1、认知激光雷达智能网联汽车传感器技术与应用能力模块四掌握激光雷达技术与应用如今，无人驾驶技术已经成为汽车发展的一个大趋势，目前业界已经推出众多无人驾驶的试验车辆。“自动驾驶在中国有着非常好的前景，作为其核心传感器部件之一的车载激光雷达更是有着难以取代的地位。”你作为智能网联汽车传感器工程师，你知道激光雷达组成以及激光雷达相比其他传感器有什么特点吗？任务导入任任务务目目标标了解激光雷达的定义了解车载激光雷达的基本组成、类型及特点了解激光雷达发展前景及技术趋势了解激光雷达在智能网联的应用获得多途径检索知识、分析解决问题以及多元化思考解决问题的方法，形成创新意识。具有良好的团队协作精神和较强的组织沟通
2、能力。具备良好的职业道德，尊重他人劳动，不窃取他人成果。Contents目录激光雷达的定义143激光雷达在智能网联汽车的主要应用场景62激光雷达的基本组成激光雷达的类型激光雷达的特点激光雷达发展前景及技术趋势501激光雷达的定义激光雷达的定义激光雷达（LightDetectionandRanging，LiDAR），如图4-1-1所示，是一种光学遥感传感器，它通过向目标物体发射激光，然后根据接收反射的时间间隔确定目标物体的实际距离，根据距离及激光发射的角度，通过几何变化推导出物体的位置信息。激光雷达的定义激光雷达采集到的物体信息呈现出一系列分散的、具有准确角度和距离信息的点，被称为点云。02激光
3、雷达的基本组成激光雷达的基本组成单线激光雷达零件分解图多线激光雷达零件分解图03激光雷达的类型按线束划分按扫描方式划分激光雷达的类型按线束划分单线激光雷达扫描多线激光雷达扫描激光雷达的类型按扫描方式划分激光雷达按扫描方式大体可以分为三种类型，机械式、固态式和混合固态式，目前机械式最为常用，固态式属于未来的发展方向，混合式是机械式和纯固态式的折中方案，现阶段量产车主要搭载混合固态式激光雷达。激光雷达的类型按扫描方式划分机械旋机械旋转转式激光雷式激光雷达达发射系统和接收系统存在物理意义上的转动，不断的旋转发射器，将激光点变成线，并在竖直方向上排布多束激光发射器形成面，实现3D扫描的目标。但内部结构
4、复杂，主要包括激光器、扫描器、光电探测器以及位置和导航器件。激光雷达的类型按扫描方式划分微微转镜转镜激光雷达（混合固激光雷达（混合固态态）转镜激光雷达类似于机械式，保持收发模块不动，通过电机带动转镜运动，将激光反射到不同的方向实现一定范围内激光的扫描。奥迪A8混合固态激光雷达结构激光雷达的类型按扫描方式划分MEMS激光雷达（混合固激光雷达（混合固态态）通过微振镜代替机械式旋转装置，由微振镜反射激光形成较广的扫描角度和较大的扫描范围。大疆的Livox HAP（如下图所示）采用一边厚一边薄的双楔形棱镜方案，通过两个棱镜转速的调整，改变激光扫描方向，无需多个模组拼接就能实现更大的FOV。激光雷达的类
5、型按扫描方式划分泛光面泛光面阵阵式激光雷达（式激光雷达（Flash，固，固态态）泛光面阵式是目前全固态激光雷达中较为成熟的技术（快闪，原理类似相机），它可以短时间直接发出一大片覆盖探测区域的激光，以高灵敏度的接收器来完成周围环境的绘制，能快速记录整个场景，避免了扫描过程中雷达或目标的移动带来的影响。HFL118高分辨率闪光式固态车规激光雷达激光雷达的类型按扫描方式划分光学相控式激光雷达（光学相控式激光雷达（OPA，固，固态态）相控阵激光雷达采用多个光源组成阵列，通过控制各光源发光时间差（相对相位），合成具有特定方向的主光束，加以控制便可实现不同方向的扫描。OPA固态激光雷达S3系列工作原理04
6、激光雷达的特点具 有 极 高 的 分 辨 率01 激光雷达工作于光学波段，频率比微波高2 3 个数量级以上03 获 取 的 信 息 量 丰 富可 直 接 获 取 目 标的 距 离、角 度、反 射 强 度、速 度等 信 息，生 成 目标多维度图像02 抗 干 扰 能 力 强激 光 波 长 短，可 发射 发 散 角 非 常 小 的激 光 束，多 路 径 效应小，可探测低空/超低空目标04 可 全 天 时 工 作激光主动探测，不 依 赖 于 外 界 光照 条 件 或 目 标 本身的辐射特性。激光雷达的特点传感器种类适合测距体积量产成本技术成熟度机械式适合中远距离大机械结构复杂，成本很难下降高MEMS
7、 适合中远距离小较低中Flash 适合近距离，远距离精度低较小低中O PA 适合中远距离最小目前很高，未来可能很低低激光雷达的特点各类激光雷达的优缺点不同传感器种类的激光类也有不同的优缺点，根据下表了解不同种类的激光类的优缺点。05激光雷达发展前景及技术趋势激光雷达发展前景激光雷达技术趋势激光雷达发展前景及技术趋势激光雷达应用领域广泛，可应用于无人驾驶、高级辅助驾驶、服务机器人和智慧城市等各个领域。随着智能化技术的持续突破和升级，受无人驾驶车队规模扩张、高级辅助驾驶中激光雷达应用渗透率提升、以及服务型机器人及智能交通建设等领域需求的推动，预计激光雷达市场规模将实现快速扩容。提高激光雷达的测程、
8、视场覆盖和测量网格密度技技术术指指标标提提升升未来技术方案将沿着“机械式 半固态纯固态”的进程依次迭代变革。固固态态化技化技术术便于嵌入车身，有利于主机厂整车设计，可以类似车灯分布在四周，实现汽车周边监控或探测。小型化、小型化、轻轻量量化化激光雷达发展前景及技术趋势激光雷达技术趋势05激光雷达在智能网联汽车的主要应用场景激光雷达在智能网联汽车的主要应用场景障碍物分障碍物分类类障碍物追障碍物追踪踪高精度定高精度定位位感 谢 观 看智能网联汽车传感器技术与应用实现单线激光雷达的应用智能网联汽车传感器技术与应用 能力模块四掌握激光雷达技术与应用随着新能源汽车市场在全球范围内的爆发，越来越多的厂商开始
9、推出智能电动汽车。激光雷达几乎成为将要推出的智能电动汽车的“标配”，包括蔚来ET7、智己汽车、小鹏汽车、哪吒汽车等都或多或少发布了激光雷达的战略请问大家如何看待在未来，这样的技术路线的变化？下面一起来了解单线激光雷达的原理及应用。任务导入任任务务目目标标了解单线激光雷达工作原理了解激光测距分类理解激光雷达的标定了解单线激光雷达在智能网联汽车中的应用获得多途径检索知识、分析解决问题以及多元化思考解决问题的方法，形成创新意识。具有良好的团队协作精神和较强的组织沟通能力。具备良好的职业道德，尊重他人劳动，不窃取他人成果。Contents目录单线激光雷达工作原理12激光测距分类4单线激光雷达在智能网联
10、汽车中的应用激光雷达标定301单线激光雷达工作原理单线激光雷达工作原理工作原理单线激光雷达采用激光三角测距原理测距。每次测距过程中，激光雷达发射经过调制的红外激光信号，该激光信号在照射到目标物体后产生的反光将被激光雷达的视觉采集系统接收，然后经过嵌入在内部的处理器实时解算障碍物到被照射到的目标物体的距离。单线激光雷达工作原理以思岚科技的单线激光雷达为例，其主要由激光器、接收器、信号处理单元和旋转机构这4个核心组件构成。1.激光器激光器是激光雷达中的激光发射机构。在工作过程中，它会以脉冲的方式点亮。思岚科技的RPLIDAR A3系列雷达，每秒钟会点亮和熄灭16000次。单线激光雷达工作原理2.接
11、收器激光器发射的激光照射到障碍物以后，通过障碍物的反射，反射光线会经由镜头组汇聚到接收器上。单线激光雷达工作原理3.信号处理单元信号处理单元负责控制激光器的发射，以及接收器收到的信号的处理。根据这些信息计算出目标物体的距离信息。单线激光雷达工作原理4.旋转机构以上3个组件构成了测量的核心部件。旋转机构负责将上述核心部件以稳定的转速旋转起来，从而实现对所在平面的扫描，并产生实时的平面图信息。02激光测距分类激光测距分类根据发射激光信号的不同形式，激光测距方式可以分为脉冲法激光测距和相位法激光测距两大类。脉冲法是通过激光雷达的发射器发出脉冲激光照射到障碍物后有部分激光反射回来，由激光雷达的接收器接
12、收。同时激光雷达内部可以纪录发射和接收的飞行时间间隔，根据光速可以计算出要测量的距离S。c是光在空气中的传播速度，c=3108m/s；光脉冲从发射到接收的时间为T。激光测距分类相位法激光测距相位法由激光发射器发出强度调制的连续激光信号，照射到障碍物后反射回来，测量光束在往返中会产生相位的变化，通过计算激光信号在雷达与障碍物之间来回飞行产生的相位差，换算出障碍物的距离S。c是光在空气中的传播速度，c=3108m/s；f是正弦波频率；为发射波和返回波之间的相位差。激光测距分类对比分析优点缺点激光雷达脉冲法测量距离远，一般大于1000m。系统体积小，抗干扰能力强。精度较低，一般大于1m激光雷达相位法
13、测量精度高测量距离较近，一般为一个刻度L内的距离（300-1000m）。受激光调制相位测试精度和相位调制频率的限制，系统造价成本高03激光雷达标定激光雷达标定激光雷达与车体为刚性连接，两者的相对位姿不变，为了建立计算激光雷达与车辆间的相对位置关系，需要对激光雷达进行标定，使激光雷达搜集的数据由激光雷达坐标系统一到车体坐标系上。激光雷达标定通过建立车辆质心坐标系、雷达基准坐标系以及车载激光雷达坐标系，将激光雷达的数据转换到基准坐标系中，再将其统一转换到车辆坐标系下。激光雷达外部安装参数的标定，通常采用等腰直角三角标定板和正方形标定板来完成。需要标定的激光雷达的安装参数包括激光雷达的俯仰角与侧倾角
14、等。其他较好的标定方法还包括交互信息最大化外部自动标定法。激光雷达标定外参是激光雷达与其他坐标系（例如车辆后轴中心）之间的坐标系转换关系。我们主要标定的是俯仰角（x轴）和侧倾角（y轴）如图所示。04单线激光雷达在智能网联汽车中的应用单线激光雷达在智能网联汽车中的应用上图是中国智能车未来挑战赛部分参赛车的照片。可以看到，除了使用Velodyne多线激光雷达、Ibeo多线激光雷达外，他们都安装了SICK单线激 光雷达。单线激光雷达在智能网联汽车中的应用上图是激光雷达在车道检测和车道偏航预警的应用。单线激光雷达在智能网联汽车中的应用单线激光雷达在辅助驾驶里的应用是行人探测，实际上这也是一个前向防碰撞
15、的应用，与汽车防碰撞基本类似。由于单线激光雷达的角分辨率可以做到比多线激光雷达高，可在更远的距离提前发现行人，为控制系统或驾驶员留出更多的预警时间。感 谢 观 看智能网联汽车传感器技术与应用实现多线激光雷达的应用智能网联汽车传感器技术与应用 能力模块四掌握激光雷达技术与应用多线激光雷达主要应用于汽车的雷达成像，相比单线激光雷达在维度提升和场景还原上有了质的改变，可以识别物体的高度信息。多线激光雷达常规是2.5D，而且可以做到3D。目前在国际市场上推出的主要有 4线、8线、16 线、32 线和 64 线。下面一起了解RS-LiDAR-16激光雷达的原理及应用。任务导入任任务务目目标标了解多线激光
16、雷达工作原理掌握进制转换掌握多线激光雷达数据解析了解多线激光雷达的应用获得多途径检索知识、分析解决问题以及多元化思考解决问题的方法，形成创新意识。具有良好的团队协作精神和较强的组织沟通能力。具备良好的职业道德，尊重他人劳动，不窃取他人成果。Contents目录多线激光雷达工作原理12进制转换4多线激光雷达的应用多线激光雷达数据解析301多线激光雷达工作原理多线激光雷达工作原理这里以RS-LiDAR-16为例，RS-LiDAR-16 通过 16 个激光发射组件快速旋转的同时发射高频率激光束对外界环境进行持续性的扫描，经过测距算法提供三维空间点云数据及物体反射率，可以让机器看到周围的世界，为定位、
17、导航、避障等提供有力的保障。多线激光雷达工作原理RS-LiDAR-16 在垂直方向的角度范围是-15+15，角度间隔为2均匀分布。将16个光器定义为16 路通道，与真实的垂直角度对应关系如图所示。02进制转换进制转换理解进制含义1.二进制是以2为基数代表系统的二进位制。这一系统中，通常用两个不同的符号0（代表零）和1（代表一）来表示，现代的计算机和依赖计算机的设备里都使用二进制。每个数字称为一个比特（Bit）。2.八进制一种以8为基数的计数法，采用0，1，2，3，4，5，6，7八个数字，逢8进1，英文Octal，缩写OCT或O。3.十进制是组成以10为基础的数字系统，有0，1，2，3，4，5，
18、6，7，8，9十个基本数字组成。十进制，英文名称为Decimal System 缩写DEC或D。4.十六进制用16作为基数的计数系统，用数字0-9和字母A-F表示0到15。用H表示十六进制。进制转换十进制转二进制：用2辗转相除至结果为0，将余数和最后的1从下向上倒序写就是结果。例如302：302/2=151 余0151/2=75 余175/2=37 余137/2=18 余118/2=9 余09/2=4 余14/2=2 余02/2=1 余0故二进制为100101110进制转换二进制转换十进制例：二进制“1101100”1101100 二进制数6543210 排位方法例如二进制换算十进制的算法:1
19、*26+1*25+0*24+1*23+1*22+0*21+0*20说明：2代表进制，后面的数是次方（从右往左数，以0开始）64+32+0+8+4+0+0=108进制转换由于数据帧为十六进制数，需要转化为十进制数才能得到数值。十六进制转换十进制例：2AF5换算成10进制直接计算就是：5*160+F*161+A*162+2*163=10997(别忘了，在上面的计算中，A表示10，而F表示15)03多线激光雷达数据解析多线激光雷达数据解析帧头Header共42byte用于识别出数据的开始位置。在Header的42byte数据中有8byte用于数据包头的检测，剩下34byte中2130byte存储时间
20、戳，第31byte用于表示激光雷达的型号，其余作预留处理，为后续的更新升级使用。Header的8byte定义为0 x55，0 xAA，0 x05，0 x0A，0 x5A，0 xA5，0 x50，0 xA0可作为包的检查2第二次回波第一次回波n 12 RS-LiDAR-16 用户手册12序列。定义的时间戳用来记录系统的时间，分辨率为1us。多线激光雷达数据解析数据块区间是MSOP包中传感器的测量值部分，共1200byte。它由12个datablock组成，每个block长度为100byte，代表一组完整的测距数据。Datablock中100byte的空间包括：2byte的标志位，使用0 xffe
21、e表示；2byte的Azimuth，表示水平旋转角度信息，每个角度信息对应着32个的channeldata，包含2组完整的16通道信息。多线激光雷达数据解析在每个Block中，RS-LiDAR-16输出的水平角度值是该Block中第一个通道激光测距时的角度值。角度值来源于角度编码器，角度编码器的零位即角度的零点，水平旋转角度值的分辨率为0.01度。事实上每个datablock区域有32组的channeldata，对应两次16线测距信息，而每个datablock只有一个水平旋转角度值，因此单回波模式下每个datablock水平旋转角度值对应于该datablock中的第一次16线测距中的第一通道的
22、测量时的水平角度，第二次16线测距中的第一通道的水平角度对应需通过在点云解析过程中进行插值计算得到新的角度。多线激光雷达数据解析channeldata是3byte，高两字节用于表示距离信息，低一字节用于表示反射率信息，其中Distance是2byte，单位为cm，分辨率因为雷达固件版本的不同，有1cm和0.5cm的区别。Reflectivity是1byte，反射率信息为相对反射率，反射率信息可以反映实测环境下系统的反射率性能，通过反射率信息可以完成对不材质物体的区分。帧尾（Tail）长度6byte，4byte位预留信息，2byte的0 x00，0 xFF。多线激光雷达数据解析可通过Wiresh
23、ark软件实时的获取激光雷达的数据，通过Wireshark软件查看激光雷达返回给电脑的16进制的数据。04多线激光雷达的应用车辆上海现有一条绿化出来的路线专门用于自动驾驶，北京、长沙、深圳陆续都会出现这样的区域来运用自动驾驶技术。这会吸引众多做激光雷达的车厂、供应商、零部件厂商。多线激光雷达的应用多线激光雷达的应用安防美国与墨西哥边境墙中运用了激光雷达。在美国和墨西哥的边境入境口岸之间，埋设有数千个地面传感器。一旦有人越过边界区域时，地面传感器会检测到振动，随后，CBP（美国海关与边境保护局）就会在这一区域，布置无人机和摄像头，以做进行进一步的检查。多线激光雷达的应用智慧家居别墅、办公楼入口检测融入了激光雷达技术。在办公室等场所的自动门系统中，通常使用激光雷达检测行人，当激光雷达检测到门前有人经过时，系统会自动打开门锁。多线激光雷达的应用机器人激光雷达小型化后，可以运用到机器人、无人机等方面。激光雷达在机器人和无人机中的应用主要是与其他传感器一起在避障系统中做为检测模块，这样可以提高机器人或者无人机的性能。感 谢 观 看智能网联汽车传感器技术与应用
