[首發(fā)于智駕最前沿微信公眾號(hào)]在很多自動(dòng)駕駛的車輛上，都加裝了激光雷達(dá)（LiDAR），激光雷達(dá)是一種用激光測(cè)距離的傳感器。它會(huì)往周圍發(fā)激光，激光碰到東西反射回來(lái)，設(shè)備測(cè)回波的時(shí)間或頻率變化，就能算出物體離傳感器多遠(yuǎn)。把很多這樣的測(cè)距結(jié)果按角度組織起來(lái)，就能得到一個(gè)三維的“點(diǎn)云”，用來(lái)表示周圍物體的形狀和位置。激光雷達(dá)的主要作用就是讓車知道周圍有哪些東西、在什么位置、大概是什么大小。

它是怎么工作的？

激光雷達(dá)測(cè)距有兩種常見(jiàn)辦法，即時(shí)間飛行（ToF）和調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）。ToF的原理很直白，發(fā)一束脈沖光，測(cè)它從發(fā)射到接收的時(shí)間，乘以光速就可以得到距離。FMCW不發(fā)短脈沖，而是發(fā)一束頻率隨時(shí)間變化的連續(xù)光，回波和發(fā)射光混頻后能把距離和徑向速度（多普勒）一起算出來(lái)。FMCW在抗干擾和測(cè)速度上有優(yōu)勢(shì)，但實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜，成本一般也高點(diǎn)。

圖片源自：網(wǎng)絡(luò)

激光雷達(dá)在硬件形態(tài)上有兩類常見(jiàn)區(qū)分，即機(jī)械旋轉(zhuǎn)式和固態(tài)式。早期很多激光雷達(dá)是機(jī)械旋轉(zhuǎn)的，靠電機(jī)帶著發(fā)射接收單元轉(zhuǎn)一圈來(lái)覆蓋水平視場(chǎng)，點(diǎn)密度高，但體積大、可靠性受機(jī)械件影響。固態(tài)化方向包括MEMS、光學(xué)相控陣（OPA）、flash lidar等，優(yōu)點(diǎn)是體積小、耐久性好，更容易量產(chǎn)集成，但各自的視場(chǎng)、點(diǎn)密度和測(cè)距能力會(huì)不一樣。

在談及激光雷達(dá)時(shí)，常被提到的參數(shù)有“線數(shù)/通道數(shù)”“分辨率”“視場(chǎng)（FOV）”“點(diǎn)率（每秒點(diǎn)數(shù)）”“測(cè)距精度”“波長(zhǎng)”等。線數(shù)反映垂直方向上的層數(shù)，線數(shù)高意味著垂直分辨率更好，但并不是越多越好；有效點(diǎn)數(shù)、角分辨率、回波率以及在遠(yuǎn)端的點(diǎn)密度都同樣重要。激光雷達(dá)常見(jiàn)的波長(zhǎng)是905nm和1550nm，1550nm在安全輸出功率上要更高的能量，對(duì)遠(yuǎn)距和弱反射目標(biāo)有優(yōu)勢(shì)。

環(huán)境會(huì)對(duì)激光雷達(dá)有非常明顯的影響。雨、雪、霧會(huì)產(chǎn)生散射和大量噪聲點(diǎn)，太陽(yáng)直射或強(qiáng)光也會(huì)提高背景噪聲。因此，常用濾波、多幀融合、噪聲模型等手段減少影響，但任何單一傳感器在極端天氣下都不完美，因此在現(xiàn)階段，很多車企采用感知融合的方案，以提升環(huán)境感知的準(zhǔn)確性。

激光雷達(dá)在自動(dòng)駕駛里真正能做什么

把激光雷達(dá)裝車上，它主要解決把周圍環(huán)境做成三維幾何信息、幫助定位（和高精地圖配合）、以及為后續(xù)的檢測(cè)和路徑規(guī)劃提供幾何基礎(chǔ)等三件事。與攝像頭相比，激光雷達(dá)直接給出距離，受光照影響?。慌c毫米波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)角分辨率高、能更好還原物體形狀，但毫米波雷達(dá)在雨雪或直接測(cè)徑向速度上更穩(wěn)?，F(xiàn)在的主流做法是三類傳感器聯(lián)合使用，攝像頭負(fù)責(zé)豐富的語(yǔ)義（顏色、字符識(shí)別等），毫米波雷達(dá)負(fù)責(zé)速度和穿透性強(qiáng)的檢測(cè)，激光雷達(dá)負(fù)責(zé)精確三維定位和形狀還原，三者互補(bǔ)。

在算法鏈路上，激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理有一套常規(guī)流程。首先做去噪、坐標(biāo)變換（把傳感器點(diǎn)云變到車體坐標(biāo)或全局坐標(biāo)），如果需要還做多幀配準(zhǔn)提高稠密度。之后進(jìn)行地面分割（把路面從點(diǎn)云里分出來(lái)）、聚類（把點(diǎn)群分成獨(dú)立的物體）、特征提取，然后進(jìn)入檢測(cè)、分類和跟蹤模塊。有很多技術(shù)方案是把點(diǎn)云投影成鳥(niǎo)瞰圖（BEV）或做體素化（voxel），再用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做檢測(cè)或語(yǔ)義分割。處理時(shí)要在點(diǎn)云稀疏、尺度變化大和實(shí)時(shí)性要求之間做權(quán)衡，這對(duì)算力和模型設(shè)計(jì)都是考驗(yàn)。

圖片源自：網(wǎng)絡(luò)

為了讓自動(dòng)駕駛方案真實(shí)落地，還有時(shí)間同步、標(biāo)定、傳感器布局、熱管理和防護(hù)等諸多細(xì)節(jié)必須要考慮。時(shí)間同步很重要，激光雷達(dá)輸出頻率高，如果和IMU、攝像頭、GPS不同步，多傳感器融合會(huì)出問(wèn)題。外參標(biāo)定（把激光雷達(dá)和其他傳感器的相對(duì)位姿精確標(biāo)定）也必須精確到毫米級(jí)或小角度誤差，否則定位和感知誤差會(huì)累積。激光雷達(dá)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大，需要前端做預(yù)處理、濾波、壓縮或在專用芯片上做BEV投影來(lái)減輕主算負(fù)擔(dān)。激光雷達(dá)的標(biāo)注點(diǎn)云也比圖像更費(fèi)時(shí)，標(biāo)注工具、半自動(dòng)標(biāo)注和仿真生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)在訓(xùn)練流程中非常關(guān)鍵。

項(xiàng)目選型和測(cè)試要點(diǎn)

激光雷達(dá)有明顯優(yōu)點(diǎn)，但其成本和工程挑戰(zhàn)也讓很多車低配車望而卻步。激光雷達(dá)需要考慮的成本包括硬件采購(gòu)、安裝調(diào)試、長(zhǎng)期可靠性維護(hù)（尤其是機(jī)械件）、以及對(duì)更高算力和標(biāo)注的需求。由于氣象條件和被動(dòng)反射特性等限制，必須在方案中考慮退化策略，也就是當(dāng)激光雷達(dá)性能下降時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能依賴攝像頭或毫米波雷達(dá)來(lái)繼續(xù)工作或者降低功能等級(jí)。

如果是做L4級(jí)別的小范圍自動(dòng)駕駛、貨運(yùn)園區(qū)自動(dòng)駕駛或者需要高精地圖的服務(wù)，激光雷達(dá)幾乎是必選，因?yàn)樗芊€(wěn)定提供形狀和精確距離；如果目標(biāo)是面向普通乘用車的大規(guī)模量產(chǎn)、要把成本壓到最低，很多車企更傾向于用攝像頭+毫米波雷達(dá)作為主要傳感器。

對(duì)于如何選擇激光雷達(dá)，智駕最前沿建議先明確任務(wù)場(chǎng)景和安全目標(biāo)，再根據(jù)場(chǎng)景決定性能和冗余策略。選型時(shí)不要只看線數(shù)，一個(gè)傳感器的整體點(diǎn)云質(zhì)量更重要，關(guān)注有效點(diǎn)率、遠(yuǎn)端分辨率、視場(chǎng)、測(cè)距精度和回波穩(wěn)定性。安裝布局務(wù)必考慮遮擋、散熱、維護(hù)便捷性和清洗方案（尤其是在雨雪多發(fā)地區(qū)）。系統(tǒng)需要完整的時(shí)間同步方案和IMU緊耦合定位策略，并做自動(dòng)標(biāo)定和在線健康檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)外參漂移或傳感器異常。在算法上，要實(shí)現(xiàn)多傳感器退化策略、多幀融合和噪聲抑制，并把一部分點(diǎn)云預(yù)處理放到專用硬件上以節(jié)省主計(jì)算資源。

對(duì)于激光雷達(dá)的測(cè)試要覆蓋白天夜間、不同雨雪強(qiáng)度、霧霾、低反射材料（黑色、遠(yuǎn)處行人、薄荷葉、玻璃等）以及強(qiáng)光背光場(chǎng)景。盡可能用實(shí)際采集數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)結(jié)合的方法來(lái)擴(kuò)充訓(xùn)練集，標(biāo)注體系要包含不確定性和置信度信息，便于在邊緣場(chǎng)景下讓決策系統(tǒng)穩(wěn)健降級(jí)。

最后的話

激光雷達(dá)是傳感器鏈里的一環(huán)，好用不好用不只是硬件決定。傳感器選型、安裝調(diào)優(yōu)、時(shí)間同步、標(biāo)定、數(shù)據(jù)采集與標(biāo)注、算法設(shè)計(jì)、算力分配、整體冗余策略等都要配套做好，才能把激光雷達(dá)的性能真正轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定可靠的駕駛功能。

審核編輯 黃宇