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| 本文作者： Kell | 2017-02-23 09:54 |
雷鋒網(wǎng)按：本文作者Adam Kell，Comet Labs合伙人。本文由雷鋒網(wǎng)獨(dú)家發(fā)布。
什么是激光雷達(dá)？為什么說它是自動(dòng)駕駛汽車的“眼睛”？它有哪些主要應(yīng)用？又面臨哪些機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)？Adam Kell用通俗的語言和大量實(shí)例解答了上述問題。
一、一個(gè)形象的比喻
想象一下，你站在一個(gè)黑暗的房間里，你能感覺到周圍環(huán)境的唯一方式是伸出棍子觸碰物體。 首先，你徑直向前伸出棍子，棍子在伸出12英尺后撞擊到一個(gè)堅(jiān)實(shí)的物體。 然后你向右伸出棍子，伸出8英尺后停止。接下來試試你的左邊，有12英尺。最后，在你的后方，棍子伸出了18英尺。于是，即使你看不到任何東西，也不移動(dòng)身體，你也能獲得一些關(guān)于房間的信息。
如果你在不同的方向重復(fù)幾百或幾千次這樣子動(dòng)作（并且記憶力極強(qiáng)），你將能夠根據(jù)物體和你的距離大致了解這個(gè)屋子的全貌。
圖1 針對(duì)一間屋子的墻的二維掃描
如果向上或向下傾斜棍子，你甚至能夠根據(jù)輪廓“看到”周圍的物體，如椅子和門。這些信息可以產(chǎn)生一個(gè)叫做“點(diǎn)云”的圖像，它是三維坐標(biāo)系中的一系列點(diǎn)。當(dāng)你擁有足夠多的點(diǎn)，就可以生成一個(gè)非常完整的基于點(diǎn)云的房間，像這樣：
圖2 針對(duì)墻和飲水機(jī)的三位掃描
二、什么是激光雷達(dá)
激光雷達(dá)（LIDAR，“光”和“雷達(dá)”的組合詞）是一種被設(shè)計(jì)用于快速構(gòu)建這些點(diǎn)云的傳感器。通過使用光來測(cè)量距離，激光雷達(dá)能夠非常快速地采集樣點(diǎn)——每秒高達(dá)150萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。這個(gè)采樣率使得該技術(shù)能夠部署在自動(dòng)駕駛車輛等應(yīng)用上。
工作原理
激光雷達(dá)測(cè)量光脈沖的飛行時(shí)間，進(jìn)而能夠判斷傳感器和物體之間的距離。想象一下，當(dāng)發(fā)出光脈沖時(shí)啟動(dòng)秒表，然后當(dāng)光脈沖（從遇到的第一個(gè)物體反射出來）返回時(shí)停止計(jì)時(shí)器。通過測(cè)量激光的“飛行時(shí)間”，并且知道脈沖行進(jìn)的速度，就可以計(jì)算距離。光以每秒30萬千米的速度傳播，因此需要非常高精度的設(shè)備來產(chǎn)生關(guān)于距離的數(shù)據(jù)。
圖3 用激光當(dāng)“棍子”來測(cè)量距離
為了產(chǎn)生完整的點(diǎn)云，傳感器必須能夠非常快速地對(duì)整個(gè)環(huán)境進(jìn)行采樣。激光雷達(dá)能夠做到這一點(diǎn)的一種方式是通過在單個(gè)發(fā)射器/接收器上使用非常高的采樣率。 每個(gè)發(fā)射器每秒發(fā)射數(shù)萬或數(shù)十萬個(gè)激光脈沖。這意味著，多達(dá)100000個(gè)激光脈沖在1秒內(nèi)完成從激光器單元上的發(fā)射器到被測(cè)量的物體的往返行程，并返回到激光雷達(dá)單元上位于發(fā)射器附近的接收器。較大的系統(tǒng)具有多達(dá)64個(gè)這樣的發(fā)射器/接收器（它被稱為“線”）。多線使系統(tǒng)能夠每秒產(chǎn)生超過一百萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。
然而，64個(gè)固定線不足以映射整個(gè)環(huán)境——它只是在非常集中的區(qū)域給出非常清晰的分辨率。 由于光學(xué)中所需的精度，制造更多的線是非常昂貴的，因此在線數(shù)超過64后繼續(xù)增加線數(shù)會(huì)使成本急劇增加。因此，許多激光雷達(dá)系統(tǒng)使用旋轉(zhuǎn)組件或旋轉(zhuǎn)鏡來使線圍繞環(huán)境進(jìn)行360度掃描。常見的策略包括使單個(gè)發(fā)射器和接收器向上或下偏轉(zhuǎn)使激光器視野覆蓋范圍更大。 例如，Velodyne的64線激光雷達(dá)系統(tǒng)具有26.8度的垂直視角（通過旋轉(zhuǎn)使其擁有360的度水平視角）。這個(gè)激光雷達(dá)可以從50米開外看到一個(gè)12米高的物體的頂部。
下圖中可以看到，距離激光雷達(dá)的遠(yuǎn)近不同，點(diǎn)云的疏密程度也不相同，這是由于數(shù)據(jù)保真度隨著距離而下降。雖然它不是完美的，但是較高分辨率可用于較近的物體，因?yàn)殡S著到傳感器的距離增加，發(fā)射器之間的角度（例如，2度）會(huì)導(dǎo)致這些點(diǎn)帶之間的間隔更大。
圖4 旋轉(zhuǎn)的多線激光雷達(dá)產(chǎn)生的點(diǎn)云
三、激光雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用
點(diǎn)云可用于再現(xiàn)景觀或環(huán)境的三維模型，一些應(yīng)用包括：
用于監(jiān)測(cè)侵蝕或其他變化的地質(zhì)測(cè)繪/成像
監(jiān)測(cè)農(nóng)作物和樹木的生長情況
為建筑項(xiàng)目做測(cè)量工作
對(duì)垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確的體積預(yù)測(cè)
最常見的應(yīng)用大概是一個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)集成在一輛自動(dòng)駕駛汽車上——例如Top Gear的一輛卡車使用激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行越野自主導(dǎo)航。
圖5 全速行駛的自動(dòng)駕駛卡車
下面的片段中，你可以看到景物的點(diǎn)云，以及附加的功能（綠色的小方塊代表可以駛過的物體，如植物；紅色的小方塊代表不應(yīng)駛過的物體——如巖石，樹木和汽車）。其他一些軟件模塊也能對(duì)原始點(diǎn)云進(jìn)行理解，并將障礙物分類。
圖6 全速行駛的自動(dòng)駕駛卡車
激光雷達(dá)系統(tǒng)已經(jīng)找到了他們被應(yīng)用于人形機(jī)器人的方式——比如波士頓動(dòng)力的這個(gè)機(jī)器人：
圖7 波士頓動(dòng)力的Atlas
除了機(jī)器人頭部的激光雷達(dá)系統(tǒng)之外，這個(gè)機(jī)器人還使用其他傳感器，比如用光學(xué)相機(jī)來掃描類二維碼。
激光雷達(dá)應(yīng)用的另一個(gè)例子是水平安裝在無人機(jī)上的用于繪制地面等高圖的傳感器。來自激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與無人機(jī)自身的位置數(shù)據(jù)結(jié)合產(chǎn)生出了這些等高線。
圖8 搭載Phoenix Aerial系統(tǒng)的無人機(jī)對(duì)地面進(jìn)行測(cè)繪
四、激光雷達(dá)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
4.1 機(jī)遇
激光雷達(dá)在智能機(jī)器生態(tài)系統(tǒng)中有很多機(jī)遇。與使用二維圖像相比，點(diǎn)云能夠更容易的被計(jì)算機(jī)使用，用于構(gòu)建物理環(huán)境的三維形象——二維圖像是人腦最容易理解的數(shù)據(jù)，而對(duì)于計(jì)算機(jī)來說，點(diǎn)云是最容易理解的。
Scanse的一款價(jià)值250美元的名為“sweep”的二維激光雷達(dá)掃描器可在戶外使用，并專為移動(dòng)、低功耗應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它只用了競(jìng)爭對(duì)手近四分之一的成本，這將給這類傳感器帶來全新的應(yīng)用（我們?cè)诤芏嗥渌愋偷膫鞲衅髦幸呀?jīng)看到過這樣的現(xiàn)象）。 二維激光雷達(dá)也可以被搭載到另一個(gè)旋轉(zhuǎn)的元件上以產(chǎn)生環(huán)境中完整的三維點(diǎn)云。
圖9 Scanse的Sweep掃描的三維環(huán)境
其他公司正在尋求降低系統(tǒng)成本的其他策略，例如Quanergy的固態(tài)激光雷達(dá)。該系統(tǒng)大體與上文已介紹的系統(tǒng)相同，然而，與使用旋轉(zhuǎn)光學(xué)器件來移動(dòng)光束不同的是，它們使用 “相控陣列光學(xué)系統(tǒng)”來引導(dǎo)激光脈沖的方向，它可以在某一方向上釋放一個(gè)激光脈沖，而讓下一個(gè)脈沖（1微秒之后）瞄準(zhǔn)視野中的其它地方。
它能夠?qū)崟r(shí)關(guān)注視野范圍內(nèi)看似移動(dòng)的物體，這是對(duì)人類駕駛員的模仿——后者能及時(shí)注意到即將進(jìn)入汽車所行駛的道路的障礙物。Quanergy系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為能在沒有機(jī)械移動(dòng)的情況下做到這一點(diǎn)，并且每秒采樣大約100萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)——這與64線旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)的速度相當(dāng)，卻能顯著降低成本。它另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是更容易被集成在反光鏡和保險(xiǎn)杠等其他汽車部件上。
另外，更大和功率更高的系統(tǒng)也正在開發(fā)中，它可以從在3萬英尺高度飛行的飛機(jī)上對(duì)地面成像，其分辨率足以能夠看到地面上的車輛。雖然這些系統(tǒng)的市場(chǎng)需求更小，且成本更高，但其發(fā)展將繼續(xù)降低傳感器技術(shù)的整體成本。
4.2 挑戰(zhàn)
由于激光雷達(dá)基于對(duì)激光脈沖返回傳感器所需時(shí)間的測(cè)量，因此高反射率的表面會(huì)帶來問題。大多數(shù)材料從微觀水平上看表面粗糙，并且向所有方向散射光；這類散射光的一小部分返回到傳感器，并且足以產(chǎn)生距離數(shù)據(jù)。然而，如果表面反射率非常高，光就會(huì)向遠(yuǎn)離傳感器的方向散射，那么這一區(qū)域的點(diǎn)云就會(huì)不完整。
空氣中的環(huán)境也可以對(duì)激光雷達(dá)讀數(shù)造成影響。記錄顯示，大霧和大雨會(huì)減弱發(fā)射的激光脈沖而對(duì)激光雷達(dá)造成影響。為了解決這些問題，較大功率的激光器投入使用，但它對(duì)于較小的、移動(dòng)或?qū)β拭舾械膽?yīng)用來說并不是一個(gè)好的解決方案。
激光雷達(dá)系統(tǒng)面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是旋轉(zhuǎn)時(shí)的刷新率相對(duì)較慢。系統(tǒng)的刷新速率受復(fù)雜的光學(xué)器件旋轉(zhuǎn)速度的限制。激光雷達(dá)系統(tǒng)最快的旋轉(zhuǎn)速率大約是10Hz，這限制了數(shù)據(jù)流的刷新速率。當(dāng)傳感器旋轉(zhuǎn)時(shí)，以60英里/小時(shí)行駛的汽車在1/10秒內(nèi)行進(jìn)8.8英尺，因此傳感器對(duì)于在汽車駛過期間在這8.8英尺內(nèi)發(fā)生的變化基本上是看不清的。更重要的是，激光雷達(dá)覆蓋的范圍（在完美條件下）為100-120米，這對(duì)于以60英里/小時(shí)行駛的汽車來說僅相當(dāng)于不到4.5秒的行駛時(shí)間。
也許對(duì)于激光雷達(dá)來說，高昂的設(shè)備成本是它需要克服的最大挑戰(zhàn)。盡管自該技術(shù)得到應(yīng)用以來其成本已大幅降低，但仍然是它被大范圍采用的一個(gè)重要障礙。對(duì)于主流汽車工業(yè)來說，一個(gè)價(jià)值2萬美元的傳感器將無法被市場(chǎng)接受。伊隆·馬斯克說：“我不認(rèn)為它對(duì)于汽車的發(fā)展是有意義的，我認(rèn)為它不是必須的。”
最后，雖然我們將激光雷達(dá)視為計(jì)算機(jī)視覺的一個(gè)組件，但點(diǎn)云卻是完全基于幾何呈現(xiàn)的。相反，人眼除了形狀之外還能識(shí)別物體的其他物理屬性，比如顏色和紋理。現(xiàn)在的激光雷達(dá)系統(tǒng)不能區(qū)分紙袋和巖石之間的差別，而這本應(yīng)是傳感器理解和試圖避開障礙物時(shí)考慮的因素。
結(jié)論
激光雷達(dá)只是用于給計(jì)算機(jī)提供物理環(huán)境數(shù)據(jù)的眾多傳感器之一，但是生成的數(shù)據(jù)是計(jì)算機(jī)最容易理解的，并且它也將變得更便宜。Velodyne銷售和市場(chǎng)總監(jiān)Wolfgang Juchmann稱，激光雷達(dá)的成本在過去7年里下降了10倍。 得益于成本的降低，我們將不斷看到新的潛在應(yīng)用領(lǐng)域。在以后的文章里，我們將會(huì)探討更多推動(dòng)這一新工業(yè)革命的智能機(jī)器技術(shù)的其他進(jìn)展。
本文作者Adam Kell是Comet Labs（微信公眾號(hào)：cometlabs）合伙人，負(fù)責(zé)人工智能和機(jī)器人領(lǐng)域的早期投資投資。Kell畢業(yè)于斯坦福大學(xué)，曾任StartX加速項(xiàng)目的硬件負(fù)責(zé)人，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)，制造和硬件領(lǐng)域擁有豐富經(jīng)驗(yàn)，曾被《福布斯》評(píng)為2014年度能源和工業(yè)領(lǐng)域30位30歲以下行業(yè)精英。Comet Labs位于舊金山的的智能交通實(shí)驗(yàn)室正面向全球招募創(chuàng)業(yè)者、產(chǎn)業(yè)合作伙伴和項(xiàng)目導(dǎo)師，如需了解更多信息，歡迎發(fā)送郵件至lab@cometlabs.cn。
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