【導(dǎo)讀】本文主要介紹的是在汽車(chē)上的激光雷達(dá)，俗稱車(chē)載激光雷達(dá)，而車(chē)載激光雷達(dá)又稱車(chē)載三維激光掃描儀，是一種移動(dòng)型三維激光掃描系統(tǒng)，是目前城市建模的最有效的工具之一。
激光雷達(dá)是以發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。從工作原理上講，與微波雷達(dá)沒(méi)有根本的區(qū)別：向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)（激光束），然后將接收到的從目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)（目標(biāo)回波）與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較，作適當(dāng)處理后，就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息，如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù)，從而對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈等目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、跟蹤和識(shí)別。
但本文并不講什么飛機(jī)導(dǎo)彈，本文主要介紹的是在汽車(chē)上的激光雷達(dá)，俗稱車(chē)載激光雷達(dá)，而車(chē)載激光雷達(dá)又稱車(chē)載三維激光掃描儀，是一種移動(dòng)型三維激光掃描系統(tǒng)，是目前城市建模的最有效的工具之一。
什么是三維激光掃描儀？
三維激光掃描儀是利用激光的傳播速度快，直線型好的特點(diǎn)將激光發(fā)射出去，并接收返回的信息來(lái)描述被測(cè)量物理的表面形態(tài)的。由于被測(cè)物體的反射率不同接收到的返回信息也有強(qiáng)弱之分。所謂的三維既是利用掃描儀的水平轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)覆蓋一整片區(qū)域。這個(gè)過(guò)程很類(lèi)似民間的360度全景攝影。區(qū)別就是我們得到的“底片”不是圖像而是成千上萬(wàn)個(gè)點(diǎn)組成的表面形態(tài)，在測(cè)量術(shù)語(yǔ)中叫做點(diǎn)云。請(qǐng)見(jiàn)右圖的船體，看似是一副圖片，其實(shí)是由無(wú)數(shù)個(gè)激光點(diǎn)組成的。不同的顏色就是激光返回不同的反射率的表現(xiàn)。
車(chē)載/船載激光雷達(dá)
不論是車(chē)載還是船載甚至是機(jī)載的激光雷達(dá)，其原理都是將三維激光掃描儀加上POS系統(tǒng)裝載車(chē)上。目的就是為了能在更長(zhǎng)，更遠(yuǎn)的范圍內(nèi)建立DTM模型。GPS的的應(yīng)用目的就是為了讓車(chē)子“知道”自己在任何時(shí)刻的位置，以方便擬合。。
在任何移動(dòng)測(cè)量的系統(tǒng)中，做為賦予點(diǎn)云和影像的地理坐標(biāo)的來(lái)源——導(dǎo)航系統(tǒng)，都是其關(guān)鍵的部件。導(dǎo)航系統(tǒng)一般都會(huì)使用GPS和慣導(dǎo)單元。但是，地面上復(fù)雜的狀況，例如：樹(shù)木。建筑物和立交橋等往往會(huì)阻斷GPS信號(hào)。因此，一套先進(jìn)的導(dǎo)航系統(tǒng)必須包括其他輔助的傳感器和完善的數(shù)據(jù)處理方法，以使得在GPS丟失信號(hào)的同時(shí)其航線的精度也能夠得到保障。
車(chē)載激光雷達(dá)的應(yīng)用
道路和高速公路方面的應(yīng)用
1.公路測(cè)量，維護(hù)和勘察
2.公路資產(chǎn)清查（交通標(biāo)志，隔音障，護(hù)欄，下水道口，排水溝等）
3.公路檢測(cè)（車(chē)轍，道路表面，道路變形）
4.公路幾何模型（橫向和縱向的剖面分析）
5.結(jié)構(gòu)分析（立交橋）
6.淹水評(píng)估分析
7.在 GIS系統(tǒng)中的疊加分析
8.滑坡分析，危害評(píng)估（滑坡變形測(cè)量與危害分析，滑石和流水分析）
9.交通流量分析，安全評(píng)估和環(huán)境污染評(píng)估
10. 土石方量分析
11. 駕駛視野和安全分析
激光雷達(dá)的缺點(diǎn)
激光雷達(dá)的缺點(diǎn)是在大雨大雪等惡劣天氣中使用效果會(huì)受到影響，比如谷歌無(wú)人駕駛汽車(chē)從未在大雨大雪等惡劣條件下測(cè)試。激光雷達(dá)能夠獲得周邊環(huán)境的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型，現(xiàn)在多用于在測(cè)量中有一定精度要求的領(lǐng)域，或需要測(cè)量自身與人體距離的智能裝備，在測(cè)量與人的距離方面這一功能上尚無(wú)完美替代方案。
另外，激光雷達(dá)也存在著價(jià)格昂貴等劣勢(shì)。在車(chē)載激光雷達(dá)設(shè)備中，其主要成本是花在 GPS/IMU 和 2D 激光掃描儀，約占總成本的 80%。
1）車(chē)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)劣主要取決于 2D 激光掃描儀的性能。激光發(fā)射器線束的越多，每秒采集的云點(diǎn)就越多。然而線束越多也就代表著激光雷達(dá)的造價(jià)就更加昂貴，以Velodyne 的產(chǎn)品為例，64 線束的激光雷達(dá)價(jià)格是16 線束的10 倍。
2）對(duì)于較高要求標(biāo)準(zhǔn)的 IMU，是基于光纖陀螺的技術(shù)制造的。其價(jià)格昂貴，大約在 150 萬(wàn)元左右。對(duì)于較低要求的 IMU，有許多廠家的設(shè)備可以選擇，價(jià)格根據(jù)型號(hào)變化，在 10 萬(wàn)元到 50 萬(wàn)元之間。
3）Velodyne 的車(chē)載激光雷達(dá)目前看來(lái)并沒(méi)有加入IMU 部件。
目前行業(yè)對(duì)是否使用激光雷達(dá)仍然抱有爭(zhēng)議，特斯拉的總裁Elon Musk 就公開(kāi)表示無(wú)人駕駛并不需要激光雷達(dá)，將現(xiàn)有的傳感器發(fā)揮的極致也能實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛，而德?tīng)柛?、豐田均已開(kāi)始和激光雷達(dá)企業(yè)合作。激光雷達(dá)是否運(yùn)用極大程度上取決于成本和效果，目前尚難以判斷激光雷達(dá)未來(lái)的市場(chǎng)滲透率。如果低成本的激光雷達(dá)方案如能達(dá)到同樣效果，將極大的推動(dòng)無(wú)人駕駛進(jìn)度，滲透率也會(huì)直線上升。麥肯錫認(rèn)為無(wú)人駕駛解決方案成本達(dá)到2 萬(wàn)美金時(shí)，無(wú)人駕駛汽車(chē)將具備極大的商業(yè)價(jià)值。我們做一個(gè)大膽的假設(shè)： 2025 年，2000 美金的激光雷達(dá)被普遍認(rèn)可，全球有5%左右的汽車(chē)成為無(wú)人駕駛或高度自動(dòng)駕駛汽車(chē)，那么激光雷達(dá)的市場(chǎng)需求將達(dá)到110 億美金。
未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)
目前，車(chē)載激光雷達(dá)的產(chǎn)品及生產(chǎn)廠商主要集中于國(guó)外，包括美國(guó)Velodyne公司、美國(guó)Quanegy公司以及德國(guó)IBEO公司等。國(guó)內(nèi)的激光雷達(dá)產(chǎn)品主要以2D激光雷達(dá)為主，多用于地形測(cè)繪、建筑測(cè)量、家用服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域。不過(guò)，國(guó)內(nèi)以鐳神智能、思嵐科技等創(chuàng)業(yè)公司以及巨星科技、大族激光等上市公司為代表的企業(yè)也開(kāi)始嘗試逐步進(jìn)入車(chē)用激光雷達(dá)行業(yè)。同時(shí)，由于目前昂貴的價(jià)格成為車(chē)用激光雷達(dá)市場(chǎng)推廣的最大障礙，因此低成本化是其未來(lái)最主要的發(fā)展趨勢(shì)。
國(guó)內(nèi)與國(guó)外比起來(lái)，在多線激光雷達(dá)上有較大差距，但是應(yīng)用于服務(wù)機(jī)器人、掃地機(jī)器人的激光雷達(dá)并沒(méi)有太大差別。國(guó)內(nèi)的激光雷達(dá)產(chǎn)品多用于服務(wù)機(jī)器人、地形測(cè)繪、建筑測(cè)量等領(lǐng)域，尚未研制出可用于ADAS及無(wú)人駕駛系統(tǒng)的3D激光雷達(dá)產(chǎn)品。不過(guò)，隨著智能汽車(chē)的浪潮從國(guó)外涌向國(guó)內(nèi)，以鐳神智能、思嵐、巨星等為代表的多家國(guó)內(nèi)企業(yè)也開(kāi)始嘗試進(jìn)入車(chē)用激光雷達(dá)這個(gè)新興行業(yè)。
