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自动驾驶基础--机械式LiDAR技术

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发布:lixinfu 来源:
PostTime:16-10-2018 21:01
本文介绍了机械式LiDAR技术优势和发展现状。我们先介绍机械式LiDAR技术,也就是最早的机械式LiDAR产品拉开了自动驾驶的序幕。2012年5月,谷歌(Google)自动驾驶汽车正式获得了美国内华达州车辆管理局(DMV)颁发的 ...

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本文介绍了机械式LiDAR技术优势和发展现状。


我们先介绍机械式LiDAR技术,也就是最早的机械式LiDAR产品拉开了自动驾驶的序幕。

2012年5月,谷歌(Google)自动驾驶汽车正式获得了美国内华达州车辆管理局(DMV)颁发的执照,这是美国历史上为自动驾驶汽车颁发的第一张执照。同样重要的是,激光雷达(LiDAR)也首次正式在自动驾驶汽车上露脸。

这个被放置在车顶上被戏谑为“全家桶”的装置其实就是汽车的“眼睛”——LiDAR。这个“全家桶”不仅尺寸醒目,价格也是让人瞠目——7万美元。这就是LiDAR最初也是迄今为止最为成熟的量产形态——机械式LiDAR。



LiDAR的主要构成要素可概括为发射系统、接收系统和信号处理系统。LiDAR系统的核心组件主要有激光器、扫描器及光学组件、光电探测器及接收IC,以及位置和导航器件等。

所谓机械式LiDAR,是指其发射系统和接收系统存在宏观意义上的转动,也就是通过不断旋转发射头,将速度更快、发射更准的激光从“线”变成“面”,并在竖直方向上排布多束激光(即32线或64线雷达),形成多个面,达到动态3D扫描并动态接收信息的目的。以“全家桶”为例,也就是由Velodyne生产的第一代机械式LiDAR(HDL-64E),竖直排列的激光发射器呈不同角度向外发射,实现垂直角度的覆盖,同时在高速旋转的马达壳体带动下,实现水平角度360度的全覆盖。因此,我们可以看到“全家桶”在汽车行驶过程中,就一直处于360度旋转状态中。



下面我们简单分析,机械式LiDAR主要构成要素。还是以Velodyne生产的第一代机械式LiDAR(HDL-64E)为例来了解其结构。



下面是其内部结构示意图:



机械式LiDAR作为在自动驾驶车辆上最先应用的激光雷达产品,具有以下优点:

1. 扫描速度快:扫描速度只决于发射模块的电子学响应速度,不受材料的特性影响,可以实现比光学相控阵更高的扫描频率。

2. 接收视场小:这种扫描技术是一种发射和接收同步扫描技术,接收视场小,抗光干扰能力强,信噪比高。

3. 可承受高的激光功率:这种扫描技术完全是在自由空间中进行,可以采用高峰值功率的激光脉冲进行高信噪比的探测。

但是机械式LiDAR因为运动部件较多,除了价格高居不下以外,还存在较多不足之处。特别是用于自动驾驶汽车,存在如下缺点:

1. 结构笨重,马达和多面体棱镜的重量和体积较大,容易造成机械磨损,不利于长时间运转使用。可靠性随着时间逐渐降低,对于以“安全性”为首位的自动驾驶汽车来讲,这是无法接受的致命缺陷。

2. 光通过每一个多棱镜的表面时,都会经历一段较短的不能接受光信号的时间,降低反射信号接收比,使得信号接收比大幅降低。

3. 装调工作量大:需要将发射和接收模块进行精密光学对准装配,工作繁复,工作量大,大批量生产难度大。

未来,LiDAR在自动驾驶领域,其体积、价格、安全性、量产能力都是需要综合考量的因素。从目前激光雷达的业界声音来看,机械式LiDAR仅仅是过渡产品,未来应该是混合固态LiDAR和全固态LiDAR的天下。

下面,让我们一起看看目前主流LiDAR企业的量产的机械式LiDAR的产品布局吧。细数机械式LiDAR企业,也可窥见未来LiDAR技术的发展方向。

1. Velodyne

Velodyne公司的机械旋转式产品在车载激光雷达领域占据统治地位,后续推出混合固态的产品,成本有所降低,正在逐步研发全固态激光雷达。Velodyne公司获得百度与福特1.5亿美元的投资,计划到2020年左右成本降至500美金。

从技术方向看,Velodyne公司后续产品在俯仰方向(垂直于水平面方向)均采用了电子扫描技术,在方位方向(水平方向)采用机械360度旋转扫描。技术路线已经从机械式LiDAR逐步转向混合固态LiDAR,但全固态LiDAR的产品暂时还没看到。

2016年1月的CES消费电子展会上,Velodyne展示了“混合固态超级冰球”(Solid-State Hybrid Ultra Puck Auto),由此引入了混合固态激光雷达(LiDAR)的概念。所以之前的几款主流LiDAR产品应该都算是机械式激光雷达的产品。主要是HDL-64E、HDL-32E和VLP-16三款产品。



其性能指标见下图



前面已经展示了HDL-64E激光雷达内部照片,下图是HDL-32E激光雷达内部照片



下图是VLP-16 激光雷达内部照片



从其内部结构照片,可以看出这三款产品除了HDL-64E的差异较大外,HDL-32E和VLP-16基本一样,只不过VLP-16是在HDL-32E的基础上减少了16线,并对结构进行了优化。但实际上HDL-64E和HDL-32E、VLP-16采用的都是同一种技术。

2. Quanergy

Quanergy公司的产品系列主要包括三款LiDAR:M8、S3和S3-Qi,以及利用LiDAR开发的新一代安防解决方案Q-Guard。M8是Quanergy推出的第一代LiDAR,采用8个2D线性激光扫描器,属于机械式LiDAR。随后,相继发布的产品都开始走固态LiDAR路线。S3号称是全球首款全固态LiDAR,采用了光学相控阵技术,不含任何旋转活动部件,实现了LiDAR的小型化,并提高了可靠性,规模量产后有望将传感器的价格降低至250美元以下;S3-Qi则是一款微型固态LiDAR,标准封装尺寸仅为1 x 1.5英寸,重量约100克,具有较低的功耗,S3-Qi可广泛应用于无人机、智能机器人、安防、智能家居及工业自动化应用。

3. ibeo

从最早Ibeo Motiv的360度整体旋转,到跟车厂结合,固定光源和接收器,只是有一个转镜的LUX和ScaLa。2010年德国激光雷达供应商Ibeo与法国汽车零部件供应商法雷奥合作开发并量产的ScaLa,作为一款高精度机械式LiDAR,其最大检测距离为150米。2016年采埃孚(ZF)收购了Ibeo公司的40%股份,帮助Ibeo公司研发固态LiDAR和更高效的数据标定。

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