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        自動駕駛的明眸慧眼

        2021-10-15 06:35:33史金陽陳鯤
        知識就是力量 2021年10期

        史金陽 陳鯤

        什么是雷達(dá)?

        雷達(dá)一詞來源于Radar的英文音譯,是英文“無線電探測與測距”的縮寫。顧名思義,雷達(dá)的作用是發(fā)現(xiàn)目標(biāo)與確定目標(biāo)的“位置”,這和我們眼睛的功能是極為相似的。

        那么雷達(dá)是如何工作的呢?舉個形象的例子,當(dāng)我們處于一個沒有燈光的黑暗環(huán)境時,我們很難通過肉眼分辨周圍的物體。此時我們打開手電筒,周圍變得清晰并且可以比較準(zhǔn)確地定位周圍物體的相對位置。這個發(fā)現(xiàn)周圍物體的過程可以分解為以下步驟:

        首先,我們使用手電筒發(fā)射燈光,使得手電光照在周圍的物體上,由于物體的表面不能完全吸收這些光,所以會反射一些光到環(huán)境中。隨后,眼睛接收到這些反射的燈光并把眼睛接收的燈光信息轉(zhuǎn)換為神經(jīng)脈沖信號。神經(jīng)脈沖信號經(jīng)過神經(jīng)的傳導(dǎo)到達(dá)大腦。最后,大腦經(jīng)過判斷,意識到周圍物體的存在并根據(jù)雙眼角度確定物體的相對位置。當(dāng)然,以上過程只在一瞬間就完成了。

        如果將上述過程中的手電筒換成一個雷達(dá)的發(fā)射機,接收光線的眼睛替換為雷達(dá)的接收機,雷達(dá)的信號處理系統(tǒng)等效為大腦,我們就可以形象地理解雷達(dá)系統(tǒng)的運作原理了。雷達(dá)通過脈沖回波與發(fā)射脈沖的間隔確定與目標(biāo)的距離。之后通過實驗測量出電磁波在當(dāng)?shù)丨h(huán)境下的傳播速度,然后便可以通過確定發(fā)射脈沖與反射波的間隔確定電磁波的飛行時間。當(dāng)我們擁有了速度與時間兩個參量,我們就可以使用速度與時間的乘積的一半計算出兩者間隔的距離。

        全天候“服務(wù)管家”——毫米波雷達(dá)

        毫米波指波長介于1~10納米的電磁波,毫米波雷達(dá)則指工作在毫米波波段的雷達(dá)。毫米波的波長介于厘米波和光波之間,因此毫米波兼有微波制導(dǎo)和光電制導(dǎo)的優(yōu)點。毫米波雷達(dá)得益于特殊的高增益天線(天線增益越高,方向性越好)設(shè)計,它的方向性極強,能夠準(zhǔn)確地辨別障礙物的相對位置。假如當(dāng)雷達(dá)的方向性相對較差的時候,它將照射一個較大的范圍,那么如果出現(xiàn)障礙物,我們很難準(zhǔn)確測量它的相對位置,只能確定它在這個范圍內(nèi)的某個位置附近。而當(dāng)雷達(dá)的方向性較好的時候,一旦探測到了物體,物體的位置就可以更加準(zhǔn)確地框在這個較小的范圍內(nèi)。

        由于毫米波具有較好的穿透性,所以毫米波雷達(dá)在煙霧、揚塵環(huán)境中仍然可以對周圍環(huán)境準(zhǔn)確感知,具有全天候全天時的特點。這些特性對于自動駕駛而言極為重要,它可以在能見度較差的條件下分辨來往車輛、人員、低矮路障以及細(xì)小障礙物,避免車輛因為缺乏對周圍信息的感知而作出錯誤決策,從而為乘客的安全提供有效的保障。

        駕駛界的“香餑餑”——激光雷達(dá)

        要想實現(xiàn)車輛的輔助駕駛或更高階的自動駕駛,車輛必須要能感知自己所處的環(huán)境,這對于汽車行業(yè)是一個新的挑戰(zhàn),也是實現(xiàn)自動駕駛最關(guān)鍵的一步。

        激光雷達(dá)也可以叫作Lidar,就是激光(Laser)與雷達(dá)(Radar)的集合。其實大家對它并不陌生,因為在很多無人駕駛汽車在道路上進(jìn)行行駛實驗時,車頂上都會架一個看上去和攝像頭差不多,但是會一直在一定角度內(nèi)旋轉(zhuǎn)的“小罐子”,那通常就是激光雷達(dá)了。

        激光雷達(dá)是一種利用光波進(jìn)行測量的主動探測方式。主動探測方式是指探測系統(tǒng)通過接收自身發(fā)出的信號回波來進(jìn)行測量,區(qū)別于例如攝像機等通過接收環(huán)境光獲取信號的被動探測方式。激光雷達(dá)通過測量激光從發(fā)出經(jīng)障礙物反射到被傳感器接收所經(jīng)歷的時間,來計算障礙物的距離。

        大腦發(fā)現(xiàn)物體的過程(供圖/ 史金陽)

        搭載雷達(dá)的無人駕駛汽車(供圖/ 史金陽)

        舉個例子來說,毫米波雷達(dá)可以發(fā)現(xiàn)路邊障礙,但只能“看到”模糊形體,而厘米級精度的激光雷達(dá)則可以在極短時間內(nèi)清楚區(qū)分出障礙是路肩還是斜坡。若無人駕駛汽車斷定是斜坡后,就可以作出安全開上車道的決策。這種精度對上路行駛的無人駕駛汽車而言,可以更接近極致安全。

        由于激光波長比毫米波短3個數(shù)量級,因此分辨率精度比毫米波強很多,可以清楚地識別周圍的車輛、行人與障礙物。但由于大多數(shù)物體在激光波段存在吸收與反射,傳播距離也比毫米波短不少,雨天時,激光可能被雨滴吸收或反射,干擾行車安全。由于車路協(xié)同是未來自動駕駛的趨勢,激光雷達(dá)也可以應(yīng)用到路端,由路端實時掃描并同步推送給附近車輛。

        ?雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)飛行物的過程(供圖/史金陽)

        激光雷達(dá)與毫米波雷達(dá)是汽車探路的左膀右臂。激光雷達(dá)處理近處高精度的建模,在復(fù)雜的街道保障行車安全。毫米波雷達(dá)處理遠(yuǎn)處低精度的建模,保障復(fù)雜天氣的行車安全。

        期待未來的無人駕駛汽車可以搭載低成本的激光雷達(dá)與毫米波雷達(dá),全面應(yīng)對復(fù)雜的道路狀況,讓出行變得更安全,交通更順暢。

        ?激光雷達(dá)的掃描感知圖(供圖/陳鯤)

        激光雷達(dá)測距效果圖

        知識拓展? ? 激光雷達(dá)“大解剖”

        激光雷達(dá)主要由激光發(fā)射模塊、接收模塊、掃描器、透鏡天線和信號處理模塊組成。

        激光發(fā)射模塊主要是發(fā)射激光脈沖,調(diào)控激光光束;激光接收模塊主要是接收返回的激光,產(chǎn)生信號;信息處理模塊主要是將信號放大分析計算并建模。而掃描器的主要作用則是以一定形式驅(qū)動雷達(dá)在一個或多個平面內(nèi)掃描周圍情況,掃描器一般分為機械式、轉(zhuǎn)鏡式、微鏡式與泛光面陣式等。

        機械式掃描器是將雷達(dá)掃描器裝在車頂上,機械轉(zhuǎn)動整個雷達(dá)掃描器,實現(xiàn)掃描(供圖/陳鯤)

        轉(zhuǎn)鏡式掃描器是通過一個可機械旋轉(zhuǎn)的平面鏡控制光束出射角度,實現(xiàn)掃描,與機械式類似(供圖/陳鯤)

        微鏡式掃描器通過調(diào)節(jié)微鏡發(fā)出電控光束實現(xiàn)掃描,缺點是無法360度掃描(供圖/陳鯤)

        泛光面陣式掃描器內(nèi)置一個擴束鏡,通過向前方發(fā)射一束發(fā)散的激光,可以快速得到單一方向的數(shù)據(jù),缺點是探測距離低,成像精度低(供圖/陳鯤)

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