隨著主要汽車制造商在他們的汽車中加速采用 ADAS 和自動(dòng)駕駛功能，汽車行業(yè)正朝著自動(dòng)駕駛這一方向發(fā)展。全自動(dòng)乘用車的試駕越來越多。本“應(yīng)用說明”探討了自動(dòng)巡航車所采用的 LiDAR 技術(shù)，并針對(duì)關(guān)鍵的安全性問題提供了的經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。
挑戰(zhàn)
典型的全自動(dòng)巡航車的核心依賴于兩個(gè)重要的中央處理單元（CPU）- 導(dǎo)航系統(tǒng)主 CPU 和安全 CPU，它們之間協(xié)同工作以防止碰撞和確保安全。
導(dǎo)航系統(tǒng)主 CPU 可以與一個(gè)或多個(gè) LiDAR 傳感器進(jìn)行交互，提供大范圍和高分辨率的定位、映射和防撞。目前，許多自動(dòng)巡航車都依賴于機(jī)械式掃描 LiDAR 傳感器，這種傳感器位于巡航車的頂部，可進(jìn)行遠(yuǎn)程探測(cè)，能夠?qū)囕v周圍實(shí)現(xiàn) 360 度覆蓋。
盲點(diǎn)區(qū)域的半徑受多種因素影響，包括機(jī)械式掃描 LiDAR 傳感器的垂直視場(chǎng)（FoV）、傳感器在車輛上的位置，以及巡航車的大小和形狀。然而，值得注意的是，機(jī)械式掃描傳感器通常不會(huì)專門配置為可獲取近距離數(shù)據(jù)，或特別選擇最佳位置以實(shí)現(xiàn) 360 度全覆蓋，這進(jìn)一步導(dǎo)致巡航車周圍的盲點(diǎn)區(qū)域增加。
圖 機(jī)械式掃描 LiDAR 在車輛周圍產(chǎn)生的盲點(diǎn)。
對(duì)于確保安全和成功的自動(dòng)駕駛而言，盲點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的障礙檢測(cè)能力至關(guān)重要。車輛開啟時(shí)，如果未對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)并確認(rèn)附近沒有障礙物，則巡航車不能啟動(dòng)。此外，在巡航車的運(yùn)行過程中，對(duì)于停止后即將重新啟動(dòng)的情形，系統(tǒng)需要事先驗(yàn)證是否有人、車輛或任何其他物體接近巡航車。例如，在接載乘客時(shí)，系統(tǒng)需要確認(rèn)乘客是否已經(jīng)上車或仍然停留在盲區(qū)內(nèi)。巡航車盲區(qū)的其他物體（例如敞篷車、叉車、拖車等）也需要執(zhí)行相同的檢測(cè)過程。
圖 掃描盲區(qū)可能會(huì)帶來災(zāi)難性的后果，如同本示例中位于車輛盲區(qū)的小孩子一樣。
檢測(cè)到危險(xiǎn)情況時(shí)，安全 CPU 會(huì)防止巡航車移動(dòng)或使其完全停止。作為最新自動(dòng)巡航車設(shè)計(jì)不可或缺的一部分，安全 CPU 需要進(jìn)行短程到中程的防撞檢測(cè)，以便在主導(dǎo)航系統(tǒng)無法識(shí)別障礙物或發(fā)生故障時(shí)能使車輛完全停止。
安全 CPU 是一種低功耗、經(jīng)濟(jì)高效的冗余系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)速率要求較低 - 但必須確保完全覆蓋其周圍環(huán)境（360 度，水平和垂直全覆蓋）。這帶來了巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@個(gè)需求本身違背了掃描的基本概念 - 更大的覆蓋范圍通常意味著更多的數(shù)據(jù)。例如，LiDAR 掃描設(shè)備每秒返回 60 萬到 220 萬個(gè)點(diǎn)，具體取決于傳感器的分辨率和垂直線數(shù)（16 到 64）。
尋求合適的技術(shù)
為了能夠覆蓋巡航車周圍的盲區(qū)，我們考慮并測(cè)試了不同的探測(cè)技術(shù)（超聲波、雷達(dá)和攝像機(jī)等解決方案），但每一種技術(shù)都有其局限性：
? 超聲波：范圍有限，分辨率低
? 雷 達(dá)：滲透性表面和靜態(tài)物體的檢測(cè)問題
? 攝像機(jī)：缺乏距離信息和重要的天氣梯度變化信息
其他解決方案所采用的標(biāo)準(zhǔn)同樣重要。首先，由于解決方案將在安全 CPU 中發(fā)揮最核心的作用，因此不應(yīng)向系統(tǒng)發(fā)送過多的數(shù)據(jù)，以避免數(shù)據(jù)過載帶來的數(shù)據(jù)接口問題。為了實(shí)現(xiàn) 360 度覆蓋，我們估計(jì)安全 CPU 的最佳數(shù)據(jù)輸入量為每秒 3,000 至 60,000 點(diǎn)。
該技術(shù)還必須提供足夠高的分辨率來檢測(cè)小物體，并可以通過跟蹤算法來實(shí)現(xiàn)精確的軌跡和速度，對(duì)物體進(jìn)行精確定位從而做出有效的防撞決策。
選擇解決方案時(shí)，另一個(gè)需要考慮的重要因素是視場(chǎng)全覆蓋能力，以及在所有類型表面的高檢測(cè)率，這對(duì)于需要檢測(cè)巡航車周圍物體的安全系統(tǒng)至關(guān)重要 - 低分辨率的傳感器可能會(huì)發(fā)生漏測(cè)現(xiàn)象。
最后，來自安全 CPU 的數(shù)據(jù)將被送入導(dǎo)航 CPU，用作冗余數(shù)據(jù)。冗余傳感器提高了系統(tǒng)的性能水平、檢測(cè)率和穩(wěn)健性。一個(gè)傳感器漏測(cè)的物體會(huì)被另一個(gè)傳感器捕獲，從而顯著提高系統(tǒng)性能、確保安全操作，這對(duì)涉及到多名乘客的全自動(dòng)無人駕駛至關(guān)重要。
兼具性能和成本優(yōu)勢(shì)并同時(shí)滿足安全要求的解決方案
基于上述要求和傳感器技術(shù)的固有限制，許多巡航車開發(fā)人員轉(zhuǎn)而采用固態(tài)泛光 LiDAR，以消除巡航車周圍的盲點(diǎn)。與機(jī)械式掃描 LiDAR 相比，泛光 LiDAR 成本更低、平均故障間隔時(shí)間（MTBF）更長(zhǎng)，可提供高度可靠的短程檢測(cè)，能實(shí)現(xiàn) 100％的光密度和視場(chǎng)完全覆蓋。泛光 LiDAR 提供的數(shù)據(jù)可以在高達(dá) 100Hz 的測(cè)量速率下對(duì)物體進(jìn)行跟蹤，基于速度、方向性和位置對(duì)可能發(fā)生的碰撞進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)消除車輛周圍可能存在的任何盲區(qū)。
當(dāng)遠(yuǎn)程的主檢測(cè)系統(tǒng)由于故障或遺漏而無法檢測(cè)到物體時(shí)，LiDAR 解決方案作為冗余的制動(dòng)和防撞系統(tǒng)，會(huì)充分考慮最大減速率（尤其是對(duì)于許多典型的巡航車的最大速度）提供必要的掃描范圍。
此外，如果在車輛附近檢測(cè)到物體，將啟動(dòng)緊急制動(dòng)程序。另外，巡航車上的乘客經(jīng)常不系安全帶并保持站立姿勢(shì)，為確保減速時(shí)速度保持在安全水平，需要一定的制動(dòng)距離。
例如，以 40 公里/小時(shí)的速度行駛的巡航車，如果采用 3.5 米/秒2的減速率，則需要 23 米（其中包括 0.5秒的反應(yīng)時(shí)間）才能停止下來。
為了覆蓋足夠的范圍，許多 LiDAR 解決方案需要配置更強(qiáng)大、更昂貴的光學(xué)器材和激光源。通過專利技術(shù)用軟件方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，LeddarTech 的泛光 LiDAR 技術(shù)具有成本優(yōu)勢(shì)，能夠提供所需的范圍和性能，在巡航車應(yīng)用的商業(yè)部署中（如緊急制動(dòng)和盲區(qū)監(jiān)控）
具有極大的吸引力。
最終結(jié)果
為確保覆蓋到所有盲點(diǎn)區(qū)域，可以使用 Leddar 傳感器模塊實(shí)施兩種主要架構(gòu)類型。如果巡航車生產(chǎn)商需要其他級(jí)別的分辨率、量程或覆蓋范圍，則可根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景選擇相應(yīng)的模塊或架構(gòu)。因此，如果設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以接受一些盲區(qū)，則需要的傳感器數(shù)量會(huì)減少。
1. 第一種結(jié)構(gòu)提供了短程安全車殼，可以覆蓋巡航車的各個(gè)側(cè)面并消除盲點(diǎn)區(qū)域。
為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們采用了八個(gè) Leddar M16-LSR LiDAR 模塊，它們具有 100 度水平視場(chǎng)和 12 米行人（低反射率）量程，這八個(gè)模塊直接安裝在巡航車的車身中，距離地面的高度從 20 厘米到 75 厘米不等，可以檢測(cè)到近處的小物體。
圖 第一種傳感器架構(gòu)所提供的短程安全車殼視圖。
2. 第二種架構(gòu)類型在巡航車的側(cè)面和后面采用短量程覆蓋，而在車身前面則擴(kuò)大覆蓋范圍，可用于冗余防撞系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們將五個(gè)具有 100 度 FOV 的模塊放置在巡航車的側(cè)面和后面，將兩個(gè)具有更大覆蓋范圍和更高分辨率的 M16-LSR LiDAR 傳感器（48 度 FOV，30 米行人范圍）放置在車身前面。
圖 第二種傳感器架構(gòu)所提供的短程車殼視圖，車身前面覆蓋范圍更長(zhǎng)。
使用 LeddarTech 的固態(tài) LiDAR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)巡航車安全車殼
下面簡(jiǎn)要介紹了 LeddarTech 的 2D 泛光 LiDAR 解決方案，自動(dòng)巡航車開發(fā)人員在安全車殼和緊急制動(dòng)中采用了該解決方案。
Leddar M16-LED和 M16-LSR 模塊
模塊根據(jù)照明方式不同有兩種主要的配置類型：經(jīng)典 LED 系列和新型激光系列。這兩種 M16 系列都非常適合戶外操作：它們采用固態(tài)設(shè)計(jì)，無需安裝電動(dòng)機(jī)械、工作溫度范圍寬、適應(yīng)各種氣候、不受照明條件影響。
是經(jīng)過驗(yàn)證的 Leddar 主力產(chǎn)品，因其多功能性和可靠性而倍受客戶青睞。該模塊的紅外 LED 光源最大可提供 100 米范圍的寬光束照明，并具有六種不同的視場(chǎng)配置。M16-LSR 使用激光源實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的量程，并提供更窄和具有更優(yōu)定義的垂直 FOV，相比 M16-LED，的外形更小。
主要功能和優(yōu)點(diǎn)包括：
? 出色的角度分辨率，使用 16 個(gè)獨(dú)立的分段同時(shí)跟蹤并同時(shí)采集
? 不同光束選項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的視場(chǎng)（FOV）
? 多目標(biāo)跟蹤和橫向辨別能力
? FOV 檢測(cè)范圍高達(dá) 165 米（541 英尺），并且和目標(biāo)相關(guān)（M16-LSR 相對(duì)于反光目標(biāo)）
? 快速數(shù)據(jù)采集時(shí)間（高達(dá) 100 Hz）
? 具有各種光束選項(xiàng)，可適用于各種混合車輛配置
未來計(jì)劃
泛光 LiDAR 技術(shù)正在迅速發(fā)展。得力于新型 LiDAR 架構(gòu)的深入開發(fā)和信號(hào)處理的持續(xù)改進(jìn)，更新、更強(qiáng)大的解決方案指日可待。同時(shí)，廣闊的市場(chǎng)和大量的應(yīng)用需求也是強(qiáng)有力的驅(qū)動(dòng)因素。最終，泛光 LiDAR 技術(shù)將更具成本效益，并且其性能將在未來幾年完全取代機(jī)械式掃描儀，這也正是汽車行業(yè)專家所預(yù)期的。因此，已經(jīng)被自動(dòng)巡航車作為傳感器套件的一部分而采用的泛光 LiDAR 解決方案，將在下一代產(chǎn)品得以廣泛使用時(shí)發(fā)揮更為重要的作用。
基于 LeddarTech 專利技術(shù)、具有卓越量程和分辨率的 3D 固態(tài)泛光 LiDAR 即將推出，它能滿足先進(jìn)的自動(dòng)巡航檢測(cè)需求。