王榮秀

(重慶工商大學(xué)人工智能學(xué)院，重慶 400067)

激光雷達(dá)由于方向性好、抗干擾、探測(cè)速度快、精度高，特別是多線激光雷達(dá)能生成準(zhǔn)確的三維點(diǎn)云，因此被廣泛用于環(huán)境探測(cè)與感知，如汽車自動(dòng)駕駛、飛行導(dǎo)航、地形或建筑物測(cè)繪等[1-2]。在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步及配套算法的開發(fā)應(yīng)用，激光雷達(dá)體現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。毫米波雷達(dá)測(cè)距受到頻段損耗的制約，無法感知行人，難以對(duì)周邊障礙物進(jìn)行精準(zhǔn)建模；超聲波雷達(dá)在短距檢測(cè)上有一定優(yōu)勢(shì)，但不利于檢測(cè)高速運(yùn)動(dòng)的物體且其回波串?dāng)_問題嚴(yán)重；視覺傳感在檢測(cè)精度和實(shí)時(shí)性方面還存在一定的不足，抗干擾能力較差；因此，以激光雷達(dá)為核心的環(huán)境感知技術(shù)更適用于汽車自動(dòng)駕駛，激光雷達(dá)已成為自動(dòng)駕駛技術(shù)的核心裝備[3-4]。

激光雷達(dá)是一個(gè)光、機(jī)、電的融合體，其產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)還存在許多有待解決的問題，尤其是國內(nèi)產(chǎn)品與國外產(chǎn)品還存在不小的差距。雖然基于MEMS 的固態(tài)激光雷達(dá)與光學(xué)相控陣?yán)走_(dá)是研究熱點(diǎn)，但技術(shù)尚不成熟，沒有達(dá)到大面積使用的程度。機(jī)械掃描式激光雷達(dá)是目前市場上應(yīng)用最廣泛的激光雷達(dá)，但還有許多技術(shù)細(xì)節(jié)有待革新，同時(shí)價(jià)格昂貴，主要技術(shù)專利被國外公司壟斷，因此開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)且性能優(yōu)良的激光雷達(dá)勢(shì)在必行。

本文主要圍繞激光雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)展開，以機(jī)械式整體旋轉(zhuǎn)掃描的32 線激光雷達(dá)為研究對(duì)象，分析其系統(tǒng)原理、系統(tǒng)組成及技術(shù)難點(diǎn)，探索其核心技術(shù)問題并給出解決方案；同時(shí)給出其在自動(dòng)駕駛環(huán)境感知中的應(yīng)用例子，具有很大的推廣價(jià)值和意義。

1 系統(tǒng)基本原理與構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)原理

在環(huán)境探測(cè)中，激光雷達(dá)通過光子的來回運(yùn)動(dòng)測(cè)量距離，并利用激光良好的準(zhǔn)直性獲得目標(biāo)物的空間方位。由于脈沖激光峰值功率高，發(fā)散角較小，脈沖持續(xù)時(shí)間短，測(cè)距量程大、速度較快且無需合作目標(biāo)，這使得脈沖激光測(cè)距在探測(cè)距離和測(cè)量精度上具有顯著優(yōu)勢(shì)[5-6]，尤其適合對(duì)相對(duì)速度較大的運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

脈沖式測(cè)距原理如圖1 所示。激光以一定頻率發(fā)射脈沖光波，計(jì)時(shí)電路記錄下發(fā)射時(shí)刻t1和目標(biāo)物反射回波的接收時(shí)刻t2，從而得到兩個(gè)時(shí)刻的差Δt=t2-t1，則目標(biāo)物與激光系統(tǒng)的距離R可表示為

圖1 脈沖激光測(cè)距示意圖

式中:c為光速，n為空氣的折射率。

由式(1)可知，激光雷達(dá)測(cè)量的準(zhǔn)確性主要取決于時(shí)刻t1和t2的精準(zhǔn)度，同時(shí)目標(biāo)物的方位則由激光雷達(dá)掃描光束在水平方向及垂直方向的分辨率決定。在實(shí)際應(yīng)用中，激光雷達(dá)測(cè)距還受到許多其他因素的影響，如系統(tǒng)時(shí)鐘頻率、介質(zhì)(主要是空氣)對(duì)光信號(hào)的衰減、目標(biāo)物表面對(duì)光波不同角度的反射或散射引起的波形畸變或脈沖展寬，以及信號(hào)在電路處理過程中的延遲等。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

三維激光雷達(dá)系統(tǒng)由光學(xué)單元、機(jī)械單元、電路單元三大部分組成。光學(xué)單元主要是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，包括發(fā)射望遠(yuǎn)鏡和接收望遠(yuǎn)鏡。機(jī)械單元包括由殼體、電機(jī)組件及無線供電/數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娐方M成的旋轉(zhuǎn)部件。電路部分包括:脈沖供電激光發(fā)射陣列、脈沖供電接收陣列、計(jì)時(shí)及主控電路、供電及無線數(shù)據(jù)傳輸電路等，系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 激光雷達(dá)系統(tǒng)組成框圖

各模塊功能及系統(tǒng)工作流程如下:

(1)供電及無線數(shù)據(jù)傳輸電路:為系統(tǒng)供電及通過無線傳輸為旋轉(zhuǎn)部件供電、控制電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)部件旋轉(zhuǎn)、通過無線數(shù)據(jù)傳輸與主控電路通信。

(2)主控電路:控制系統(tǒng)發(fā)光時(shí)序，實(shí)現(xiàn)發(fā)光測(cè)量。接收計(jì)時(shí)信號(hào)并計(jì)算距離，進(jìn)行距離修正，將距離信息通過無線數(shù)據(jù)傳輸給供電及無線數(shù)據(jù)傳輸電路。

(3)脈沖供電激光發(fā)射陣列:產(chǎn)生脈沖電流使LD 發(fā)光，產(chǎn)生納秒級(jí)脈寬的光信號(hào)。

(4)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡:將光信號(hào)準(zhǔn)直、整形并投射在被測(cè)物體上。

(5)接收望遠(yuǎn)鏡:將反射光信號(hào)經(jīng)濾光系統(tǒng)和聚光系統(tǒng)匯聚在APD 光敏面上。

(6)脈沖供電接收陣列:進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，形成電流信號(hào)，再經(jīng)電路放大后輸入后級(jí)處理電路。

(7)計(jì)時(shí)電路:通過閾值設(shè)定和比較電路，獲得接收波形上的準(zhǔn)確時(shí)間，對(duì)波形進(jìn)行整形；從發(fā)光時(shí)刻開始進(jìn)行計(jì)時(shí)，到時(shí)刻鑒別之后計(jì)時(shí)結(jié)束，獲得兩者之間準(zhǔn)確的時(shí)間點(diǎn)；并將時(shí)間信息發(fā)送給主控電路。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決方案

在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，主要解決了5 個(gè)關(guān)鍵性的技術(shù)難題:高精度激光回波信號(hào)的時(shí)刻判別方法；半導(dǎo)體激光脈沖的高重頻、高頻響、高峰值電流驅(qū)動(dòng)技術(shù)；高帶寬、高增益、低噪聲接收電路的設(shè)計(jì)；分時(shí)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)激光發(fā)射與接收的抗回波串?dāng)_技術(shù)；三片式低像差小F 數(shù)的接收望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 基于雙閾值回波信號(hào)起始點(diǎn)判別的高精度時(shí)刻鑒別技術(shù)

前沿鑒別法將輸入信號(hào)與固定閾值進(jìn)行比較，判斷出過閾時(shí)間，從而得到回波到達(dá)接收器的時(shí)刻。相比于其他時(shí)刻鑒別法，前沿時(shí)刻判別法的優(yōu)點(diǎn)是簡單快速、動(dòng)態(tài)范圍寬且電路代價(jià)低，因此易于實(shí)現(xiàn)，但由于脈沖回波不可避免地存在幅度降低、波形畸變、脈沖展寬等現(xiàn)象，再加上處理電路的信號(hào)延時(shí)，從而使前沿時(shí)刻鑒別法有較大的誤差[7-9]，如圖3 所示。

圖3 前沿鑒別時(shí)刻誤差示意圖

其中Vt為閾值，Δtl為延遲誤差，Δtm為空氣及目標(biāo)物表面的幾何形態(tài)與表面性質(zhì)引起的漂移誤差。若對(duì)出射光波與回波采用相同結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的電子電路來處理，則Δtl一般可消除。漂移誤差Δtm則受外界不可控因素的作用，是不可避免的，因此如何采用有效的方法減少Δtm是提高測(cè)距精度的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是國外各大激光雷達(dá)供應(yīng)商的核心技術(shù)機(jī)密。項(xiàng)目組在研究中發(fā)現(xiàn)盡管接收到的回波信號(hào)幅度、脈沖寬度等發(fā)生變化，但同一距離脈沖回波信號(hào)的起始點(diǎn)是不發(fā)生變化的，與回波幅度、反射面、入射角度等因素?zé)o關(guān)，因此只要能準(zhǔn)確回溯接收信號(hào)的起點(diǎn)就可獲得準(zhǔn)確的脈沖到達(dá)時(shí)間，這樣可從根本上去除時(shí)刻鑒別誤差。一種簡單有效的方法是利用雙閾值技術(shù)測(cè)量脈沖信號(hào)上升沿斜率，從而推算出接收信號(hào)的起點(diǎn)，如圖4 所示。

顯然，由圖4 可知，回波信號(hào)的接收時(shí)刻t可由式(2)得出:

圖4 脈沖信號(hào)起始點(diǎn)的雙閾值測(cè)定

實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)低閾值Vta選取的原則為大于太陽光等造成的噪聲。高閾值Vtb的選取原則是使測(cè)距最大時(shí)(系統(tǒng)設(shè)定200 m)的回波信號(hào)能夠觸發(fā)。本項(xiàng)目中高低閾值分別設(shè)為2 V 和150 mV。

2.2 高重頻、高頻響、高峰值電流半導(dǎo)體激光脈沖驅(qū)動(dòng)技術(shù)

系統(tǒng)中采用的激光管是SPL PL90_3，是一款納秒級(jí)脈沖激光二極管，可發(fā)射中心波長為905 nm 的紅外光。其內(nèi)部發(fā)光材料為InGaAs/InGaAs，有效發(fā)光面積為200 μm×10 μm，峰值額定功率為75 W，對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電流峰值為40 A。常見的TO 玻璃封裝直徑為5.9 mm，不能滿足設(shè)計(jì)需求，項(xiàng)目中采用了管芯封裝技術(shù)，電路板采用0.4 mm 的厚度，封裝后電路板與激光器不超過1 mm，滿足了排布需求。

激光脈沖上升沿時(shí)間影響測(cè)量精度，上升沿時(shí)間越短，測(cè)距誤差越?。患す饷}沖功率決定測(cè)距能力；而重復(fù)頻率決定了單位時(shí)間的測(cè)量點(diǎn)數(shù)。兼顧高重頻、快速脈沖上升時(shí)間和大驅(qū)動(dòng)電流是半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)的難題[10]。傳統(tǒng)的窄脈沖激光驅(qū)動(dòng)采用大電容儲(chǔ)能、高速功率管控制放電電流和持續(xù)時(shí)間，其缺點(diǎn)是大電容充電時(shí)間較長，在kHz 的高重頻下不能將電容充滿，無法達(dá)到滿功率工作[11]。

項(xiàng)目提出了采用高壓對(duì)小電容充電的方法，實(shí)現(xiàn)大驅(qū)動(dòng)電流的同時(shí)提高了重頻。本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的激光驅(qū)動(dòng)陣列中單路激光驅(qū)動(dòng)原理圖如圖5 所示:

圖5 激光驅(qū)動(dòng)原理圖

TTLIN 信號(hào)是由主控系統(tǒng)提供的發(fā)光起始脈沖，C4的作用是起到隔直的作用，防止TTLIN 誤提供持續(xù)的高電平，導(dǎo)致激光驅(qū)動(dòng)發(fā)生損壞；U1 是MOS 管驅(qū)動(dòng)芯片，為MOS 提供柵源電壓，提高驅(qū)動(dòng)能力；當(dāng)Q1 導(dǎo)通時(shí)，V1 將通過電感對(duì)地放電，產(chǎn)生較大的電流，此時(shí)Q2 也導(dǎo)通，但C1、C2沒有存儲(chǔ)能量而激光不會(huì)發(fā)光；當(dāng)Q1 關(guān)閉時(shí)，電感將通過D1對(duì)C1、C2電容進(jìn)行充電，當(dāng)充滿電后C1、C2的電壓遠(yuǎn)大于V1；當(dāng)脈沖再次到來時(shí)，Q2 導(dǎo)通，C1、C2通過LD 進(jìn)行放電，激光管瞬間發(fā)光，產(chǎn)生較大的瞬時(shí)功率，依次循環(huán)。

為了能夠使激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生40 A 的峰值電流，Q2 必須選用DS 導(dǎo)通電流能夠通過40 A 的MOS管，這項(xiàng)指標(biāo)一方面受MOS 本身限制，另一方面受MOS 的VDS 電壓限制，通常DS 電壓越高，MOS 管的DS 導(dǎo)通電流越大。

由單路激光驅(qū)動(dòng)的原理可見，激光驅(qū)動(dòng)所需高壓并不是持續(xù)存在的，當(dāng)需要發(fā)光時(shí)，高壓隨控制信號(hào)的到來而升高，當(dāng)發(fā)光結(jié)束后，高壓隨即消失，這樣激光驅(qū)動(dòng)便不會(huì)產(chǎn)生額外的功耗。實(shí)測(cè)在18 kHz 的重復(fù)頻率、70 W 的峰值功率情況下，單路激光驅(qū)動(dòng)的功耗只有0.1 W，32 路的驅(qū)動(dòng)陣列功耗只有3.2 W。而激光驅(qū)動(dòng)陣列是系統(tǒng)當(dāng)中的主要功率部件，此設(shè)計(jì)大大降低了功耗需求，減小了熱量產(chǎn)生。

項(xiàng)目通過綜合采用高速、高壓MOS 管，調(diào)整放電回路的電路參數(shù)，縮小電容放電時(shí)間，完善了高重頻、快速、峰值功率可高達(dá)100 W 的驅(qū)動(dòng)模塊，總體性能與國際著名激光驅(qū)動(dòng)公司PicoLAS 的產(chǎn)品性能相當(dāng)(性能比較見表1)，并在最關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)——脈沖上升時(shí)間方面更具有優(yōu)勢(shì)。

表1 激光驅(qū)動(dòng)電路性能參數(shù)對(duì)比

2.3 高帶寬、高增益、低噪聲的接收電路設(shè)計(jì)

從激光測(cè)距的數(shù)學(xué)模型可知，激光發(fā)射功率和測(cè)距能力成正比關(guān)系，在不提高發(fā)射功率的前提下增加測(cè)距能力，給接收系統(tǒng)的信號(hào)處理能力提出了巨大的挑戰(zhàn)。

為了獲得更高的測(cè)距能力，信號(hào)必須被放大到足夠被后級(jí)電路處理的幅度，因此對(duì)放大電路的增益要求很高，而對(duì)于放大電路來說，增益與帶寬是相互制約的，增益越高，帶寬越低，信號(hào)就會(huì)失真，導(dǎo)致測(cè)距不準(zhǔn)確，并且噪聲也會(huì)被隨之放大。設(shè)計(jì)中采用了暗電流較低的“雪崩光電二極管”APD，型號(hào)為AD500-9，其光敏面面積為0.196 mm2，暗電流為0.8 nA，結(jié)電容為1.2 pF，靈敏度為52 A/W，輸出信號(hào)上升沿為0.55 ns，帶寬為500 MHz。其后通過選擇高帶寬、低噪聲的集成運(yùn)放設(shè)計(jì)，滿足10%反射面，距離為100 m 的測(cè)距指標(biāo)，在有噪聲的情況下達(dá)到±3 cm 精度的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2.4 分時(shí)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)激光發(fā)射與接收的抗回波串?dāng)_技術(shù)

多線激光傳感器與單線激光傳感器的一個(gè)重要區(qū)別是多線激光傳感器中存在多個(gè)發(fā)射和接收系統(tǒng)，如果同時(shí)發(fā)射，則脈沖回波必然相互疊加，接收器就會(huì)收到來自多個(gè)發(fā)射源的回波，從而產(chǎn)生信號(hào)之間的串?dāng)_，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果失真并降低系統(tǒng)工作效率。若采用機(jī)械隔離的方式，在光路系統(tǒng)中對(duì)每個(gè)發(fā)射器配備相應(yīng)的接收器，只接收特定角度的反射回波，則可以基本解決信號(hào)相互串?dāng)_的問題，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且不利于小型化。另一種方法是每個(gè)發(fā)射器選用不同頻率的脈沖光，在接收回波時(shí)進(jìn)行濾波處理，只允許頻率匹配的回波通過，這樣也可以達(dá)到消除串?dāng)_的目的。這種方法類似于消除多個(gè)超聲換能器串?dāng)_所使用的相關(guān)匹配法[12]。其不足是電路復(fù)雜，實(shí)時(shí)性較差，難以實(shí)現(xiàn)，且對(duì)激光的單色性要求較高。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們采用多路激光發(fā)射和接收分時(shí)處理的方式，在同一時(shí)間段內(nèi)，僅有一個(gè)激光器發(fā)射脈沖，保證接收器只接收單一脈沖的回波，同時(shí)采用“先發(fā)射先處理”的順序。由于需要對(duì)激光發(fā)光和接收進(jìn)行高速的選通，以避免在通道切換過程中引入計(jì)時(shí)偏差，我們選擇ns 級(jí)偏差的選通器件。另外，各通道共用一個(gè)計(jì)時(shí)單元，有利于結(jié)構(gòu)的小型化，提高設(shè)備的穩(wěn)定性。

分時(shí)發(fā)射與接收方案中，要完全避免串?dāng)_還需解決“后發(fā)先至”的問題，也就是先發(fā)射的脈沖如果反射物較遠(yuǎn)，而后發(fā)脈沖反射物較近，則有可能后發(fā)脈沖的回波先于先發(fā)脈沖的回波到達(dá)接收器(或同時(shí)到達(dá))，因此在分時(shí)方案設(shè)計(jì)中必須消除這一問題。

考慮第i和第j個(gè)脈沖激光器，j＞i，i先發(fā)射，如圖6 所示。若接收器與發(fā)射器之間的距離遠(yuǎn)小于與被測(cè)物體的距離，可認(rèn)為接收器與發(fā)射器到目標(biāo)物的距離相等。設(shè)第i個(gè)脈沖發(fā)射于時(shí)刻ti1，接收于ti2，反射物距離為ri；第j個(gè)激光器于tj1發(fā)送脈沖，接收器于tj2時(shí)刻收到，反射物距離為rj；若接收器接收到回波并經(jīng)電路轉(zhuǎn)換與處理所需時(shí)間為Δτ，則容易得知，要避免前后回波信號(hào)之間的串?dāng)_應(yīng)滿足tj2-ti2＞Δτ，利用式(1)，可得

圖6 后發(fā)先至引起的回波串?dāng)_

若任意兩個(gè)相鄰單元之間不產(chǎn)生串?dāng)_，則整個(gè)系統(tǒng)就不存在串?dāng)_，因此不失一般性，取j-i=1；同時(shí)假定測(cè)距系統(tǒng)的最大量程為Rm，則式(3)可簡化為

由式(4)可確定各激光器脈沖間隔，即各通道切換頻率。一般式(4)中右邊第二項(xiàng)遠(yuǎn)大于第一項(xiàng)。若選用高速ns 級(jí)器件，則可取Δτ=10 ns，空氣折率n≈1，最大測(cè)距Rm=200 m，可知取ti+1-ti≥1.5 μs，即相鄰脈沖間隔不小于1.5 μs 就可完全消除串?dāng)_，因此各通道切換頻率不超過0.75 MHz，本項(xiàng)目取值為0.66 MHz。

2.5 三片式低像差光學(xué)整形及小F 數(shù)的接收望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體激光器具有體小質(zhì)輕、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、對(duì)人眼安全、價(jià)格便宜、可電控等一系列優(yōu)點(diǎn)，但不足之處是發(fā)散角大、發(fā)光截面積大等。因此在測(cè)距系統(tǒng)中，需對(duì)脈沖激光進(jìn)行準(zhǔn)直處理。傳統(tǒng)的小孔整形方式易實(shí)現(xiàn)，但系統(tǒng)效率相對(duì)較低。為提高光束質(zhì)量及系統(tǒng)效率，項(xiàng)目組采用了三片式的光學(xué)結(jié)構(gòu)[13-14]，如圖7 所示。三片式的基本結(jié)構(gòu)由二個(gè)分離并帶膠合面的凸透鏡和一個(gè)位于中間的凹透鏡組成。三片式結(jié)構(gòu)可保證場曲為0，且膠合面的折射率差可有效改善軸外像差，提高出射光邊緣的質(zhì)量，由此解決了半導(dǎo)體激光器整形問題，提高了系統(tǒng)效率。經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)效率達(dá)到66%，快慢軸發(fā)散角控制在3 mrad 內(nèi)。

圖7 三片式半導(dǎo)體激光器整形結(jié)構(gòu)示意圖

光學(xué)接收系統(tǒng)的接收效率直接影響了三維激光雷達(dá)的測(cè)距能力，而接收系統(tǒng)的焦距與光瞳大小又會(huì)影響到系統(tǒng)整體尺寸。F 數(shù)小的光學(xué)系統(tǒng)能使像面上接收到的光強(qiáng)更大且光學(xué)分辨率更高，這就要求較短的焦距與較大尺寸的光瞳，但實(shí)現(xiàn)困難且造價(jià)昂貴，光瞳尺寸過大也不利于系統(tǒng)小型化。為確保提高測(cè)距能力的同時(shí)減小系統(tǒng)空間體積，采用了F 數(shù)接近1 的設(shè)計(jì)思路，同時(shí)通過三組三片鏡的結(jié)構(gòu)有效減小系統(tǒng)特別是邊緣視場的像差，提高光學(xué)接收系統(tǒng)的效率。

3 應(yīng)用實(shí)例——車路協(xié)同智能感知系統(tǒng)

目前，自動(dòng)駕駛在港口、礦區(qū)、物流園區(qū)、高速公路等封閉和半封閉場景相繼落地，但是在城市場景卻實(shí)現(xiàn)困難。主要原因在于城市場景中，道路開放，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)非混行，密度大，行為差異顯著，這對(duì)自動(dòng)駕駛的環(huán)境感知能力有著更高的要求。目前，自動(dòng)駕駛車載核心傳感器感知距離有限，且為視距的類人感知，無法滿足超遠(yuǎn)距離及交叉口、遮擋區(qū)等非視距環(huán)境感知需求。

為了突破自動(dòng)駕駛車輛的遠(yuǎn)距離和非視距感知難題、提升車路協(xié)同基礎(chǔ)設(shè)施的商業(yè)價(jià)值、實(shí)現(xiàn)5G與車聯(lián)網(wǎng)的深度結(jié)合，項(xiàng)目組提出了路側(cè)激光雷達(dá)+5G+邊緣計(jì)算的車路協(xié)同智能感知系統(tǒng)，如圖8 所示。車路協(xié)同智能感知系統(tǒng)集道路信息感知、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算、信息中繼傳輸功能于一體，采用先進(jìn)的傳感器實(shí)現(xiàn)交通信息精確感知。利用邊緣計(jì)算技術(shù)對(duì)感知信息進(jìn)行分析處理，通過5G-V2X 通信，以極低時(shí)延將信息傳輸給周邊車輛、移動(dòng)終端及云端。

圖8 車路協(xié)同示意圖

車路協(xié)同智能感知系統(tǒng)利用路基3D 激光雷達(dá)進(jìn)行道路環(huán)境感知、利用MEC 進(jìn)行數(shù)據(jù)智能計(jì)算，并采用5G-V2X 的信息傳輸系統(tǒng)。在感知系統(tǒng)中，路基3D 激光雷達(dá)是道路環(huán)境感知的主體，布設(shè)于關(guān)鍵和復(fù)雜的路口或路段，對(duì)所在區(qū)域道路進(jìn)行精確感知；激光雷達(dá)安裝在路側(cè)具備獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，由于安裝高度高，視距條件更好，不容易被遮擋，擁有“上帝視野”，同時(shí)位于交叉路口，可感知多方向道路，視野更加開闊。

計(jì)算系統(tǒng)的主要功能是匯集區(qū)域內(nèi)激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算處理，構(gòu)建動(dòng)態(tài)高精度地圖并將處理后的信息進(jìn)行分發(fā)、存儲(chǔ)和上報(bào)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)高精度地圖的構(gòu)建。主要包括四個(gè)方面的任務(wù):首先是道路建模，識(shí)別激光雷達(dá)所在區(qū)域的固定結(jié)構(gòu)；其次是目標(biāo)分割，識(shí)別道路環(huán)境中非固定物體的存在情況；再者是目標(biāo)聚類，將感知目標(biāo)劃分為大型車輛、小型車輛、行人、非機(jī)動(dòng)車等類型；最后是目標(biāo)的持續(xù)跟蹤，輸出目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置、大小、速度、方向，并推算目標(biāo)軌跡。

在傳輸系統(tǒng)中，感知數(shù)據(jù)通過5G-V2X 傳輸至邊緣節(jié)點(diǎn)，并將環(huán)境感知數(shù)據(jù)分析結(jié)果通過5GV2X，分發(fā)到交通參與者。主要包括兩大部分:第一部分是激光雷達(dá)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)在邊緣側(cè)的匯集，以及處理后結(jié)果的下發(fā)；第二部分是服務(wù)請(qǐng)求的發(fā)起和服務(wù)的提供。目前，V2X 路側(cè)終端的通信制式是LTE-V2X+4G，未來將會(huì)融合LTE-V2X、5G、5G NR-V2X 等多種通信制式。

4 結(jié)束語

三維激光雷達(dá)具有檢測(cè)快速、檢測(cè)距離遠(yuǎn)、三維掃描的特點(diǎn)，作為自動(dòng)駕駛車輛的“眼睛”，已經(jīng)成為車輛必不可少的傳感器。本文對(duì)三維激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)的解決方案，其性能指標(biāo)能夠滿足需求，并且方案簡單，成本較低，功耗較低，體積小，整體設(shè)計(jì)指標(biāo)接近于國外的成熟產(chǎn)品?；谶吘売?jì)算技術(shù)的車路協(xié)同智能感知系統(tǒng)解決方案為激光雷達(dá)在路側(cè)的應(yīng)用提供了豐富的實(shí)踐環(huán)境。目前已經(jīng)在許昌5G 自動(dòng)駕駛示范區(qū)、鄭州宇通智慧島“智慧島5G 智能公交”等全國多個(gè)示范項(xiàng)目中落地應(yīng)用。通過技術(shù)突破，解決發(fā)展瓶頸，打破國外壟斷，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)駕駛核心零部件的國產(chǎn)化，最終推動(dòng)自動(dòng)駕駛技術(shù)的普及與發(fā)展。