2.2.4 激光雷達

激光雷達是光學雷達的一種，其工作原理是向被探測目標發射一束激光，然后根據接收反射回來的激光時間差來計算探測目標的距離。激光雷達能以每秒50000～200000個脈沖的速度覆蓋一個區域，并將返回信號編譯成一個3D點云，通過比較連續感知的點云、物體的差異檢測其運動，由此創建一個250m范圍內的3D地圖。與超聲波雷達相比，其優勢在于分辨率高、精度高，抗有源干擾能力強，獲取信息豐富。但激光雷達也有明顯的缺點：雨雪、霧霾天氣精度降低；難以分辨交通標志的含義和交通信號燈顏色；接收的是光信號，容易受其他光源影響，且大氣環流會使激光光束發生畸變；現階段成本較高。

隨著技術的發展，國內外生產激光雷達的廠商已經逐漸發展起來。例如威力登（Velodyne）推出了16線、32線、64線和128線激光雷達產品。高能技（Quanergy）早期推出的8線激光雷達產品M-8（固態激光雷達）。Ibeo推出的主要是4線激光雷達產品，主要用于輔助駕駛。速騰聚創（RoboSense）推出的是16線、32線、64線和128線激光雷達產品（圖2-17）。速騰128線激光雷達參數見表2-4。

表2-4 速騰128線激光雷達參數

圖2-17 速騰聚創128線激光雷達

激光雷達的激光波長很短，集中在600~1000nm之間，而波長越短探測精度越高，因此激光雷達可用來測量物體的距離和形狀尺寸等信息。以速騰聚創公司生產的128線激光雷達為例，其在0~230m距離上的探測精度高達±3cm，完全滿足自動駕駛車輛對高精度定位和地圖構建的需要。在實際工作中，激光雷達不像毫米波傳感器一樣只能向一個固定范圍發射毫米波，而是能以穩定的角速度水平旋轉，360°不停發射激光束，接收機也在不停地接收反射回來的目標信息，因此激光雷達可以對車輛周圍所有的道路和目標信息進行不停檢測。在激光雷達工作過程中，每一束激光反射回來的都是一個點的三維坐標信息，而雷達每旋轉一周會收集到大量點的坐標信息，這些坐標點信息的集合，稱為點云。點云的三維坐標信息以極坐標的形式組成，代表了激光雷達水平旋轉的角度和距離量，為將點云轉換為笛卡兒爾坐標系下的x、y、z坐標（圖2-18、圖2-19），需要進行坐標轉換，轉換公式為：

式中，r為激光雷達測量的目標距離；ω為激光的垂直角度；α為激光的水平旋轉角度；δ為通道的水平偏移角度；x、y、z分別為極坐標投影到X、Y、Z軸上的坐標。

激光雷達最大的優點在于其高精度的地圖構造能力，但其缺點同樣非常明顯，即價格高昂。前面提到的國產128線激光雷達售價高達50萬元，已經超過了大多數小型汽車的售價，即使是性能較低的16線激光雷達，售價依然高達數萬元。同時，激光雷達在使用中會產生海量的需處理的點云數據，例如128線激光雷達每秒需處理的點云數據高達800萬個，這無疑對負責坐標轉換工作的硬件處理設備提出了極高的要求。從經濟角度講，硬件有越強的處理能力，其售價必然越高，因此激光雷達處理數據的計算平臺的成本也較高。較高的計算成本加之激光雷達高昂的售價，極大推高了整個自動駕駛系統的成本，不利于技術推廣。

圖2-18 笛卡兒坐標系和激光雷達點云坐標系的轉換

圖2-19 激光雷達通過坐標轉換生成的點云地圖