江勇捷 藍麗金

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，而三維激光雷達正是汽車實現(xiàn)無人駕駛的關鍵所在。用于精準、快速獲取三維空間信息的激光雷達傳感器有著目標識別、分類及三維成像等方面的技術優(yōu)勢，其應用范圍和發(fā)展前景十分廣闊。隨著現(xiàn)代無人駕駛技術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、被動成像相結合，以獲取豐富的目標信息。

關鍵詞：智能汽車;三維激光雷達;輔助駕駛

中圖分類號：TP391 ?文獻標識碼：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)正是順應了該應用潮流，在保證安全駕駛的目標上，如何使車輛能夠精準識別道路與車輛或障礙是其領域的一個重要的技術核心。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輸?shù)陌l(fā)展方向。通過先進的技術手段輔助駕駛任務，為汽車提供更加完善的輔助駕駛功能，逐步去實現(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]。三維激光雷達的應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

在該項目研究中，基于三維激光雷達建模的無人車駕駛系統(tǒng)模擬實現(xiàn)無人駕駛車輛的自動駕駛，包括前進、后退、轉彎、減速、制動等功能，采用激光測距方法、三維激光雷達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)境的物體進行進一步的識別和分析，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，結合GPS定位系統(tǒng)實現(xiàn)無人駕駛車輛的實時地位和導航，增加語音播報進行交互設計，實現(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域中，已經(jīng)提出多種實施手段和算法，但以三維激光雷達為基礎的傳感器是其關鍵。激光雷達檢測流程圖如圖1所示。

激光三維成像是在精準檢測每個二維每個像素點距離的基礎上，同步測量每個測距點的方向和位置。單點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系統(tǒng)由單點激光測距系統(tǒng)和光束掃描裝置構成，是目前發(fā)展較為成熟的三維成像激光雷達技術，其廣泛應用在地形測繪、汽車導航及防撞、汽車的輔助駕駛等領域。直接脈沖方式檢測的應用可以實現(xiàn)掃描式三維激光雷達在每個點的迅速測距。掃描裝置用來控制雷達光軸指向不同方向，并依次完成目標上各點距離的測量，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系統(tǒng)的兩個相互平行的光軸，要求激光雷達工作時掃描裝置應同步掃描這兩平行光軸，因而一般情況下掃描雷達設計為發(fā)射-接收同軸，且掃描鏡的光學有效孔徑不能過小[3]，如圖2所示為三維雷達系統(tǒng)應用設計框圖。

2 三維激光掃描的應用分析

在雷達型號的選擇上，有著更多的選擇性。星載成像激光雷達、機載成像激光雷達與車載成像激光雷達都求著其實用性與可靠性[4]。

星載成像激光雷達主要用于空間交會對接、飛行器的導航著陸以及星載對地三維成像等。星載激光雷達需要探測的距離較遠（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)量又有著嚴格的約束，因此有更高靈敏度的光子計數(shù)激光雷達便逐漸成為其技術發(fā)展方向。在不斷對三維成像效果和要求提高下，應用在星載的激光雷達系統(tǒng)逐漸從單點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，不適用于本次設計使用。三維激光掃描的簡要應用框圖如圖3所示。

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

車載激光雷達成像系統(tǒng)應用在不同的場合下，一般采取直接探測的方式，具有著探測距離遠、成像視場寬的優(yōu)點，且在價格上相對另外兩中類型雷達更為合適與汽車安裝使用。星載、機載、車載等領域都有著不可替代的位置，但其性能與價格在實際應用上有著顯著差別。由于激光雷達系統(tǒng)成像中單點掃描成像速度較為慢，激光雷達成像系統(tǒng)將面陣掃描與線陣推掃式成像逐步代替單點掃描成像，掃描成像激光雷達系統(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，從而達到小體積、輕重量、低功耗的特點。

3結語

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用中也是備受關注，先進的雷達和穩(wěn)定的系統(tǒng)便成為各大汽車生產(chǎn)公司的關注點。在總結了星載成像激光雷達、機載成像激光雷達與車載成像激光雷達的性能，其在汽車應用上的可靠性、可行性與優(yōu)劣的對比分析后可以見得，車載成像激光雷達探測范圍符合實際駕駛中的客觀環(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

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

[2]李晨曦，張軍，靳欣宇，等.激光雷達SLAM技術及其在無人車中的應用研究進展[J].北京聯(lián)合大學學報，2017，31（4）：61-69.

[3]王小珂，周勇，王鈐.基于激光雷達距離圖像信息的三維重構技術[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].上海交通大學學報，2011，45（7）：1012-1016.

[5]項志宇.快速三維掃描激光雷達的設計及其系統(tǒng)標定[J].浙江大學學報（工學版），2006（12）：2130-2133.

收稿日期：2020-04-25

*項目基金：全國大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目，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：藍麗金（1987—），女，畬族，福建龍巖人，碩士，講師，研究方向：電氣自動化。