完全自主的明天的承諾似乎不再是白日夢。今天，圍繞自治的問題集中在基礎技術和使自治成為現(xiàn)實所需的進步上。光探測和測距 （LIDAR） 已成為支持向自主應用轉(zhuǎn)變的討論最多的技術之一，但仍然存在許多問題。范圍大于 100 m 和 0.1° 角分辨率的激光雷達系統(tǒng)繼續(xù)主導自動駕駛技術的頭條新聞。

但是，并非所有自治應用程序都需要這種級別的性能。代客泊車輔助和街道清掃等應用就是兩個這樣的例子。有許多深度傳感技術支持這些應用，例如無線電探測和測距（雷達）、立體視覺、超聲波探測和測距以及激光雷達。然而，這些傳感器中的每一個都在性能、外形尺寸和成本之間進行了獨特的權衡。超聲波設備是最實惠的，但在范圍、分辨率和可靠性方面受到限制。雷達的范圍和可靠性有了很大提高，但它也有角度分辨率的限制，而立體視覺如果沒有正確校準，可能會有很大的計算開銷和精度限制。周到的 LIDAR 系統(tǒng)設計有助于通過精確的深度感應彌合這些差距，精細的角度分辨率和低復雜度的處理，即使在遠距離。然而，激光雷達系統(tǒng)通常被認為體積龐大且成本高昂，但事實并非如此。

激光雷達系統(tǒng)設計始于識別系統(tǒng)需要檢測的最小物體、該物體的反射率以及該物體的定位距離。這將定義系統(tǒng)的角分辨率。從中可以計算出可實現(xiàn)的最小信噪比 （SNR），這是檢測對象所需的真/假陽性或陰性檢測標準。

了解做出適當設計權衡所需的感知環(huán)境和信息量，可以開發(fā)相對于成本和性能的最佳解決方案。例如，考慮一輛自動駕駛汽車以 100 公里/小時（~27 英里/小時）的速度在道路上行駛，而自動機器人則以 6 公里/小時的速度在行人空間或倉庫周圍行駛。在高速情況下，不僅要考慮以 100 kph 速度行駛的車輛，還要考慮另一輛以相同速度沿相反方向行駛的車輛。對于感知系統(tǒng)，這相當于一個物體以 200 公里/小時的相對速度接近。對于檢測最大距離為 200 m 的物體的 LIDAR 傳感器，車輛將在短短一秒鐘內(nèi)將它們之間的距離縮小 25%。應該強調(diào)的是，車輛的速度（或物體的非線性接近速度）、停車距離和執(zhí)行規(guī)避機動所涉及的動力學是每種情況所特有的復雜性。一般來說，可以說高速應用需要更遠距離的激光雷達系統(tǒng)。

分辨率是激光雷達系統(tǒng)設計的另一個重要系統(tǒng)特性。精細的角分辨率使激光雷達系統(tǒng)能夠接收來自單個物體的多個像素的返回信號。如圖 1 所示，1° 的角分辨率轉(zhuǎn)換為 200 m 范圍內(nèi)每邊 3.5 m 的像素。這種大小的像素比許多需要檢測的對象都大，這帶來了一些挑戰(zhàn)。一方面，空間平均通常用于提高 SNR 和可檢測性，但每個對象只有一個像素，這不是一種選擇。此外，即使檢測到，也無法預測對象的大小。一塊道路碎片、一只動物、一個交通標志和一輛摩托車通常都小于 3.5 m。相比之下，系統(tǒng)為 0。1° 角分辨率的像素小 10 倍，應在 200 m 距離處測量平均寬度汽車上大約五個相鄰的返回。大多數(shù)汽車的尺寸通常比它們的高度要寬。因此，該系統(tǒng)可能會區(qū)分汽車和摩托車。

與方位角相比，檢測物體是否可以安全駛過需要更精細的仰角分辨率。現(xiàn)在想象一下，自動真空機器人的要求可能有多么不同，因為它移動緩慢并且需要檢測窄而高的物體，例如桌腿。

定義了行駛距離和速度，以及確定了目標和后續(xù)性能要求后，就可以確定 LIDAR 系統(tǒng)設計的架構（參見圖 2 中的示例 LIDAR 系統(tǒng)）。有多種選擇可供選擇，例如掃描與閃光，或直接飛行時間 （ToF） 與波形數(shù)字化，但它們的取舍超出了本文的范圍。

（圖 1。具有 32 個垂直通道的激光雷達系統(tǒng)以 1° 的角分辨率水平掃描環(huán)境。）

（圖 2。激光雷達系統(tǒng)的離散組件。）

（圖 3. Analog Devices AD-FMCLIDAR1-EBZ LIDAR 開發(fā)解決方案系統(tǒng)架構。）

范圍或深度精度與 ADC 采樣率有關。距離精度使系統(tǒng)能夠準確地知道物體的距離，這在需要近距離移動的用例中至關重要，例如停車場或倉庫物流。此外，范圍隨時間的變化可用于計算速度，此用例通常需要更高的范圍精度。使用簡單的閾值算法（例如直接 ToF），對于 1 ns 采樣周期（即使用 1 GSPS ADC）可實現(xiàn)的距離精度為 15 cm。這計算為 c（dt/2），其中 c 是光速，dt 是 ADC 采樣周期。然而，鑒于包含 ADC，可以使用更復雜的技術（例如插值）來提高范圍精度。作為估計，距離精度可以通過大致 SNR 的平方根來提高。處理數(shù)據(jù)的最高性能算法之一是匹配濾波器，它可以最大化 SNR，然后進行插值以產(chǎn)生最佳距離精度。

AD- FMCLIDAR1 -EBZ是一款高性能 LIDAR 原型設計平臺，是一款 905 nm 脈沖直接 ToF LIDAR 開發(fā)套件。該系統(tǒng)可以為機器人、無人機、農(nóng)業(yè)和建筑設備以及具有一維靜態(tài)閃存配置的 ADAS/AV 進行快速原型設計。為本參考設計選擇的組件針對長距離脈沖激光雷達應用。該系統(tǒng)采用由高速雙路 4 A MOSFET ADP3634驅(qū)動的 905 nm 激光源設計。它還包括一個由可編程電源LT8331供電的 First Sensor 16 通道 APD 陣列，以產(chǎn)生 APD 電源電壓。有多個 4 通道LTC6561TIA 具有低噪聲和高帶寬，以及AD9094 1 GSPS、8 位 ADC，其每通道的最低功耗為 435 mW/通道。將繼續(xù)需要增加帶寬和采樣率，這有助于提高整體系統(tǒng)幀率和提高范圍精度。同時，將功耗降至最低也很重要，因為較少的散熱可簡化熱/機械設計并允許減小外形尺寸。

EVAL-ADAL6110-16 是另一個有助于激光雷達系統(tǒng)設計的工具，是一種高度可配置的評估系統(tǒng)。它為需要實時 （65 Hz） 物體檢測/跟蹤的應用提供了一個簡化但可配置的 2D 閃光激光雷達深度傳感器，例如防撞、高度監(jiān)控和軟著陸。

參考設計中使用的光學器件可實現(xiàn) 37°（方位角）乘 5.7°（仰角）的視場 （FOV）。使用 16 個像素的方位角線性陣列，20 m 處的像素大小與普通成年人相當，0.8 m（方位角）×2 m（仰角）。如前所述，不同的應用可能需要不同的光學配置。如果現(xiàn)有的光學器件不能滿足應用需求，印刷電路板可以很容易地從外殼中取出并集成到新的光學配置中。

該評估系統(tǒng)圍繞 ADI 的ADAL6110-16 構建，該 ADAL6110-16 是一款低功耗、16 通道、集成 LIDAR 信號處理器 （LSP）。該器件提供用于照亮感興趣區(qū)域的時序控制、對接收波形進行采樣的時序以及對捕獲的波形進行數(shù)字化的能力。ADAL6110-16 對敏感模擬節(jié)點的集成降低了本底噪聲，使系統(tǒng)能夠捕獲非常低的信號返回，而不是使用具有相似設計參數(shù)的分立元件來實現(xiàn)相同的信號鏈，因為 rms 噪聲會在設計中占主導地位。此外，集成信號鏈允許 LIDAR 系統(tǒng)設計減小尺寸、重量和功耗。

該系統(tǒng)軟件可實現(xiàn)快速正常運行時間進行測量并開始使用測距系統(tǒng)。它是完全獨立的，通過 USB 使用 5 V 單電源供電，并且還可以通過提供的機器人操作系統(tǒng) （ROS） 驅(qū)動程序輕松集成到自主系統(tǒng)中。用戶只需為接頭創(chuàng)建一個連接器，即可與他們的機器人或車輛連接，并通過四種可用的通信協(xié)議之一進行通信：SPI、USB、CAN 或 RS-232。該參考設計還可以針對不同的接收器和發(fā)射器技術進行修改。

如前所述，可以修改 EVAL-ADAL6110-16 參考設計的接收器技術以創(chuàng)建不同的配置，如圖 5 至圖 7 所示。EVAL-ADAL6110-16 配有 Hamamatsu S8558 16 元件光電二極管陣列。表 1 中顯示的不同距離處的像素大小基于 0.8 mm × 2 mm 的有效像素大小以及 20 mm 焦距鏡頭。例如，如果使用單個光電二極管（例如歐司朗 SFH-2701）重新設計同一塊電路板，每個光電二極管的有效面積為 0.6 mm × 0.6 mm，則相同范圍內(nèi)的像素尺寸會隨著 FOV 的變化而大不相同。像素的大小。

表 1. EVAL-ADAL6110-16中使用的接收器尺寸和光學器件以及如果接收器更改為 SFH-2701 時的潛在像素排列

（圖 5。Hamamatsu S8558 PIN 光電二極管陣列的尺寸。）

例如，讓我們回顧一下 S8558，它的 16 個像素排列成一條直線，每個像素

像素尺寸：2 毫米 × 0.8 毫米。

（圖 6。使用簡單光學器件的角度分辨率的基本計算。）

選擇焦距為 20 mm 的鏡頭后，可以使用基本三角法計算每個像素的垂直和水平 FOV，如圖 6 所示。當然，鏡頭選擇可能涉及其他更復雜的考慮，例如像差校正和場曲。 然而，對于像這樣的低分辨率系統(tǒng)，簡單的計算通常就足夠了。

所選的 1 × 16 像素 FOV 可用于自動駕駛車輛和自動地面車輛的目標檢測和防撞等應用，或在倉庫等受限環(huán)境中為機器人啟用同步定位和映射 （SLAM）。

一個獨特的應用涉及在 4 × 4 網(wǎng)格中配置陣列以檢測系統(tǒng)周圍的物體。這個正在開發(fā)中的應用程序?qū)惭b在汽車和房車上，作為車輛周圍的安全氣泡，如果分心的人在公共汽車附近行走，可以警告駕駛員。該系統(tǒng)可以檢測個人行走的方向，并通過停止車輛或用喇叭提醒行人來警告駕駛員采取行動，以防止撞到個人或騎自行車的人。

請記住，并非每個應用都需要 0.1° 角分辨率和 100 m 范圍?；〞r間考慮應用程序?qū)す饫走_系統(tǒng)設計的真正需求，然后明確定義關鍵標準，例如物體大小、反射率、到物體的距離以及自主系統(tǒng)的行駛速度。這將為組件選擇提供信息，以實現(xiàn)與系統(tǒng)所需功能相關的最佳性能和成本的平衡設計，最終增加首次成功設計的可能性。

　　作者：Sarven Ipek ，Ron Kapusta

審核編輯：郭婷