2.2.4 激光雷达

激光雷达是光学雷达的一种，其工作原理是向被探测目标发射一束激光，然后根据接收反射回来的激光时间差来计算探测目标的距离。激光雷达能以每秒50000～200000个脉冲的速度覆盖一个区域，并将返回信号编译成一个3D点云，通过比较连续感知的点云、物体的差异检测其运动，由此创建一个250m范围内的3D地图。与超声波雷达相比，其优势在于分辨率高、精度高，抗有源干扰能力强，获取信息丰富。但激光雷达也有明显的缺点：雨雪、雾霾天气精度降低；难以分辨交通标志的含义和交通信号灯颜色；接收的是光信号，容易受其他光源影响，且大气环流会使激光光束发生畸变；现阶段成本较高。

随着技术的发展，国内外生产激光雷达的厂商已经逐渐发展起来。例如威力登（Velodyne）推出了16线、32线、64线和128线激光雷达产品。高能技（Quanergy）早期推出的8线激光雷达产品M-8（固态激光雷达）。Ibeo推出的主要是4线激光雷达产品，主要用于辅助驾驶。速腾聚创（RoboSense）推出的是16线、32线、64线和128线激光雷达产品（图2-17）。速腾128线激光雷达参数见表2-4。

表2-4 速腾128线激光雷达参数

图2-17 速腾聚创128线激光雷达

激光雷达的激光波长很短，集中在600~1000nm之间，而波长越短探测精度越高，因此激光雷达可用来测量物体的距离和形状尺寸等信息。以速腾聚创公司生产的128线激光雷达为例，其在0~230m距离上的探测精度高达±3cm，完全满足自动驾驶车辆对高精度定位和地图构建的需要。在实际工作中，激光雷达不像毫米波传感器一样只能向一个固定范围发射毫米波，而是能以稳定的角速度水平旋转，360°不停发射激光束，接收机也在不停地接收反射回来的目标信息，因此激光雷达可以对车辆周围所有的道路和目标信息进行不停检测。在激光雷达工作过程中，每一束激光反射回来的都是一个点的三维坐标信息，而雷达每旋转一周会收集到大量点的坐标信息，这些坐标点信息的集合，称为点云。点云的三维坐标信息以极坐标的形式组成，代表了激光雷达水平旋转的角度和距离量，为将点云转换为笛卡儿尔坐标系下的x、y、z坐标（图2-18、图2-19），需要进行坐标转换，转换公式为：

式中，r为激光雷达测量的目标距离；ω为激光的垂直角度；α为激光的水平旋转角度；δ为通道的水平偏移角度；x、y、z分别为极坐标投影到X、Y、Z轴上的坐标。

激光雷达最大的优点在于其高精度的地图构造能力，但其缺点同样非常明显，即价格高昂。前面提到的国产128线激光雷达售价高达50万元，已经超过了大多数小型汽车的售价，即使是性能较低的16线激光雷达，售价依然高达数万元。同时，激光雷达在使用中会产生海量的需处理的点云数据，例如128线激光雷达每秒需处理的点云数据高达800万个，这无疑对负责坐标转换工作的硬件处理设备提出了极高的要求。从经济角度讲，硬件有越强的处理能力，其售价必然越高，因此激光雷达处理数据的计算平台的成本也较高。较高的计算成本加之激光雷达高昂的售价，极大推高了整个自动驾驶系统的成本，不利于技术推广。

图2-18 笛卡儿坐标系和激光雷达点云坐标系的转换

图2-19 激光雷达通过坐标转换生成的点云地图