郭利強(qiáng)

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原030051）

隨著信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及傳感技術(shù)的應(yīng)用與推廣，無人駕駛車輛在民用以及軍事領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。無人駕駛車輛是具有環(huán)境感知能力的智能車輛，在無人車輛的行駛過程中，為確保行駛安全，需要無人車輛的環(huán)境感知部分獲取大量的周圍環(huán)境數(shù)據(jù)[1]。因而，環(huán)境感知是無人駕駛車輛中的關(guān)鍵組成部分，其主要是指通過各種傳感器采集、獲取車輛周邊環(huán)境的信息系統(tǒng)。從目前的無人駕駛車輛環(huán)境感知部分解決方案來看，所采用的傳感器主要包括：激光雷達(dá)、攝像頭、微波雷達(dá)等。

激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用在無人駕駛車輛中，可以提高對(duì)周圍環(huán)境的測(cè)量范圍以及測(cè)量精度，且具有較強(qiáng)的抗干擾能力，大幅提高了無人車輛的環(huán)境感知能力。因此，使用激光雷達(dá)探測(cè)無人駕駛車輛周圍的環(huán)境信息，已經(jīng)成為無人駕駛車輛研究中最重要的技術(shù)內(nèi)容。所以，對(duì)在無人駕駛車輛中激光雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 激光雷達(dá)原理

激光雷達(dá)的工作原理同傳統(tǒng)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)原理相似，由激光雷達(dá)的激光器在激勵(lì)源作用下，向目標(biāo)物發(fā)射激光脈沖，目標(biāo)物反射回來的激光信息由光電探測(cè)器進(jìn)行接收，接收到的信號(hào)經(jīng)由信號(hào)調(diào)理電路后，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)中的信息處理系統(tǒng)依據(jù)回波信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度、到達(dá)時(shí)間以及頻率變化等信息進(jìn)行計(jì)算分析，進(jìn)而得出測(cè)量的距離、目標(biāo)的角度等參數(shù)，最后對(duì)這些綜合信息進(jìn)行集合處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的屬性參數(shù)進(jìn)行表征。其系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。

圖1 激光雷達(dá)系統(tǒng)原理框圖

2 激光雷達(dá)的技術(shù)特征

按照掃描線數(shù)可以將激光雷達(dá)分為單線與多線兩種形式，根據(jù)激光雷達(dá)成像方法又能夠?qū)⒓す饫走_(dá)分為一維、二維、三維三種形式[2]。其中，一維雷達(dá)多用來對(duì)目標(biāo)距離進(jìn)行測(cè)量，即只能對(duì)平面目標(biāo)信息特征進(jìn)行表征。二維激光雷達(dá)可以用來對(duì)目標(biāo)物體輪廓進(jìn)行表征，例如可以對(duì)道路兩側(cè)的樹木位置等信息進(jìn)行表征。三維激光雷達(dá)可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確識(shí)別與跟蹤，被廣泛應(yīng)用于各種形式的無人駕駛、地圖測(cè)繪等領(lǐng)域。激光雷達(dá)具有以下特點(diǎn)[3]：a.具有較廣的覆蓋范圍，能夠適用于各種比較惡劣的環(huán)境；b.具有較強(qiáng)的抗干擾能力，且在使用過程中能夠有效地規(guī)避周邊環(huán)境中無線電波的干擾；c.可以對(duì)障礙物的各種參數(shù)信息進(jìn)行表征，例如植被、樹木、壕溝等；d.對(duì)后期數(shù)據(jù)處理技術(shù)要求較高；e.能夠獲取更加豐富的數(shù)據(jù)信息；f測(cè)距精度更高。

3 在無人車輛中激光雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 點(diǎn)云分割技術(shù)

激光雷達(dá)發(fā)射出一束激光，在該激光到達(dá)待檢測(cè)目標(biāo)后，目標(biāo)將激光反射回來，通過對(duì)反射回來的信息進(jìn)行計(jì)算分析，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的位置信息進(jìn)行表征，并進(jìn)行判別[4]。點(diǎn)云就是激光雷達(dá)生成的用來對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行表征的集合，由于點(diǎn)云數(shù)量較多，采用一般形式的聚類算法進(jìn)行信息數(shù)據(jù)分析無法滿足其要求。因此，在應(yīng)用過程中，點(diǎn)云分割技術(shù)是進(jìn)行目標(biāo)提取、分類的基礎(chǔ)，在處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)前，通常利用點(diǎn)云分割技術(shù)，將點(diǎn)云分割成大小不一且相互獨(dú)立的子集，突出重點(diǎn)，分而治之。

3.2 道路提取技術(shù)

無人駕駛車輛在行駛的過程中通常需要對(duì)路徑信息進(jìn)行提取與跟蹤，需要對(duì)道路的方向、坡度等特征進(jìn)行描述與表征。道路提取技術(shù)能夠在無人駕駛車輛快速行駛的過程中，及時(shí)地對(duì)行駛道路前方的環(huán)境信息進(jìn)行感知與識(shí)別。在激光雷達(dá)傳回的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，道路的形狀與障礙物相比具有規(guī)則性更強(qiáng)的特點(diǎn)，且兩者具有較為明顯的差異性，因而可以較為容易的對(duì)兩者進(jìn)行區(qū)分。在對(duì)激光雷達(dá)傳回的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行道路提取研究中發(fā)現(xiàn)，不同類型的激光雷達(dá)，道路提取效果不一。激光雷達(dá)按照不同的線束可以分為單線與多線[5]，其中單線激光雷達(dá)是無人駕駛車輛使用最為廣泛的一種激光雷達(dá),單線激光雷達(dá)在應(yīng)用的過程中，能夠?qū)Φ缆犯叨炔睢⒆呦?、路沿等特征進(jìn)行描述與表征，在車輛行駛速度較慢且道路規(guī)則性強(qiáng)的條件下具有較好的使用效果，其理想道路模型如圖2 所示。但在一些非標(biāo)準(zhǔn)性道路中，單線激光雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)則不能夠有效地表征出道路具體特征。多線激光雷達(dá)相較單線激光雷達(dá)而言，能夠采集到更加豐富的信息數(shù)據(jù)，相比單線激光雷達(dá)，能夠更好的對(duì)道路信息進(jìn)行表征，道路提取效果更佳。

圖2 理想道路模型

3.3 障礙物探測(cè)與跟蹤技術(shù)

激光雷達(dá)具有探測(cè)準(zhǔn)確性好、范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，激光雷達(dá)技術(shù)不僅能夠幫助無人駕駛車輛控制系統(tǒng)獲取目標(biāo)信息的精確位置，還可以獲取目標(biāo)信息的速度、大小、方向等其它信息特征。因而，激光雷達(dá)技術(shù)在障礙物探測(cè)與跟蹤方面具有較好的應(yīng)用效果，可以為無人駕駛車輛的安全行駛提供保障。無人駕駛車輛在行駛過程中，如果車輛周邊環(huán)境比較簡(jiǎn)單，則可以利用二維激光雷達(dá)信息障礙探測(cè)技術(shù)對(duì)那些具有明顯特征的障礙物進(jìn)行規(guī)避。但在復(fù)雜環(huán)境中，則需要利用三維激光雷達(dá)對(duì)障礙物進(jìn)行探測(cè)與跟蹤。文龍?zhí)岢鲈跓o人駕駛車輛行駛過程中，可以使用三維激光雷達(dá)相鄰掃描點(diǎn)距離特征來對(duì)地面進(jìn)行分割，并通過DBSCAN法計(jì)算出障礙物的信息數(shù)據(jù)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物進(jìn)行探測(cè)與跟蹤[6]。

3.4 環(huán)境建模技術(shù)

在無人駕駛車輛行駛的過程中，測(cè)量系統(tǒng)能夠快速、高效地對(duì)車輛周邊環(huán)境信息進(jìn)行描述與表征，這是確保無人駕駛車輛自主控制的關(guān)鍵。因此，有必要在行駛過程中，對(duì)車輛周邊環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)建模。就當(dāng)下而言，常用的環(huán)境建模技術(shù)主要有應(yīng)用柵格、幾何信息以及拓?fù)鋱D表示等。在車輛在行駛過程中，提取周邊環(huán)境、行人、道路等特征的方法眾多，但仍然會(huì)遇到一些特殊場(chǎng)景，無法有效地對(duì)環(huán)境特征進(jìn)行全面描述或表征，例如道路兩側(cè)的樹木、電線等。何月旺在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出可以借助RANSAC算法將車輛行駛的地面與其它特征物分離，之后采用GMM算法區(qū)分出樹木與灌木叢，并利用FCM模糊C均值類算法對(duì)道路兩側(cè)的樹木信息進(jìn)行描述與表征[7]。試驗(yàn)表明，該算法具有較好的應(yīng)用效果，表征環(huán)境信息的精度較高。

3.5 多傳感器信息融合技術(shù)

車輛在行駛過程中會(huì)遇到各種復(fù)雜的環(huán)境，激光雷達(dá)雖然能夠迅速地采集車輛周邊環(huán)境信息，但在具體的應(yīng)用過程中，激光雷達(dá)并不可以完美實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛周邊所有環(huán)境的建模、目標(biāo)探測(cè)等。因此，需要利用多傳感器信息融合系統(tǒng)，結(jié)合車輛行駛過程中的需求來構(gòu)建一個(gè)高效的周邊環(huán)境信息模型。在多傳感器信息融合技術(shù)應(yīng)用過程中，系統(tǒng)內(nèi)的每一個(gè)傳感器均有自己的坐標(biāo)信息，且不同類型的傳感器坐標(biāo)系表示形式各異。因此，為了保證在相同坐標(biāo)體系下對(duì)測(cè)量目標(biāo)進(jìn)行描述或表征，在信息融合前需要對(duì)坐標(biāo)體系進(jìn)行轉(zhuǎn)換。除此之外，在進(jìn)行多傳感器信息融合時(shí)，需要對(duì)多傳感器坐標(biāo)映射問題進(jìn)行分析。為充分發(fā)揮動(dòng)傳感器信息融合技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。杜軍通過對(duì)數(shù)據(jù)與視覺信息的統(tǒng)合，提出了一種可以研判顏色、幾何特征的方法[8]。姜允侃對(duì)不同形式傳感器在極端環(huán)境下的檢測(cè)情況進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析，并通過信息融合提升了感知系統(tǒng)的精確性[9]。

4 激光雷達(dá)在無人駕駛車輛中的實(shí)際應(yīng)用

谷歌自動(dòng)駕駛公司W(wǎng)aymo 早已將激光雷達(dá)應(yīng)用在無人駕駛車輛中，其激光雷達(dá)與傳感器布局如圖3 所示。主要在車頂、車頭及車身四周布置激光雷達(dá)，并在車頂位置同時(shí)布置攝像頭傳感器，以充分保障信息冗余，主計(jì)算機(jī)被設(shè)置在車輛后備箱位置。

圖3 無人駕駛汽車激光雷達(dá)與傳感器布局圖

目前在現(xiàn)有無人駕駛車輛中使用的激光雷達(dá)主流為機(jī)械掃描式，其主要是由MEMS 反射鏡、激光發(fā)射接收裝置、伺服電機(jī)等組成。機(jī)械掃描式激光雷達(dá)系統(tǒng)原理示意圖如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)原理示意圖

機(jī)械掃描式激光雷達(dá)所采用的測(cè)量方法為飛行時(shí)間法，其基本原理為：激光雷達(dá)首先會(huì)向目標(biāo)物體發(fā)射激光，當(dāng)激光到達(dá)目標(biāo)物體后，目標(biāo)物體將一部分光源反射回來，被接收器所接收，根據(jù)距離=（光速×?xí)r間）/2，這樣通過對(duì)光源飛行時(shí)間的測(cè)量即可使得每一個(gè)像素獲取到相互獨(dú)立的距離信息。

5 結(jié)論與展望

5G 時(shí)代到來，萬物互聯(lián)成為可能，激光雷達(dá)技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)總框架基礎(chǔ)性技術(shù)，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。尤其近些年來隨著車輛自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，車輛自動(dòng)駕駛逐漸由試驗(yàn)轉(zhuǎn)向?qū)嵱?，激光雷達(dá)技術(shù)作為一種使用最為廣泛的環(huán)境感知技術(shù)，具有使用環(huán)境廣、精度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提升無人駕駛車輛的安全性能。相信在不久的將來，隨著激光雷達(dá)技術(shù)的不斷完善，其必將為無人車輛的發(fā)展提供更大助力。