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無(wú)人駕駛的承諾不再是一個(gè)白日夢(mèng)?，F(xiàn)在，圍繞自動(dòng)駕駛的問題集中在實(shí)現(xiàn)所需的基礎(chǔ)技術(shù)和進(jìn)步上。LiDAR已經(jīng)成為支持向自動(dòng)駕駛轉(zhuǎn)變的最受討論的技術(shù)之一，但是仍然存在許多問題。

LiDAR距離可大于100米，角度分辨率為0.1°。然而，并不是所有的自動(dòng)駕駛應(yīng)用都需要這種級(jí)別的性能，諸如代客泊車輔助和街道清掃車等應(yīng)用。有大量的深度傳感技術(shù)支持這些應(yīng)用，如雷達(dá)、立體視覺、超聲波探測(cè)和測(cè)距以及LiDAR。每種傳感器在性能、尺寸和成本之間都有獨(dú)特的權(quán)衡。超聲波設(shè)備是最便宜的，但在范圍、分辨率和可靠性方面受到限制。雷達(dá)在射程和可靠性方面有了很大的提高，但它也有角分辨率的限制；立體視覺可能會(huì)有很大的計(jì)算開銷和精度限制，以及需要正確的校準(zhǔn)；LiDAR有助于彌補(bǔ)這些差距，精確的深度感測(cè)，精細(xì)的角度分辨率，低復(fù)雜度的處理。然而，LiDAR通常被視為體積龐大、成本高昂的產(chǎn)品，事實(shí)并非如此。

LiDAR的設(shè)計(jì)首先要確定系統(tǒng)需要檢測(cè)的最小物體、該物體的反射率以及該物體所處的距離。這將定義系統(tǒng)的角度分辨率。由此計(jì)算出最小可達(dá)到信噪比（SNR），即檢測(cè)目標(biāo)所需的真/假陽(yáng)性或陰性檢測(cè)準(zhǔn)則。

了解感知環(huán)境和信息量，有助于進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)權(quán)衡，實(shí)現(xiàn)成本、性能、開發(fā)難度相關(guān)的最佳解決方案。例如，考慮一輛以100公里/小時(shí)速度行駛的自動(dòng)駕駛汽車，與以6公里/小時(shí)的速度前進(jìn)的物流機(jī)器人相比。在高速情況下，不僅要考慮以100 公里/小時(shí)的速度行駛的車輛，還要考慮另一輛以相同速度反向行駛的車輛。對(duì)于感知系統(tǒng)來(lái)說，這相當(dāng)于200公里/小時(shí)的相對(duì)速度接近。對(duì)于探測(cè)最大距離為200米的LiDAR來(lái)說，車輛在一秒鐘內(nèi)就能將物體之間的距離縮短25%。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，車輛的速度、停車距離和執(zhí)行規(guī)避所涉及的動(dòng)力學(xué)是特有的復(fù)雜性。一般來(lái)說，可以說，LiDAR需要高速應(yīng)用。

分辨率是激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要的特性。良好的角分辨率使激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠從單個(gè)物體接收多個(gè)像素的返回信號(hào)。如圖1所示，在200米的范圍內(nèi)，1°的角分辨率將轉(zhuǎn)換為邊長(zhǎng)3.5米的像素。這個(gè)尺寸的像素比許多需要檢測(cè)的物體都要大，這帶來(lái)了一些挑戰(zhàn)。首先，空間平均通常被用來(lái)提高信噪比和可檢測(cè)性，但由于每個(gè)目標(biāo)只有一個(gè)像素，這不是一個(gè)選擇。此外，即使被探測(cè)到，也無(wú)法預(yù)測(cè)物體的大小。一塊道路碎片、一只動(dòng)物、一個(gè)交通標(biāo)志和一輛摩托車通常都小于3.5米。相比之下，0.1°角分辨率的系統(tǒng)像素要小10倍，也就是35厘米，因此，這個(gè)系統(tǒng)可能會(huì)區(qū)分出汽車和摩托車。

與方位角相比，探測(cè)一個(gè)物體是否能安全地駛過需要更高分辨率的仰角。想象一下，一個(gè)自動(dòng)物流機(jī)器人的要求會(huì)有多大不同，因?yàn)樗乃俣群苈?，需要探測(cè)狹窄但又高的物體，比如桌腿。

LiDAR的速度和性能可以在圖2中確定。有很多選擇可以選擇，例如掃描對(duì)比泛光面陣式，或者ToF 對(duì)比波形數(shù)字化，它們之間的選擇不在本文的范圍內(nèi)。

（圖1 具有32個(gè)垂直通道的激光雷達(dá)系統(tǒng)，以1°的角分辨率水平掃描環(huán)境。）

（圖2 激光雷達(dá)系統(tǒng)的分立元件。）

（圖3 ADI AD-FMCLIDAR1-EBZ激光雷達(dá)開發(fā)解決方案系統(tǒng)架構(gòu)）

范圍或深度精度與ADC采樣率有關(guān)。測(cè)距精度允許系統(tǒng)準(zhǔn)確地知道物體的距離，這在需要近距離移動(dòng)的情況下非常關(guān)鍵，例如停車場(chǎng)或倉(cāng)庫(kù)物流。此外，范圍隨時(shí)間的變化可以用來(lái)計(jì)算速度，這個(gè)用例通常需要更好的距離精度。使用簡(jiǎn)單的閾值算法（如直接ToF），1ns采樣周期（即1gsps ADC）可實(shí)現(xiàn)的距離精度為15cm。計(jì)算結(jié)果為c（dt/2），其中c是光速，dt是ADC采樣周期。然而，考慮到ADC包括在內(nèi)，可以使用更復(fù)雜的技術(shù)，例如插值等，來(lái)提高測(cè)距精度，可以通過粗略估計(jì)信噪比的平方根來(lái)提高測(cè)距精度。處理數(shù)據(jù)的最高性能算法之一是采用濾波器，它最大限度地提高信噪比，然后進(jìn)行插值以獲得最佳精度。

AD-FMCLIDAR1-EBZ是一個(gè)高性能激光雷達(dá)原型平臺(tái)，采用905nm脈沖ToF激光雷達(dá)開發(fā)工具。該系統(tǒng)可用于機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、農(nóng)業(yè)和建筑設(shè)備以及具有1D泛光面陣式掃描雷達(dá)原型。該系統(tǒng)采用高速雙4A MOSFET驅(qū)動(dòng)的905nm激光源。它還包括由LT8331可編程電源，為First Sensor 16通道APD陣列供電。有多個(gè)4通道LTC6561 跨阻放大器，具有低噪聲和高帶寬，以及AD9094 1 GSPS、8位ADC，確保每個(gè)通道的功耗最低，為435 mW/通道。此外還支持根據(jù)需要額外增加帶寬和采樣率，這有助于提高整體系統(tǒng)幀速率和測(cè)距精度。同時(shí)，降低功耗也很重要，因?yàn)樯崃吭叫?，?機(jī)械設(shè)計(jì)就越簡(jiǎn)單，形狀也就越小。

另一個(gè)LiDAR設(shè)計(jì)的工具是eval-ADAL6110-16，高度可配置的評(píng)估系統(tǒng)。它提供了一個(gè)簡(jiǎn)化的，但可配置的，2D 泛光面陣式雷達(dá)傳感器，用于需要實(shí)時(shí)（65赫茲）目標(biāo)檢測(cè)/跟蹤的應(yīng)用，如防撞、高度監(jiān)控和軟著陸。

（圖4 使用集成16通道ADAL6110-16的eval-ADAL6110-16激光雷達(dá)評(píng)估模塊。）

參考設(shè)計(jì)中使用的光學(xué)元件視野（FOV）為方位角37°仰角5.7°。在方位角為16個(gè)像素的線性陣列中，20米處的像素大小與成人的平均值方位角0.8米，仰角2米相當(dāng)。如前所述，不同的應(yīng)用可能需要不同的光學(xué)配置。如果現(xiàn)有的光學(xué)元件不能滿足應(yīng)用的需要，PCB可以很容易地從外殼上拆下，并加入一個(gè)新的光學(xué)結(jié)構(gòu)中。

評(píng)估系統(tǒng)是圍繞ADI的ADAL6110-16構(gòu)建的，ADAL6110-16是一種低功耗、16通道的集成式激光雷達(dá)信號(hào)處理器（LSP）。該裝置提供用于探測(cè)感興趣區(qū)域的定時(shí)控制、對(duì)接收到的波形進(jìn)行采樣的定時(shí)以及將捕獲的波形數(shù)字化的能力。ADAL6110-16集成了敏感的模擬節(jié)點(diǎn)，降低了噪聲，使系統(tǒng)能夠捕捉到非常低的信號(hào)反饋，而不是用具有類似設(shè)計(jì)參數(shù)的離散元件實(shí)現(xiàn)相同的信號(hào)鏈，在這些元件中，均方根噪聲是影響一切的關(guān)鍵。此外，集成信號(hào)鏈允許激光雷達(dá)系統(tǒng)減少尺寸、重量和功耗。

系統(tǒng)軟件可以快速啟用，它是完全獨(dú)立的，通過USB 5伏電源供電，可以很容易地集成到一個(gè)帶有機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）驅(qū)動(dòng)程序的系統(tǒng)中。用戶只需創(chuàng)建一個(gè)連接器，就可以與機(jī)器人或車輛連接，并支持四種通信協(xié)議：SPI、USB、CAN或RS-232。參考設(shè)計(jì)也可以根據(jù)不同的接收器和發(fā)射器技術(shù)進(jìn)行修改。

如前所述，eval-ADAL6110-16參考設(shè)計(jì)的接收機(jī)數(shù)據(jù)可以修改，以創(chuàng)建不同的配置，如圖5至圖7所示。eval-ADAL6110-16配備了 Hamamatsu S8558 16光電二極管陣列。表1中顯示的不同距離的像素的大小基于有效像素大?。?.8 mm×2mm）以及20 mm焦距透鏡。例如，如果同一板用諸如Osram SFH-2701等單個(gè)光電二極管重新設(shè)計(jì)，每個(gè)光電二極管的活動(dòng)面積為0.6mm×0.6mm，則同一范圍內(nèi)的像素大小將與FOV根據(jù)像素大小的變化而不同。

表1 如果接收器被更改為SFH-2701，則eval-ADAL6110-16中使用的接收器尺寸和光學(xué)元件以及潛在像素排列

（圖5 Hamamatsu S8558二極管陣列。）

例如，讓我們看看S8558，它的16個(gè)像素排列成一條直線

像素尺寸：2mm×0.8mm。

（圖6 使用基本三角函數(shù)計(jì)算角分辨率。）

選擇20 mm焦距透鏡后，可以使用基本三角函數(shù)計(jì)算每個(gè)像素的垂直和水平FOV，如圖6所示。當(dāng)然，鏡頭的選擇可能涉及額外的、更復(fù)雜的考慮，例如像差校正和場(chǎng)曲率。然而，對(duì)于這樣的低分辨率系統(tǒng)，直接的計(jì)算就足夠了。

所選的1×16像素FOV可用于自主車輛和自主地面車輛的目標(biāo)檢測(cè)和避碰等應(yīng)用，也可用于倉(cāng)庫(kù)等受限環(huán)境下機(jī)器人的定位和映射（SLAM）。

有一個(gè)有意思的應(yīng)用是在4×4網(wǎng)格中，以檢測(cè)系統(tǒng)周圍的對(duì)象。正在開發(fā)的此應(yīng)用將安裝在公交車和房車上，如果有行人在公交周圍時(shí)，會(huì)警告駕駛員。該系統(tǒng)可以檢測(cè)個(gè)人行走的方向，并通過停車或用喇叭提醒行人，以防止撞到，并及時(shí)警告駕駛員采取行動(dòng)。

記住，并非每個(gè)應(yīng)用程序都要求0.1°角分辨率和100 米監(jiān)測(cè)范圍?；ㄐr(shí)間考慮激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用程序真正需要的內(nèi)容，然后明確定義關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，如目標(biāo)大小、反射率、目標(biāo)距離和無(wú)人駕駛系統(tǒng)運(yùn)行速度。這將為平衡設(shè)計(jì)提供更匹配的組件選擇，使其相對(duì)于系統(tǒng)所需的功能進(jìn)行最佳性能和成本的選擇，最終增加首次成功設(shè)計(jì)的可能性。

（圖7 激光雷達(dá)系統(tǒng)的各種光學(xué)實(shí)現(xiàn)，可幫助提高應(yīng)用程序安全。）

本文作者：

Sarven Ipek于2006年加入ADI。在ADI任職期間，Sarven在故障分析、設(shè)計(jì)、特性描述、產(chǎn)品工程、項(xiàng)目和程序管理方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。Sarven目前是位于馬薩諸塞州威爾明頓市的Autonomous Transportation and Safety Group的LIDAR部門的營(yíng)銷經(jīng)理。

Ron Kapusta是ADI研究員，擁有麻省理工學(xué)院的理學(xué)學(xué)士和工程碩士學(xué)位。2002年畢業(yè)后，他加入ADI，負(fù)責(zé)數(shù)字成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和傳感器接口電路。2014年，羅恩將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到汽車技術(shù)領(lǐng)域，致力于激光雷達(dá)傳感器的電子、光子學(xué)和信號(hào)處理。羅恩還參與了幾個(gè)IEEE會(huì)議的項(xiàng)目委員會(huì)。