自动驾驶中激光雷达简介

一、雷达的基本概念

激光雷达(Lidar)的测量模型为距离-方位角-俯仰角模型(Range-Azimuth-Elevation, RAE)。其中P是激光雷达(Lidar)的观测点，r是P点距离激光雷达(Lidar)传感器的距离，它通过激光脉冲传播的时间乘以光速除以2获得； α是方位角(Azimuth)，ε是俯仰角(Elevation)， α 和ε是激光束的发射角度

点P在激光雷达(Lidar)坐标系 下的坐标为: (x, y, z)，坐标值与测量值之间的关系为

二、激光雷达的属性

1、测量距离：激光雷达的感知范围，能探测多远，目前主流的是150m。
2、测距精度：激光雷达对探测距离的精确度，目前主流是厘米级的精度。
3、水平视场角：激光雷达的水平视野角度（AOB），相当于我们人眼的横向视野，最高360度。
4、垂直视场角：激光雷达的垂直视野角度（BOC），相当于我们人眼的竖向视野。越大越好，目前主流为30度/15度。垂直视场角和水平视场角合称为视场角度，我们经常看到的FOV，说的就是它，表示激光雷达的总视野。
5、测量时间和帧频率：激光雷达的激光从发射到返回的时间，相当于一个测量周期所花费的时间。时间越短对运动信息的采集就越好，高速行驶时的反应时间就越短。
6、纵向和水平分辨率：也叫角分辨率，相当于我们显示器的分辨率，度数越小，得到的图像就越清晰。目前主流的激光雷达一般为0.1~1度。
7、出点数：激光雷达每秒发射的激光点数，点数越多激光就可以越密集。目前主流激光雷达可以每秒发出几万点至几十万点激光。
8、线束：也叫等效点云密度，是激光雷达垂直方向上的激光的分布数量，一般为16线、32线、64线，越多越好。
线束、方位角、扫描帧频、角分辨率、测量精度、探测距离、数据率是七个常用的激光雷达性能评价指标。

三、激光雷达的内外参

1、常用的外参标定方法

四、机械式激光雷达

机械式激光雷达以一定的速度旋转，在水平方向采用机械 360°旋转扫描，在垂直方向采用定向分布式扫描以搜集动态信息。

扫描方式
机械旋转式激光雷达是目前市场上比较成熟的方案。但是由于光学部分，电子部分和机械结构都是旋转工作的，对机械结构件加工精度要求很高，而且，由于中心不对称，属于偏心转动，长期器件磨损很严重，可靠性相对较低

五、固态激光雷达

固态激光雷达分为 OPA 固态激光雷达和 Flash 固态激光雷达
1、其中 OPA技术原理与相控阵雷达类似，它由元件阵列组成，通过控制每个元件发射光的相位和振幅来控制光束，无需任何机械部件；
2、Flash 面阵式激光雷达不同于以上三种逐点扫描的模式，它利用激光器同时照亮整个场景，对场景进行光覆盖，一次性实现全局成像

特征点提取仍然参照 LOAM，对每个点计算局部曲率，以此来提取平面特征点和边缘特征点；但是，对 Mid-40 雷达来说，花瓣状的扫描方式决定了其中某些点不适合用于提取特征，具体来说，这些不适合的点包括 4 类：「视场边缘的点、反射强度过大或过小的点、入射角过大的点、被遮挡的点」，因此，Loam_livox 首先剔除这 4 类点（叫作 Points Selection），并将连续的扫描在“拐点”（花瓣尖的位置）处打断，获得一个个分段的弧线，然后对各个弧线上的点做曲率计算，提取两类特征点。额外地，由于 Mid-40 视场角实在太小了，很容易发生特征点不足的情况，于是 Loam_livox 额外引入强度信息来提取特征点，原理是计算点的“强度值曲率”，这种特征点体现了不同材质的交界处的信息，在类似雷达照向一面墙的场景下有助于提供更多的特征。

六、机械与固态的区别与联系

1、由于内部结构有所差别，两种激光雷达的大小也不尽相同，机械激光雷达体积更大，总体来说价格更为昂贵，但测量精度相对较高。而固态激光雷达尺寸较小，成本低，但测量精度相对会低一些。
2、相比固态激光雷达，机械激光雷达有一个更为明显的优势就是其360°视场，可以在机器人或汽车的顶部固定安装一个激光雷达，便可360°感知周围环境，反观固态激光雷达，需要固定在某些适当的位置，视场角一般在120°以内，因此，如应用于无人车中，至少需要用到4台才能达到机械式激光雷达一样的覆盖范围，数量越多，也意味着成本越高
3、固态雷达建图的劣势，各个雷达间外参较多，反而影响建图精度
4、固态的扫描方式决定某些特征点不可靠
5、固态扫描线束较少，不够丰富，使得匹配困难

七、雷达的误差分析

1、光束模型误差
1）激光雷达(Lidar)发送和接收激光束的精确耗时误差。受限于激光雷达(Lidar)配备的计时设备的精度，耗时统计存在精度上限
2）激光雷达(Lidar)激光束的朝向误差。受限于激光雷达朝向测量设备的测量精度，朝向测量存在精度上限
3）目标材质的反射值特性。比如全黑的材料吸收了光的大部分能量，使得反射量极低；或者像镜子一样的材料会将大部分光反射到其它地方，从而使得激光雷达无法测量到这些物体的位置
2、运动误差
由于激光雷达在跟随自动驾驶车辆前进的同时，对周围环境进行扫描建模，也就是说车辆相对于周围的环境是运动的，导致对环境测量的实际位置与真实位置存在偏差。即存在运动畸变。

八、激光雷达的优缺点

激光雷达具有如下优点：
1）可直接产生丰富的空间数据，如点的3D坐标和纹理等；
2）因为分辨率较高（距离、角度和速度），所以精度高、实时性好；
3）抗干扰能力强，因激光波长较短，一定程度减小了多路效应；
4）不受光照强度影响；
5）体积小，安装方便。
但也有一些缺点：
1）受环境中气候的影响较大，如在雨、雪、雾、尘等极端天气下，传播距离会急剧衰减；2）价格高，这是目前很多汽车厂商（如TESLA）试图寻找其他定位方案的重要原因；
3）数据量较大，需要高效的处理流程。
3、在广场等全空旷区域，只能看到部分地面上的点云，导致在水平面上发生漂移；
4、长直走廊或隧道、单侧墙、桥梁等场地中，激光匹配会存在一个方向上的额外自由度，造成激光在纵向上发生漂移；
5、在弧形走廊、转弯等异形建筑物前，比如，弧形墙接近于圆弧形时，约束缺失，类似于两个圆弧相对旋转并不影响定位精度；
6、雨雪、沙尘等恶劣天气场景下，激光会出现折射现象，此时也会影响定位的精度；
7、人为遮挡、机器故障、外参变化也会对定位精度产生很大的影响；
8、激光垂直分辨率不高，地面和激光雷达的夹角是比较大时，激光点的误差比较大。 因此容易产生z轴漂移现象。

九、激光雷达在定位中未来的应用场景

1、因自动驾驶对定位精度有较高的要求，所以激光雷达发挥越来越重要的作用。目前在RTK信号缺失时，使用激光雷达和高精地图进行匹配是主流的高精定位方式
2、机械式的激光雷达现阶段比较成熟，但因其旋转部件成本较高，低成本的固态式的激光雷达获得了逐步发展的机会。不过固态激光雷达也有自身的局限性，如水平视角（小于180°）不如机械式的激光雷达。所以多个固态激光雷达组合使用，可能是未来一种成本低、覆盖范围广的高精度定位方式