無人駕駛汽車的成功涉及高精地圖、實(shí)時(shí)定位以及障礙物檢測等多項(xiàng)技術(shù)，而這些技術(shù)都離不開光學(xué)雷達(dá)(LiDAR)。本文將深入解析光學(xué)雷達(dá)是如何被廣泛應(yīng)用到無人車的各項(xiàng)技術(shù)中。文章首先介紹光學(xué)雷達(dá)的工作原理，包括如何通過激光掃描出點(diǎn)云;然后詳細(xì)解釋光學(xué)雷達(dá)在無人駕駛技術(shù)中的應(yīng)用，包括地圖繪制、定位以及障礙物檢測;最后討論光學(xué)雷達(dá)技術(shù)目前面臨的挑戰(zhàn)，包括外部環(huán)境干擾、數(shù)據(jù)量大、成本高等問題。

無人駕駛技術(shù)簡介

無人駕駛技術(shù)是多個(gè)技術(shù)的集成，包括了傳感器、定位與深度學(xué)習(xí)、高精地圖、路徑規(guī)劃、障礙物檢測與規(guī)避、機(jī)械控制、系統(tǒng)集成與優(yōu)化、能耗與散熱管理等等。雖然現(xiàn)有的多種無人車在實(shí)現(xiàn)上有許多不同，但是在系統(tǒng)架構(gòu)上都大同小異。圖1顯示了無人車的通用系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)的感知端(圖1左)由不同的傳感器組成，其中GPS用于定位，光學(xué)雷達(dá)(Light Detection And Ranging，簡稱 LiDAR)用于定位以及障礙物檢測，照相機(jī)用于基于深度學(xué)習(xí)的物體識別以及定位輔助。

圖1.無人車通用系統(tǒng)架構(gòu)

在傳感器信息采集后，我們進(jìn)入了感知階段，主要是定位與物體識別(圖1中)。在這個(gè)階段，我們可以用數(shù)學(xué)的方法，比如Kalman Filter與 Particle Filter等算法，對各種傳感器信息進(jìn)行融合，得出當(dāng)前最大幾率的位置。如果使用LiDAR為主要的定位傳感器，我們可以通過LiDAR掃描回來的信息跟已知的高精地圖做對比，得出當(dāng)前的車輛位置。如果沒有地圖，我們甚至可以把當(dāng)前的LiDAR掃描信息與之前的掃描信息用ICP算法做對比，推算出當(dāng)前的車輛位置。在得出基于LiDAR的位置預(yù)測后，可以用數(shù)學(xué)方法與其它傳感器信息進(jìn)行融合，推算出更精準(zhǔn)的位置信息。

最后，我們進(jìn)入了計(jì)劃與控制階段(圖1右)。在這個(gè)階段，我們根據(jù)位置信息以及識別出的圖像信息(如紅綠燈)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)車輛的行車計(jì)劃，并把行車計(jì)劃轉(zhuǎn)化成控制信號操控車輛。全局的路徑規(guī)劃可以用類似A-Star的算法實(shí)現(xiàn)，本地的路徑規(guī)劃可以用DWA等算法實(shí)現(xiàn)。

光學(xué)雷達(dá)基礎(chǔ)知識

先來了解下光學(xué)雷達(dá)的工作原理，特別是產(chǎn)生點(diǎn)云的過程。

工作原理

光學(xué)雷達(dá)是一種光學(xué)遙感技術(shù)，它通過首先向目標(biāo)物體發(fā)射一束激光，再根據(jù)接收-反射的時(shí)間間隔來確定目標(biāo)物體的實(shí)際距離。然后根據(jù)距離及激光發(fā)射的角度，通過簡單的幾何變化可以推導(dǎo)出物體的位置信息。由于激光的傳播受外界影響小，LiDAR能夠檢測的距離一般可達(dá)100m以上。與傳統(tǒng)雷達(dá)使用無線電波相比較，LiDAR使用激光射線，商用LiDAR使用的激光射線波長一般在600nm到1000nm之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)雷達(dá)所使用的波長。因此LiDAR在測量物體距離和表面形狀上可達(dá)到更高的精準(zhǔn)度，一般可以達(dá)到厘米級。

LiDAR系統(tǒng)一般分為三個(gè)部分：第一是激光發(fā)射器，發(fā)射出波長為600nm到1000nm之間的激光射線;第二部分是掃描與光學(xué)部件，主要用于收集反射點(diǎn)距離與該點(diǎn)發(fā)生的時(shí)間和水平角度(Azimuth);第三個(gè)部分是感光部件，主要檢測返回光的強(qiáng)度。因此我們檢測到的每一個(gè)點(diǎn)都包括了空間坐標(biāo)信息(x, y, z)以及光強(qiáng)度信息(i)。光強(qiáng)度與物體的光反射度(reflectivity)直接相關(guān)，所以根據(jù)檢測到的光強(qiáng)度也可以對檢測到的物體有初步判斷。