江勇捷 藍(lán)麗金

摘要：在現(xiàn)如今車輛駕駛系統(tǒng)蓬勃發(fā)展的背景下，無人車輛駕駛是其發(fā)展的重要趨勢，而三維激光雷達(dá)正是汽車實(shí)現(xiàn)無人駕駛的關(guān)鍵所在。用于精準(zhǔn)、快速獲取三維空間信息的激光雷達(dá)傳感器有著目標(biāo)識別、分類及三維成像等方面的技術(shù)優(yōu)勢，其應(yīng)用范圍和發(fā)展前景十分廣闊。隨著現(xiàn)代無人駕駛技術(shù)越來越趨向于多種傳感器相互融合探測發(fā)展，三維成像的發(fā)展也更趨向于主、被動成像相結(jié)合，以獲取豐富的目標(biāo)信息。

關(guān)鍵詞：智能汽車;三維激光雷達(dá);輔助駕駛

中圖分類號：TP391 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1007-9416（2020）06-0000-00

0引言

隨著社會日漸信息化和飛速發(fā)展的智能化，現(xiàn)代家庭幾乎每家每戶都擁有車輛，為了便利和舒適很多人會選擇汽車作為交通工具，但它的使用也會帶來一些交通安全問題。因此，當(dāng)下亟待解決的核心問題是如何提高車輛的安全駕駛性能和降低交通事故發(fā)生率，而安全輔助駕駛系統(tǒng)正是順應(yīng)了該應(yīng)用潮流，在保證安全駕駛的目標(biāo)上，如何使車輛能夠精準(zhǔn)識別道路與車輛或障礙是其領(lǐng)域的一個重要的技術(shù)核心。利用車輛輔助系統(tǒng)來提高道路交通的安全程度，己然成為未來交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展方向。通過先進(jìn)的技術(shù)手段輔助駕駛?cè)蝿?wù)，為汽車提供更加完善的輔助駕駛功能，逐步去實(shí)現(xiàn)汽車的智能化，并最終走向完全無人駕駛的智能汽車的輔助系統(tǒng)，必將是解決交通安全問題的有效途徑[1]。三維激光雷達(dá)的應(yīng)用是智能車輛安全輔助駕駛系統(tǒng)的重要研究內(nèi)容，對于減少車輛交通事故，提高車輛的道路行駛安

全具有重要意義。

1系統(tǒng)總架構(gòu)

在該項(xiàng)目研究中，基于三維激光雷達(dá)建模的無人車駕駛系統(tǒng)模擬實(shí)現(xiàn)無人駕駛車輛的自動駕駛，包括前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、減速、制動等功能，采用激光測距方法、三維激光雷達(dá)掃描建模方法等建立無人車輛行駛周圍的環(huán)境，通過攝像頭識別周圍環(huán)境的物體進(jìn)行進(jìn)一步的識別和分析，綜合各個傳感器信息，并把該信息采集回來傳遞給主控中心，結(jié)合GPS定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無人駕駛車輛的實(shí)時地位和導(dǎo)航，增加語音播報進(jìn)行交互設(shè)計，實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的整體功能。在國內(nèi)外，智能駕駛與無人駕駛領(lǐng)域中，已經(jīng)提出多種實(shí)施手段和算法，但以三維激光雷達(dá)為基礎(chǔ)的傳感器是其關(guān)鍵。激光雷達(dá)檢測流程圖如圖1所示。

激光三維成像是在精準(zhǔn)檢測每個二維每個像素點(diǎn)距離的基礎(chǔ)上，同步測量每個測距點(diǎn)的方向和位置。單點(diǎn)的掃描和面陣器件成像是獲取方位信息的兩種有效方式 [2]。

在掃描式三維成像激光雷達(dá)系統(tǒng)由單點(diǎn)激光測距系統(tǒng)和光束掃描裝置構(gòu)成，是目前發(fā)展較為成熟的三維成像激光雷達(dá)技術(shù)，其廣泛應(yīng)用在地形測繪、汽車導(dǎo)航及防撞、汽車的輔助駕駛等領(lǐng)域。直接脈沖方式檢測的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)掃描式三維激光雷達(dá)在每個點(diǎn)的迅速測距。掃描裝置用來控制雷達(dá)光軸指向不同方向，并依次完成目標(biāo)上各點(diǎn)距離的測量，同時記錄下光束指向的方位-俯仰角，這樣獲取的目標(biāo)距離、角度和角度圖像就是三維圖像。值得注意的是，發(fā)射光軸與接收光軸作為激光雷達(dá)系統(tǒng)的兩個相互平行的光軸，要求激光雷達(dá)工作時掃描裝置應(yīng)同步掃描這兩平行光軸，因而一般情況下掃描雷達(dá)設(shè)計為發(fā)射-接收同軸，且掃描鏡的光學(xué)有效孔徑不能過小[3]，如圖2所示為三維雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計框圖。

2 三維激光掃描的應(yīng)用分析

在雷達(dá)型號的選擇上，有著更多的選擇性。星載成像激光雷達(dá)、機(jī)載成像激光雷達(dá)與車載成像激光雷達(dá)都求著其實(shí)用性與可靠性[4]。

星載成像激光雷達(dá)主要用于空間交會對接、飛行器的導(dǎo)航著陸以及星載對地三維成像等。星載激光雷達(dá)需要探測的距離較遠(yuǎn)（400km左右），對系統(tǒng)的發(fā)射功率和接收口徑有高的要求。同時，星載激光雷達(dá)有著平臺載荷的限制，對系統(tǒng)的體積、功耗、質(zhì)量又有著嚴(yán)格的約束，因此有更高靈敏度的光子計數(shù)激光雷達(dá)便逐漸成為其技術(shù)發(fā)展方向。在不斷對三維成像效果和要求提高下，應(yīng)用在星載的激光雷達(dá)系統(tǒng)逐漸從單點(diǎn)探測向著線陣推掃或者面陣式成像發(fā)展，也不斷提高系統(tǒng)的橫向分辨率和測距精度，系統(tǒng)的發(fā)展越來越成熟。雖然其性能可靠，但其價格昂貴，不適用于本次設(shè)計使用。三維激光掃描的簡要應(yīng)用框圖如圖3所示。

機(jī)載成像激光雷達(dá)主要的應(yīng)用研究領(lǐng)域有地形測繪、電力巡線、水下探測、遮蔽目標(biāo)探測等。機(jī)載掃描成像激光雷達(dá)系統(tǒng)因其特性，是目前應(yīng)用較為廣泛的系統(tǒng)，成熟應(yīng)用在各個領(lǐng)域，特別是在城市地形測繪、水下探測、電力巡線等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。但其較遠(yuǎn)的探測距離也著實(shí)增加了其制造成本，在無人車上的使用也是無法完全發(fā)揮機(jī)載成像激光雷達(dá)的能力，故在此不推薦使用[5]。

車載激光雷達(dá)成像系統(tǒng)應(yīng)用在不同的場合下，一般采取直接探測的方式，具有著探測距離遠(yuǎn)、成像視場寬的優(yōu)點(diǎn)，且在價格上相對另外兩中類型雷達(dá)更為合適與汽車安裝使用。星載、機(jī)載、車載等領(lǐng)域都有著不可替代的位置，但其性能與價格在實(shí)際應(yīng)用上有著顯著差別。由于激光雷達(dá)系統(tǒng)成像中單點(diǎn)掃描成像速度較為慢，激光雷達(dá)成像系統(tǒng)將面陣掃描與線陣推掃式成像逐步代替單點(diǎn)掃描成像，掃描成像激光雷達(dá)系統(tǒng)探測器中的線性探測器不斷被子計數(shù)探測器取代，后者具有更高的靈敏度，從而達(dá)到小體積、輕重量、低功耗的特點(diǎn)。

3結(jié)語

近年來汽車工業(yè)的發(fā)展日新月異，無人駕駛系統(tǒng)在汽車安全駕駛的應(yīng)用中也是備受關(guān)注，先進(jìn)的雷達(dá)和穩(wěn)定的系統(tǒng)便成為各大汽車生產(chǎn)公司的關(guān)注點(diǎn)。在總結(jié)了星載成像激光雷達(dá)、機(jī)載成像激光雷達(dá)與車載成像激光雷達(dá)的性能，其在汽車應(yīng)用上的可靠性、可行性與優(yōu)劣的對比分析后可以見得，車載成像激光雷達(dá)探測范圍符合實(shí)際駕駛中的客觀環(huán)境，探測視覺角度可保障汽車安全性，且體積小，價格合理，是作為汽車輔助駕駛系統(tǒng)的最佳選擇。

參考文獻(xiàn)

[1]劉博，于洋，姜朔.激光雷達(dá)探測及三維成像研究進(jìn)展[J].光電工程，2019，46（7）：21-33.

[2]李晨曦，張軍，靳欣宇，等.激光雷達(dá)SLAM技術(shù)及其在無人車中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報，2017，31（4）：61-69.

[3]王小珂，周勇，王鈐.基于激光雷達(dá)距離圖像信息的三維重構(gòu)技術(shù)[J].兵工自動化，2013，32（3）：85-86+89.

[4]麥新晨，楊明，王春香，等.一種基于多傳感器融合的車輛檢測與跟蹤方法[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2011，45（7）：1012-1016.

[5]項(xiàng)志宇.快速三維掃描激光雷達(dá)的設(shè)計及其系統(tǒng)標(biāo)定[J].浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2006（12）：2130-2133.

收稿日期：2020-04-25

*項(xiàng)目基金：全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目，編號：201813470001;福建省教育廳科技，編號：JAT170845。

作者簡介：江勇捷（1997—），男，福建漳州人。[A1]

通訊作者：藍(lán)麗金（1987—），女，畬族，福建龍巖人，碩士，講師，研究方向：電氣自動化。