當前很多主機廠都推出了基于激光雷達的L3級自動駕駛汽車,例如極狐阿爾法S,蔚來ET7,極氪001等車型,為滿足車規級要求,大部分廠商選擇使用固態激光雷達作為感知傳感器并配合攝像頭進行感知。本文將介紹固態激光雷達的相關屬性、點云質量問題以及未來發展趨勢。

 

01、固態激光雷達技術

 

固態激光雷達是完全沒有移動部件的雷達,光相控陣(Optical Phased Array)及Flash是其典型技術路線,也被認為是純固態激光雷達方案。目前主要使用的是MEMS(微機電系統)激光雷達。

 

圖1 固態激光雷達的布置效果圖

 

02、固態激光雷達的一般選型參數要求

 

固態激光雷達一般最遠可以探測大約200米的物體。對于激光雷達基本參數要求可分為遠距雷達和近距雷達要求。

 

對于遠距雷達要求:

(1)垂直FOV在20-40°,水平FOV在120°左右

(2)最遠測距距離在200m左右,在120m-150m達到最佳效果

(3)絕對測距精度:越低越好,市面上一般的雷達在±5cm以內

(4)相對測距精度:5cm-10cm@1σ為益

(5)水平和垂直角度分辨率:分辨率越高越好,當前一般可達到最高0.1°

(6)可直接使用車載電源供電,滿足車規級溫度要求

(7)滿足車規級DV和PV測試要求

 

對于近距雷達要求:

(1)垂直FOV在70°-120°范圍內為益,水平FOV在140°左右

(2)最遠測距距離在50m左右,在10m-30m達到最佳效果(3)絕對測距精度:越低越好,市面上一般的雷達在±5cm以內(4)相對測距精度:2cm-5cm@1σ為益(5)水平和垂直角度分辨率:分辨率越高越好,當前一般可達到最高0.1°(6)可直接使用車載電源供電,滿足車規級溫度要求

(7)滿足車規級DV和PV測試要求

 

03、固態激光雷達的點云質量問題

 

在實際駕駛場景,高反射率物體十分常見,比如交通指示牌,激光雷達對其反射回來的高強度回波非常敏感,容易在點云中形成“鬼影”和“膨脹”。當一個真實高反物體進入激光雷達視場的任一區域時,輸出的點云除了在該高反真實位置有成像以外可能在其他方位也會成像一個形狀大小類似“鬼影”。在不同場景中,不同類型激光雷達“鬼影”的行蹤可能各不相同。

 

“膨脹”現象通常表現為一個正常高反指示牌的點云輪廓會向四周擴散,成像出來一個比真實物體更大的點云形狀,且多出來的點云部分的反射強度表現會偏低。(圖2至圖8來源:速騰聚創)

 

圖2 固態激光雷達的“鬼影”現象

 

圖3 固態激光雷達的“膨脹”現象

 

近場障礙物的探測能力在智能駕駛中的用處也非常明顯,比如在擁堵跟車(TJP)功能中,激光雷達的最近探測距離值越小,跟車距離可以縮得越短,被加塞的可能性就越小。

 

然而,中長距激光雷達探測在探測近距離物體時會出現“吸點”(測距不準)和“空洞”(測不到)現象,在出現以上兩類問題的小區域通常會被設定為“盲區”,輸出的點云數據不建議使用。

 

“空洞”描述的是激光雷達對于近場低矮障礙物的探測在從遠到近過程中“時有時無”的丟失現象。障礙物原始點云“時有時無”會讓感知算法難以連續跟蹤,這容易導致智能駕駛的急剎車或頻繁“減速加速”頓挫。

 

圖4 固態激光雷達“吸點”現象

 

圖5 固態激光雷達“空洞”現象

 

04、固態激光雷達的發展趨勢

 

現在使用的大部分激光雷達都是一維電機掃描架構,這類延用了十余年的一維電機掃描架構,激光收發單元在出廠前被完全固定,導致掃描線束分布和最高幀率會在出廠的時候就被固定。

 

后續固態激光雷達會出現二維MEMS掃描功能,可以任意改變橫向和縱向的掃描速度從而改變掃描形態,且在收到指令后的下一幀即可完成切換。線數分布可以任意變換,激光雷達可基于不同駕駛場景自由調節ROI區域的角度范圍、分辨率大小。

 

圖6 二維MEMS空間掃描陣列圖

 

圖7 二維MEMS掃描陣列圖

 

智能駕駛系統在高速上實現HWP(Highway Pilot)功能,需要獲得對上述障礙物的更遠有效檢測距離,這要求激光雷達擁有高測距能力,以及高有效分辨率(即障礙物所在的ROI區域內的高分辨率)。智能提升ROI區域垂直分辨率,障礙物點云成像密度翻倍,對前方小物體高度準確測量,提前進行決策。在直行道路上,提升垂直分辨率,意味著感知算法對車輛的識別距離可達到更遠(可達200m),對靜態小型障礙物的檢測距離也可以更遠(可達160m),對于駕駛時速120km/h行駛的智能駕駛車輛而言,這是從安全制動距離到舒適制動/變道距離的質變,有效提升車輛的安全性和駕駛舒適性。

 

圖8 ROI區域高分辨率差別示意圖

 

05、總結

 

隨著自動駕駛技術的發展和傳感器硬件技術的更新,固態激光雷達未來會大批量的搭載到量產車型中以滿足車規級自動駕駛的要求。