激光雷達對于自動(dòng)駕駛汽車(chē)感知技術(shù)的應用

　　對自動(dòng)駕駛汽車(chē)日益增長(cháng)的興趣刺激了激光雷達技術(shù)的重大發(fā)展。這些3D激光雷達傳感器因其通過(guò)激光脈沖測量距離的準確環(huán)境感知而受到高度重視，因此已成為自主運輸不可或缺的安全組件。因此，移動(dòng)部門(mén)對它們的需求很大，并且對該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展有很大興趣

　　在這種興趣激增之前，激光雷達已經(jīng)使用了幾年，主要用于研究、制圖和空間分析。然而，早期的設備價(jià)格昂貴，通常體積龐大，并且需要經(jīng)常維護。技術(shù)進(jìn)步現在已經(jīng)使它們更強大、維護更少、成本更低、用戶(hù)友好，即使對于沒(méi)有專(zhuān)業(yè)3D數據分析專(zhuān)業(yè)知識的個(gè)人也是如此。

　　這種轉變使激光雷達吸引了越來(lái)越多的行業(yè)，帶來(lái)了新的應用領(lǐng)域。舉例說(shuō)明：

　　基于激光雷達的體積監測解決方案生成散裝材料庫存的數據，這些數據在以前使用替代方法難以收集。這些解決方案將實(shí)時(shí)數據自動(dòng)集成到庫存管理系統中，有助于提高農業(yè)、建筑和回收等行業(yè)的流程效率。

　　在安全系統領(lǐng)域，激光雷達傳感器在入侵檢測方面表現出色，提供了無(wú)與倫比的可靠性，并顯著(zhù)降低了誤報率。因此，它們是保護關(guān)鍵基礎設施和確保對要求高安全性的物體（如發(fā)電廠(chǎng)和機場(chǎng)）提供最佳保護的理想選擇。

　　激光雷達有助于人群管理，匿名跟蹤人群運動(dòng)模式。例如，旅游目的地采用激光雷達技術(shù)來(lái)監測游客數量，并在一個(gè)地區接近超額容量時(shí)通過(guò)移動(dòng)應用程序提供實(shí)時(shí)替代目的地建議，從而緩解擁堵。

　　什么是激光雷達？

　　激光雷達是“光探測和測距”的縮寫(xiě)，其工作原理是利用激光束進(jìn)行距離測量。早期的3D激光雷達傳感器，如第一輛自主測試車(chē)輛上所見(jiàn)，被稱(chēng)為旋轉激光雷達。這些設備的特點(diǎn)是體積龐大的組件安裝在車(chē)頂上，通過(guò)機械旋轉來(lái)獲取環(huán)境數據。這些早期的迭代是昂貴的，并且由于它們的移動(dòng)部件而需要定期維護。

　　為了緩解這些缺點(diǎn)，Blickfeld等公司采用了固態(tài)激光雷達技術(shù)，消除了對機械部件的需求。這一進(jìn)步帶來(lái)了更可靠、更小、更具成本效益的傳感器。

　　在固態(tài)掃描激光雷達中，激光二極管每秒鐘向MEMS反射鏡（微機電系統）發(fā)射數十萬(wàn)個(gè)激光脈沖，這些反射鏡以各自的頻率振動(dòng)。這些MEMS反射鏡被精確定位，以錐形偏轉激光束，而沒(méi)有機械磨損。由于在微型傳感器生產(chǎn)方面的成熟發(fā)展，這些元件可以可靠和廉價(jià)地大量生產(chǎn)。

　　發(fā)射的光脈沖在它們的路徑上被物體反彈，并被傳感器再次捕獲。通過(guò)測量光傳播距離所需的時(shí)間，激光雷達可以計算出傳感器和檢測到的物體之間的精確距離（飛行時(shí)間原理）。這個(gè)過(guò)程能夠創(chuàng )建周?chē)h(huán)境的高度精確的3D表示（所謂的點(diǎn)云）。

　　本質(zhì)上，該技術(shù)的工作原理類(lèi)似于雷達，雷達使用電磁波測量距離和速度，當它遇到金屬表面時(shí)特別可靠，但遇到其他材料時(shí)就不那么可靠了。一般來(lái)說(shuō)，雷達提供的細節比激光雷達少。3D激光雷達可以非常精確地捕捉物體的空間位置和形狀，高度獨立于它們的表面材料。

　　3D成像之路

　　各種激光雷達傳感器的功能取決于它們的視野，從而決定了它們可以收集的信息量：

　　1D激光雷達：涉及使用一個(gè)單一的激光脈沖指向一個(gè)方向，允許在特定點(diǎn)的距離測量。這項技術(shù)適用于收費亭之類(lèi)的應用，但它無(wú)法洞察物體的類(lèi)型、大小或形狀。

　　2D激光雷達：利用水平旋轉的激光脈沖來(lái)測量距離和運動(dòng)方向，通過(guò)分析反射點(diǎn)和距離來(lái)提供關(guān)于物體形狀的附加信息。2D激光雷達傳感器廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化和機器人領(lǐng)域。然而，物體只能在傳感器平面的高度被探測到，排除了精確的尺寸評估。例如，當在警報系統中使用膝蓋高的物體時(shí)，相對較小的動(dòng)物會(huì )觸發(fā)警報，導致頻繁的錯誤警報。升高觀(guān)察平面可能會(huì )讓人類(lèi)通過(guò)爬行或蹲伏來(lái)躲避探測。

　　3D激光雷達：通過(guò)水平和垂直旋轉激光脈沖，創(chuàng )建了一個(gè)錐形視野，使激光雷達傳感器能夠捕捉三維空間數據。這第三維度對于獲得周?chē)h(huán)境的精確空間表示、在許多應用領(lǐng)域貢獻有價(jià)值的數據以及打開(kāi)全新的可能性是至關(guān)重要的。為了保持在報警系統的范圍內，3D激光雷達確保檢測到對安全區域的每一次入侵，并確定入侵對象的大小。在軟件中，可以根據對象大小設置觸發(fā)警報的閾值，從而顯著(zhù)減少錯誤警報和未經(jīng)授權的入侵。

在安全應用中，激光雷達用戶(hù)可以定義區域，在這些區域中，任何入侵都可以被可靠地檢測到，并且誤報率非常低。（圖片：Blickfeld）

　　圖像識別與激光雷達

　　3D激光雷達傳感器提供直接的距離信息，而相機主要捕捉光線(xiàn)和顏色細節，但不測量空間信息。這些直接測量的距離值提供了顯著(zhù)的優(yōu)勢。盡管現代人工智能支持的軟件可以從相機數據中獲取3D信息，但3D激光雷達可以直接、更快、更精確地提供空間信息。這對于依靠精確距離測量來(lái)安全導航和避免碰撞的自動(dòng)駕駛汽車(chē)和無(wú)人機來(lái)說(shuō)尤其有益。

　　下一層：智能激光雷達

智能激光雷達Qb2以絕對值的形式提供結果，但也可以根據請求輸出點(diǎn)云。（圖片：Blickfeld）

　　智能激光雷達傳感器需要先進(jìn)的光學(xué)和電子硬件組件，以及用于分析收集數據的功能強大的軟件。在大多數情況下，來(lái)自傳感器的3D數據被傳輸到外部計算機，在那里感知軟件被用于分析。

　　然而，Blickfeld通過(guò)開(kāi)發(fā)Qb2簡(jiǎn)化了這一過(guò)程，Qb2是一種集成了所有必要數據分析軟件的激光雷達傳感器?；旧?，傳感器的“眼睛”和“大腦”現在都在一個(gè)設備中，便于立即訪(fǎng)問(wèn)可用數據，而不需要額外的計算機硬件或網(wǎng)絡(luò )附件。這使得更廣泛的受眾可以訪(fǎng)問(wèn)3D數據，甚至是那些沒(méi)有專(zhuān)業(yè)3D數據分析技能的受眾。

　　由此產(chǎn)生的信息可以使用MQTT和API等標準通信協(xié)議直接無(wú)縫傳輸到物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統或云。這允許全球員工實(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)結果，在平板電腦或智能手機上的標準網(wǎng)絡(luò )瀏覽器中輕松查看。此外，由于只需要傳輸少量數據，因此通過(guò)Wi-Fi傳輸是可行的，進(jìn)一步減少了電纜需求。這在具有多個(gè)傳感器的系統中尤其有利，例如那些通常用于監控大量散裝材料庫存的系統，顯著(zhù)簡(jiǎn)化了安裝和操作。

　　激光雷達可以幫助傳統行業(yè)數字化

　　采用3D激光雷達技術(shù)的企業(yè)能夠立即認識到其優(yōu)勢，由于精確的實(shí)時(shí)信息，這可以導致數字化和更有效的流程。因此，3D激光雷達有可能顯著(zhù)提高各行業(yè)供應鏈的數字化水平，并在解決以前成本高昂、勞動(dòng)密集型或可能無(wú)法實(shí)現的特定任務(wù)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。將軟件集成到設備中使幾乎任何人都能從3D數據中受益，即使沒(méi)有專(zhuān)業(yè)知識。

　　審核編輯：黃飛