浅析路侧激光雷达部署

引言

激光雷达是集激光、全球定位系统(GPs）和IMU(惯性测量装置）三种技术于一身的系统,相比普通雷达,激光雷达具有分辨率高、隐蔽性好、抗干扰能力更强等优势。激光雷达按功能不同可以分为激光测距雷达、激光测速雷达、激光成像雷达、大气探测激光雷达、跟踪雷达。

激光雷达目前广泛应用在自主移动机器人领域,包括无人汽车、无人飞机、水下机器人、仓储机器人、扫地机等。在智能汽车中,激光雷达用于地图的绘制、定位、可通行空间检测、障碍检测。激光雷达成本高,随着LTE-V2x车联网的快速发展,如何将激光雷达部署在路侧已引发越来越多的关注。

1激光雷达原理

激光雷达测距的基本原理是通过测算激光发射信号与激光回波信号的往返时间,从而计算目标距离。激光测距方式有脉冲法激光测距、相位法激光测距两大类。

脉冲激光测距雷达是通过计量器计算一段时间内进入计数器的脉冲个数来测量距离。假设有n个脉冲,脉冲之间的时间间隔为1,脉冲的振荡频率为/=1/1,则探测距离计算为:

其中,1=表示每个脉冲所代表的距离基准,计数n个脉冲,就可以得到探测距离R。

相位法测距方式则由激光发射器发出连续的激光信号,照射到障碍物上反射回来,测量光束在往返中会产生相位变化,计算往返的相位差,换算出障碍物距离。

一般智能汽车所用的激光雷达主要是脉冲激光测距雷达。

激光雷达按有无机械旋转部件,可以分为机械激光雷达、固态激光雷达和混合固态激光雷达。固态激光雷达依靠电子器件控制激光发射角,无需机械旋转部件,尺寸小,可安装于车内。机械旋转的激光雷达使用寿命一般在几千小时:固态激光雷达的使用寿命可高达10万h。

多线激光雷达,就是通过多个激光发射器在垂直方向上的分布,通过电机的旋转形成多条线束扫描。多少线束的激光雷达最为合适,主要是指多少线束的激光雷达扫描出来的物体能够适合算法的需求。理论上讲,当然是线束越多、越密,对环境描述就更加充分,这样还可以降低算法要求。常见的激光雷达线束有:16线、32线、64线等。

2激光雷达性能指标

激光雷达的主要性能参数有激光波长、探测距离、F0V(垂直+水平）、扫描频率、角分辨率、出点数、安全等级、IP防护等级、功率、供电电压、激光发射方式(机械/固态）等。

激光波长:目前市场上三维成像激光雷达最常用的波长是905nm和1550nm。1550nm波长LiDAR传感器可以以更高的功率运行,能提高探测范围,同时对于雨雾的穿透力更强。905nm波长的主要优点是硅在该波长处吸收光子,而硅基光电探测器通常比探测1550nm光所需的锢稼砷(InGaAs）近红外探测器便宜。

安全等级:激光雷达的安全等级是否满足C1ass1(人眼安全）要求,需要考虑特定波长的激光产品在完全工作时间内的激光输出功率,即激光辐射的安全性是波长、输出功率和激光辐射时间的综合作用的结果。

探测距离:激光雷达的测距与目标的反射率相关。目标的反射率越高,则测量的距离越远,目标的反射率越低,则测量的距离越近。因此,在查看激光雷达的探测距离时要知道该测量距离是目标反射率为多少时的探测距离。

F0V:激光雷达的视场角有水平视场角和垂直视场角。如果是机械旋转激光雷达,则其水平视场角为360o。

扫描频率:较高的扫描频率可以确保安装激光雷达的机器人实现较快速度的运动,并且保证地图构建的质量。但要提高扫描频率并不只是简单的加速激光雷达内部扫描电机旋转这么简单,还需要提高测距采样率。否则,当采样频率固定的情况下,更快的扫描速度只会降低角分辨率。

角分辨率:一个是垂直分辨率,另一个是水平分辨率。水平方向上做到高分辨率其实不难,因为水平方向上是由电机带动的,所以水平分辨率可以很高。一般可以达到0.01o级别。垂直分辨率与发射器几何大小相关,也与其排布有关系,相邻两个发射器间隔越小,垂直分辨率也就会越小。垂直分辨率为0.1～1o级别。

出点数:其是指每秒激光雷达发射的激光点数。激光雷达的点数一般从每秒几万点至几十万点左右。

目前市面上大多数激光雷达所标称的距离大多以90%反光率的漫反射物体(如白纸）作为测试基准。但实际上,对于黑色数据的有效检出也同样是一个重要的性能指标。深色物体吸收了绝大部分的光能量,要让激光雷达对于深色物体具有和白色物体一样的检出能力是不现实的,对于以机器视觉为核心的三角测距远离雷达而言更是如此。深色物体检测能力是目前激光雷达厂商力求突破的重要难点之一。

3激光雷达路侧部署方案

V2I中涉及的路侧信息发布应用主要包括信号灯相位广播及速度引导:车内电子标牌,如限速、限高、限宽、限重提醒,危险道路等路侧固定标牌提示内容:动态交通信息提示,如交通事故、道路施工、交通路况等:紧急车辆信号灯优先权。

路侧部署激光雷达,主要考虑两个重要场景:城市道路、高速公路。在城市道路的道路交叉口,采用对角线布置的两台基于路侧的3D激光雷达,可以实时精准地识别行人、非机动车等弱势交通群体和机动车的行为状态。激光雷达将周边200m半径范围内的所有物体及环境进行实时4D重建,在经过点云数据的特征提取后,将有异常移动轨迹的物体纳入到v2x系统中,利用RsU向周边或者更远距离接近的车辆进行广播,为正在接近路口的行人、非机动车和机动车提供路口通行信息及交通安全信息提示。

在高速公路端,可以将激光雷达布设在高速公路出入口处及高速公路事故多发地段,可以形成对周边区域200m半径范围内的交通信息全天候采集(包括出现的行人、机动车、非机动车等）。特别是当出入口处出现车辆异常行驶状态的时候,例如,车辆错过高速公路出口,司机采用倒车,以实线并线或者直接掉头的方式试图从已经错过的出口驶离高速,属于高危驾驶行为,通过激光雷达的特征提取,将该车的轨迹(车道级识别）和移动信息实时发送到后方lkm之内所有安装有v2xoBU的信息终端,对后方驾驶员进行提示。

通过路侧和运营车辆上激光雷达的布设,可以迅速提高v2x网络的信息获取能力,从而增强v2x后台数据综合分析测算能力,为基于v2x的大数据应用,实现高速公路及城市道路监管自动化控制打下良好的基础。

实际操作时,按激光雷达覆盖半径范围计算激光雷达的部署数量,根据实际场景需求来决定其安装方式以及传感器组合方式。如果是水平安装,安装高度一般为3m左右:如果只检测小范围,如停车场出口安装高度可在5m左右,可倾斜安装。

4结语

通过在路侧端布设激光雷达,在车联网建设初期,可大大提升车联网信息收集及周边环境感知能力,加速推动车联网形成规模:在车联网建设中后期,也可为商业化运营的车联网提供网络安全保障。本文介绍了激光雷达的原理、性能指标及路侧部署思路,供激光雷达厂商和车联网相关技术人员参考。