zhuǎn)或平移）來得到最優(yōu)相對位姿。

02 車載激光雷達(dá)的分類和發(fā)展情況

一、機械式激光雷達(dá)

機械式激光雷達(dá)通過電機帶動收發(fā)陣列進(jìn)行整體旋轉(zhuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對空間水平 360°視場范圍的掃描。其發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)在宏觀上是旋轉(zhuǎn)的，發(fā)射部件垂直排列成激光光源的線性陣列，通過透鏡在垂直面上產(chǎn)生不同方向的激光束。在步進(jìn)電動機的驅(qū)動下，垂直面內(nèi)的激光束不斷地從“線”旋轉(zhuǎn)到“面”，并通過旋轉(zhuǎn)掃描光“面”形成多重激勵，實現(xiàn)檢測區(qū)域的三維掃描，形成點云。

Velodyne公司于2005年首次提出了一種激光雷達(dá)的三維機械旋轉(zhuǎn)式掃描技術(shù)（申請?zhí)枺篣S11777802），該項技術(shù)成功實現(xiàn)了激光雷達(dá)的 360 度掃描，率先彌補了三維車載激光雷達(dá)掃描技術(shù)的空白，機械式激光雷達(dá)面世。目前，該公司已經(jīng)推出了采用128線束并將探測距離提升至300米的Alpha PUCK 激光雷達(dá)；在國內(nèi)，禾賽科技也發(fā)布了Pandar系列機械式激光雷達(dá)，其中Panndar128采用128線，測距范圍達(dá)到200米。機械式激光雷達(dá)的技術(shù)已經(jīng)相對成熟。

作為激光雷達(dá)最經(jīng)典且發(fā)展最為成熟的技術(shù)方案，機械式激光雷達(dá)常應(yīng)用于自動駕駛出租車的測試和迭代，但利用傳統(tǒng)分立式設(shè)計的機械式雷達(dá)主要是通過增加收發(fā)模塊來實現(xiàn)高線束，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)更高精度的探測，但整套元器件體積大且降本空間有限。

圖6 混合固態(tài)激光雷達(dá) MEMS內(nèi)部結(jié)構(gòu)

二、混合固態(tài)激光雷達(dá) MEMS

 混合固態(tài)激光雷達(dá)MEMS（Micro Electromechanical System）是一種用半導(dǎo)體“微動”器件來代替機械式掃描器，在微觀尺度上實現(xiàn)雷達(dá)發(fā)射端的激光掃描方式。MEMS激光雷達(dá)將微機電系統(tǒng)MEMS（一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)在微米乃至納米的高科技裝置）和振鏡（一種硅基半導(dǎo)體元器件，屬于固態(tài)電子元件）相結(jié)合，通過MEMS驅(qū)動振鏡使其運動，激光通過振鏡發(fā)射到各個方向，因此被稱為混合固態(tài)激光雷達(dá)。

MEMS激光雷達(dá)將所有的機械部件集成到單個芯片上，利用半導(dǎo)體工藝生產(chǎn)，達(dá)到機械結(jié)構(gòu)的微型化和電子化設(shè)計。如圖8MEMS在發(fā)射激光的時候通過驅(qū)動電路同時作用于激光器和MEMS振鏡，使得激光器產(chǎn)生激光脈沖及MEMS振鏡發(fā)生旋轉(zhuǎn)。此時所發(fā)射的脈沖在振鏡不斷地旋轉(zhuǎn)反射下進(jìn)行激光掃描，最后經(jīng)光學(xué)單元準(zhǔn)直后射出。

作為機械旋轉(zhuǎn)掃描激光雷達(dá)的升級換代，MEMS激光雷達(dá)得到了廣泛的應(yīng)用。目前，量產(chǎn)車領(lǐng)域主要搭載的是混合固態(tài)激光雷達(dá)。自2020年起，全球范圍有21款車型宣布將搭載激光雷達(dá)，中國公司推出了其中的14款，這些車企選擇的主要都是混合固態(tài)激光雷達(dá)。

首個MEMS混合固態(tài)激光雷達(dá)是以色列公司Innoviz在2017年發(fā)布的Innoviz One；速騰緊跟其后，在同年推出了與 Innoviz One 相似的M1。另一個被看好的混合固態(tài)路線是單軸轉(zhuǎn)鏡，即Scala使用的方案。禾賽科技在2021年第四季度推出了128線激光雷達(dá)AT128，目前已成為理想、集度、吉利旗下路特斯、高合等品牌的指定供應(yīng)商。

混合固態(tài)激光雷達(dá)可分為一維掃描和二維掃描，它們的共同之處是，都通過內(nèi)部機械運動改變激光的方向；區(qū)別是一維掃描僅改變水平方向，二維掃描同時改變水平和垂直方向。一維掃描的方案為采用在水平方向上的反射鏡來改變光線方向獲得視場角覆蓋；二維掃描有兩種方案，一種是振鏡通過懸臂梁在橫縱兩軸高速周期運動，從而改變激光反射方向?qū)崿F(xiàn)掃描，另一種是由一個在橫軸不斷旋轉(zhuǎn)的多邊形棱鏡和一個在縱軸擺動的鏡子實現(xiàn)掃描。下面具體介紹這三種方案。

1、二維掃描

二維掃描可進(jìn)一步細(xì)分為 MEMS 和二維轉(zhuǎn)鏡兩類。

（1）MEMS 方案的核心是一個厘米尺度的振鏡通過懸臂梁在橫縱兩軸高速周期運動，從而改變激光反射方向?qū)崿F(xiàn)掃描。相比傳統(tǒng)機械式激光雷達(dá)，MEMS 方案簡化了掃描結(jié)構(gòu)，通過控制微振鏡的偏轉(zhuǎn)角度就能改變掃描路徑，僅需幾個激光器就能達(dá)到和機械式多線束激光雷達(dá)的覆蓋區(qū)域和點云密度一樣的效果。

但這一方案的技術(shù)難點在于懸臂梁轉(zhuǎn)動角度有限，使得單個振鏡覆蓋的視場角很小，往往需要多臺拼接才能實現(xiàn)大視場角覆蓋，可能導(dǎo)致點云圖像在疊加邊緣出現(xiàn)不均勻的畸變和重疊，加大后續(xù)算法處理的難度。

圖9 混合固態(tài)激光雷達(dá)-二維掃描-MSME方案

（2）二維轉(zhuǎn)鏡方案由一個在橫軸不斷旋轉(zhuǎn)的多邊形棱鏡和一個可以在縱軸擺動的鏡子組成。例如下面是一種市場上現(xiàn)有的二維轉(zhuǎn)鏡掃描示意，不斷旋轉(zhuǎn)的多邊形棱鏡可以讓光源實現(xiàn)水平掃描，而同時縱軸擺鏡則可以改變光源的垂直掃描方向。

圖10 混合固態(tài)激光雷達(dá)-二維掃描-二維轉(zhuǎn)鏡方案

按照這種設(shè)計方案僅需一束光源就可以完成機械式雷達(dá)若干個光源才能完成的掃描任務(wù)，但也正因只有一束激光，要保證對三維世界的高清掃描就要求掃描頻率非常高，同時要求功率也更大，給掃描器件帶來了可靠性方面的挑戰(zhàn)。

2、一維掃描

與二維掃描結(jié)構(gòu)相比，一維掃描采用僅在水平方向上低速轉(zhuǎn)動的反射鏡來改變光線方向獲得視場角覆蓋，穩(wěn)定性和可靠性更高。2017年法雷奧在行業(yè)中推出的第一款通過車規(guī)驗證的激光雷達(dá)，采用的正是這一技術(shù)方案，但此方案的局限性在于掃描線數(shù)較少，難以實現(xiàn)較高的分辨率。 

三、固態(tài)激光雷達(dá)

機械式和半固態(tài)都是收發(fā)模塊搭配一種做機械運動的掃描模塊，不能算是純固態(tài)，歸根結(jié)底掃描模塊只是一個機械部件，是一種“形式”，真正決定激光雷達(dá)性能的“本質(zhì)”是其收發(fā)模塊。只有在內(nèi)部沒有任何運動部件的才是純固態(tài)激光雷達(dá)，這種激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)最簡單、集成度最高。理論上來講，固態(tài)激光雷達(dá)是完全沒有移動部件的雷達(dá)，光相控陣（Optical Phased Array）和 Flash 是典型技術(shù)路線，也被認(rèn)為是純固態(tài)激光雷達(dá)方案。

圖11：禾賽科技 FT120 固態(tài)激光雷達(dá)

1、OPA固態(tài)激光雷達(dá)

OPA（相控陣）激光雷達(dá)是采用光學(xué)相位控制陣列技術(shù)實現(xiàn)激光掃描的一種激光雷達(dá)。OPA發(fā)射器由多個可獨立控制的發(fā)射和接收單元組成，改變加載其上的電壓便可改變各單元發(fā)出的光波特性，再通過調(diào)整發(fā)射光波之間的相位關(guān)系在一定方向上實現(xiàn)相互增強的干涉，從而產(chǎn)生具有方向性的高強度光束。在設(shè)計好的程序控制下，OPA的各個相位控制單元使一個或多個高強度光束的方向?qū)崿F(xiàn)隨機空間掃描。

圖12  OPA激光雷達(dá)原理框圖

2、Flash固態(tài)激光雷達(dá)

Flash（泛光面陣式）激光雷達(dá)是通過記錄光子飛行時間計算環(huán)境距離的激光雷達(dá)，屬于非掃描式激光雷達(dá)。在運行過程中，成像系統(tǒng)（高密度的激光源陣列）發(fā)射大面積激光覆蓋探測區(qū)域。由于物體表面到返回點的距離不同，光源到達(dá)物體表面后部分反射回圖像上的像素點飛行時間也不同，由雷達(dá)內(nèi)部的高靈敏度接收器計算每個像素對應(yīng)的距離，完成對周圍環(huán)境的信息采集與繪制。

Flash激光雷達(dá)是目前全固態(tài)激光雷達(dá)中主流的技術(shù)產(chǎn)品之一，主要優(yōu)點有成像速度快、成本低、集成度高、非離散采集、能夠改善感知系統(tǒng)對環(huán)境的空間理解能力等。但是由于受限于芯片技術(shù)，目前Flash激光雷達(dá)的應(yīng)用范圍較小。另外，多發(fā)射器同時發(fā)射脈沖激光，也限制了其模塊的功率。

圖13 固態(tài)激光雷達(dá)-Flash

固態(tài)激光雷達(dá)的優(yōu)勢在于能夠最大程度地減少例如電機、軸承等可動機械結(jié)構(gòu)帶來的磨損，同時消除光電器件因為機械旋轉(zhuǎn)可能造成的故障，使得固態(tài)激光雷達(dá)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)布局更加合理，整體散熱及穩(wěn)定性相比于機械式激光雷達(dá)有質(zhì)的飛躍。

固態(tài)激光雷達(dá)取消了復(fù)雜和高頻轉(zhuǎn)動的機械結(jié)構(gòu)，能夠降低物料和量產(chǎn)成本，提升產(chǎn)品可靠性、生產(chǎn)效率和一致性，未來能夠在車規(guī)級量產(chǎn)領(lǐng)域有所發(fā)展。

現(xiàn)階段固態(tài)激光雷達(dá)的不足在于功率密度低、探測距離短，還不能作為主激光雷達(dá)大規(guī)模量產(chǎn)使用，但固態(tài)激光雷達(dá)的近距補盲能可以與半固態(tài)激光雷達(dá)的遠(yuǎn)距感知相組合，打造出完整的車規(guī)級激光雷達(dá)解決方案。

表三：三種激光雷達(dá)比較

03 車載激光雷達(dá)的安裝位置

如圖14所示，激光雷達(dá)安裝位置分為兩大類：一類安裝在智能網(wǎng)聯(lián)汽車的四周，另一類安裝在智能網(wǎng)聯(lián)汽車的車頂。對于裝在智能網(wǎng)聯(lián)汽車四周的激光雷達(dá)，其激光線束一般小于8，常見的有單線激光雷達(dá)和4線激光雷達(dá)。對于安裝在智能網(wǎng)聯(lián)汽車車頂?shù)募す饫走_(dá)，其激光線束一般不小于16，常見的有16、32、64線激光雷達(dá)。不管安裝在什么位置，均需要滿足以下要求。

1、首先根據(jù)雷達(dá)抗振動和沖擊能力，確定是否需要減振支架。

2、如果不需要減振支架，可以使用安裝吊耳固定或者雷達(dá)上面的其他固定螺釘孔。

3、避障雷達(dá)要求水平朝上傾斜5°左右，以解決高反射物體的探測。

4、測量雷達(dá)要求安裝平面盡可能與地面平行，用于提高普通定位精度。這是因為如果有傾斜角度的話，雷達(dá)在不同位置探測出來的輪廓會有較大誤差，最終影響定位精度。

5、激光頭安裝的位置最好不超出車頂200mm，約170mm的高度安裝位置最佳（即可做安全避障，又可以做測量用）。根據(jù)車身結(jié)構(gòu)去選擇雷達(dá)正向安裝或倒置安裝都可以。

6、在雷達(dá)布置上面，可以選擇車頭中間位置或者車的四個對角點。如果布置兩個雷達(dá)在車對角，就可以實現(xiàn)車身360°都被激光雷達(dá)探測到，從而避障無死角。

7、不同車體，雷達(dá)的安裝x、y方向和旋轉(zhuǎn)姿態(tài)會有誤差，最終導(dǎo)致理論相同的定位點，車體卻有不同的位置和姿態(tài)。系統(tǒng)需要設(shè)置這三個誤差的補償值，從而保證其一致性。