隨著主要汽車制造商在他們的汽車中加速采用 ADAS 和自動駕駛功能,，汽車行業(yè)正朝著自動駕駛這一方向發(fā)展,。全自動乘用車的試駕越來越多,。本“應(yīng)用說明”探討了自動巡航車所采用的 LiDAR 技術(shù),，并針對關(guān)鍵的安全性問題提供了的經(jīng)濟(jì)高效的解決方案,。
挑戰(zhàn)
典型的全自動巡航車的核心依賴于兩個重要的中央處理單元（CPU）- 導(dǎo)航系統(tǒng)主 CPU 和安全 CPU,，它們之間協(xié)同工作以防止碰撞和確保安全,。
導(dǎo)航系統(tǒng)主 CPU 可以與一個或多個 LiDAR 傳感器進(jìn)行交互,，提供大范圍和高分辨率的定位,、映射和防撞,。目前，許多自動巡航車都依賴于機械式掃描 LiDAR 傳感器,，這種傳感器位于巡航車的頂部,，可進(jìn)行遠(yuǎn)程探測，能夠?qū)囕v周圍實現(xiàn) 360 度覆蓋,。
盲點區(qū)域的半徑受多種因素影響,，包括機械式掃描 LiDAR 傳感器的垂直視場（FoV）、傳感器在車輛上的位置,，以及巡航車的大小和形狀,。然而，值得注意的是,，機械式掃描傳感器通常不會專門配置為可獲取近距離數(shù)據(jù),，或特別選擇最佳位置以實現(xiàn) 360 度全覆蓋，這進(jìn)一步導(dǎo)致巡航車周圍的盲點區(qū)域增加,。
圖 機械式掃描 LiDAR 在車輛周圍產(chǎn)生的盲點,。
對于確保安全和成功的自動駕駛而言，盲點區(qū)域內(nèi)的障礙檢測能力至關(guān)重要,。車輛開啟時,，如果未對周圍環(huán)境進(jìn)行檢測并確認(rèn)附近沒有障礙物，則巡航車不能啟動,。此外,，在巡航車的運行過程中，對于停止后即將重新啟動的情形，系統(tǒng)需要事先驗證是否有人,、車輛或任何其他物體接近巡航車,。例如，在接載乘客時,，系統(tǒng)需要確認(rèn)乘客是否已經(jīng)上車或仍然停留在盲區(qū)內(nèi),。巡航車盲區(qū)的其他物體（例如敞篷車、叉車,、拖車等）也需要執(zhí)行相同的檢測過程,。
圖 掃描盲區(qū)可能會帶來災(zāi)難性的后果，如同本示例中位于車輛盲區(qū)的小孩子一樣,。
檢測到危險情況時,，安全 CPU 會防止巡航車移動或使其完全停止。作為最新自動巡航車設(shè)計不可或缺的一部分,，安全 CPU 需要進(jìn)行短程到中程的防撞檢測,，以便在主導(dǎo)航系統(tǒng)無法識別障礙物或發(fā)生故障時能使車輛完全停止。
安全 CPU 是一種低功耗,、經(jīng)濟(jì)高效的冗余系統(tǒng),，其數(shù)據(jù)速率要求較低 - 但必須確保完全覆蓋其周圍環(huán)境（360 度，水平和垂直全覆蓋）,。這帶來了巨大的挑戰(zhàn),，因為這個需求本身違背了掃描的基本概念 - 更大的覆蓋范圍通常意味著更多的數(shù)據(jù),。例如,，LiDAR 掃描設(shè)備每秒返回 60 萬到 220 萬個點，具體取決于傳感器的分辨率和垂直線數(shù)（16 到 64）,。
尋求合適的技術(shù)
為了能夠覆蓋巡航車周圍的盲區(qū),，我們考慮并測試了不同的探測技術(shù)（超聲波、雷達(dá)和攝像機等解決方案）,，但每一種技術(shù)都有其局限性：
? 超聲波：范圍有限,，分辨率低
? 雷 達(dá)：滲透性表面和靜態(tài)物體的檢測問題
? 攝像機：缺乏距離信息和重要的天氣梯度變化信息
其他解決方案所采用的標(biāo)準(zhǔn)同樣重要。首先,，由于解決方案將在安全 CPU 中發(fā)揮最核心的作用,，因此不應(yīng)向系統(tǒng)發(fā)送過多的數(shù)據(jù)，以避免數(shù)據(jù)過載帶來的數(shù)據(jù)接口問題,。為了實現(xiàn) 360 度覆蓋,，我們估計安全 CPU 的最佳數(shù)據(jù)輸入量為每秒 3,000 至 60,000 點。
該技術(shù)還必須提供足夠高的分辨率來檢測小物體,，并可以通過跟蹤算法來實現(xiàn)精確的軌跡和速度,，對物體進(jìn)行精確定位從而做出有效的防撞決策。
選擇解決方案時，另一個需要考慮的重要因素是視場全覆蓋能力,，以及在所有類型表面的高檢測率,，這對于需要檢測巡航車周圍物體的安全系統(tǒng)至關(guān)重要 - 低分辨率的傳感器可能會發(fā)生漏測現(xiàn)象。
最后,，來自安全 CPU 的數(shù)據(jù)將被送入導(dǎo)航 CPU,，用作冗余數(shù)據(jù)。冗余傳感器提高了系統(tǒng)的性能水平,、檢測率和穩(wěn)健性,。一個傳感器漏測的物體會被另一個傳感器捕獲，從而顯著提高系統(tǒng)性能,、確保安全操作,，這對涉及到多名乘客的全自動無人駕駛至關(guān)重要。
兼具性能和成本優(yōu)勢并同時滿足安全要求的解決方案
基于上述要求和傳感器技術(shù)的固有限制,，許多巡航車開發(fā)人員轉(zhuǎn)而采用固態(tài)泛光 LiDAR,，以消除巡航車周圍的盲點。與機械式掃描 LiDAR 相比,，泛光 LiDAR 成本更低,、平均故障間隔時間（MTBF）更長，可提供高度可靠的短程檢測,，能實現(xiàn) 100％的光密度和視場完全覆蓋,。泛光 LiDAR 提供的數(shù)據(jù)可以在高達(dá) 100Hz 的測量速率下對物體進(jìn)行跟蹤，基于速度,、方向性和位置對可能發(fā)生的碰撞進(jìn)行預(yù)測,，同時消除車輛周圍可能存在的任何盲區(qū)。
當(dāng)遠(yuǎn)程的主檢測系統(tǒng)由于故障或遺漏而無法檢測到物體時,，LiDAR 解決方案作為冗余的制動和防撞系統(tǒng),，會充分考慮最大減速率（尤其是對于許多典型的巡航車的最大速度）提供必要的掃描范圍。
此外,，如果在車輛附近檢測到物體,，將啟動緊急制動程序。另外,，巡航車上的乘客經(jīng)常不系安全帶并保持站立姿勢,，為確保減速時速度保持在安全水平，需要一定的制動距離,。
例如,，以 40 公里/小時的速度行駛的巡航車，如果采用 3.5 米/秒2的減速率,，則需要 23 米（其中包括 0.5秒的反應(yīng)時間）才能停止下來,。
為了覆蓋足夠的范圍,，許多 LiDAR 解決方案需要配置更強大、更昂貴的光學(xué)器材和激光源,。通過專利技術(shù)用軟件方法對信號進(jìn)行處理,，LeddarTech 的泛光 LiDAR 技術(shù)具有成本優(yōu)勢，能夠提供所需的范圍和性能,，在巡航車應(yīng)用的商業(yè)部署中（如緊急制動和盲區(qū)監(jiān)控）
具有極大的吸引力,。
最終結(jié)果
為確保覆蓋到所有盲點區(qū)域，可以使用 Leddar 傳感器模塊實施兩種主要架構(gòu)類型,。如果巡航車生產(chǎn)商需要其他級別的分辨率,、量程或覆蓋范圍，則可根據(jù)具體應(yīng)用場景選擇相應(yīng)的模塊或架構(gòu),。因此,，如果設(shè)計團(tuán)隊可以接受一些盲區(qū)，則需要的傳感器數(shù)量會減少,。
1. 第一種結(jié)構(gòu)提供了短程安全車殼,，可以覆蓋巡航車的各個側(cè)面并消除盲點區(qū)域。
為實現(xiàn)這一目標(biāo),，我們采用了八個 Leddar M16-LSR LiDAR 模塊,，它們具有 100 度水平視場和 12 米行人（低反射率）量程，這八個模塊直接安裝在巡航車的車身中,，距離地面的高度從 20 厘米到 75 厘米不等,，可以檢測到近處的小物體。
圖 第一種傳感器架構(gòu)所提供的短程安全車殼視圖,。
2. 第二種架構(gòu)類型在巡航車的側(cè)面和后面采用短量程覆蓋,，而在車身前面則擴大覆蓋范圍，可用于冗余防撞系統(tǒng),。為實現(xiàn)這一目標(biāo),，我們將五個具有 100 度 FOV 的模塊放置在巡航車的側(cè)面和后面，將兩個具有更大覆蓋范圍和更高分辨率的 M16-LSR LiDAR 傳感器（48 度 FOV,，30 米行人范圍）放置在車身前面。
圖 第二種傳感器架構(gòu)所提供的短程車殼視圖,，車身前面覆蓋范圍更長,。
使用 LeddarTech 的固態(tài) LiDAR 技術(shù)實現(xiàn)巡航車安全車殼
下面簡要介紹了 LeddarTech 的 2D 泛光 LiDAR 解決方案，自動巡航車開發(fā)人員在安全車殼和緊急制動中采用了該解決方案,。
Leddar M16-LED和 M16-LSR 模塊
模塊根據(jù)照明方式不同有兩種主要的配置類型：經(jīng)典 LED 系列和新型激光系列,。這兩種 M16 系列都非常適合戶外操作：它們采用固態(tài)設(shè)計，無需安裝電動機械,、工作溫度范圍寬,、適應(yīng)各種氣候,、不受照明條件影響。
是經(jīng)過驗證的 Leddar 主力產(chǎn)品,，因其多功能性和可靠性而倍受客戶青睞,。該模塊的紅外 LED 光源最大可提供 100 米范圍的寬光束照明，并具有六種不同的視場配置,。M16-LSR 使用激光源實現(xiàn)更長的量程,，并提供更窄和具有更優(yōu)定義的垂直 FOV，相比 M16-LED,，的外形更小,。
主要功能和優(yōu)點包括：
? 出色的角度分辨率，使用 16 個獨立的分段同時跟蹤并同時采集
? 不同光束選項,，實現(xiàn)最優(yōu)的視場（FOV）
? 多目標(biāo)跟蹤和橫向辨別能力
? FOV 檢測范圍高達(dá) 165 米（541 英尺）,，并且和目標(biāo)相關(guān)（M16-LSR 相對于反光目標(biāo)）
? 快速數(shù)據(jù)采集時間（高達(dá) 100 Hz）
? 具有各種光束選項，可適用于各種混合車輛配置
未來計劃
泛光 LiDAR 技術(shù)正在迅速發(fā)展,。得力于新型 LiDAR 架構(gòu)的深入開發(fā)和信號處理的持續(xù)改進(jìn),，更新、更強大的解決方案指日可待,。同時,，廣闊的市場和大量的應(yīng)用需求也是強有力的驅(qū)動因素。最終,，泛光 LiDAR 技術(shù)將更具成本效益,，并且其性能將在未來幾年完全取代機械式掃描儀，這也正是汽車行業(yè)專家所預(yù)期的,。因此,，已經(jīng)被自動巡航車作為傳感器套件的一部分而采用的泛光 LiDAR 解決方案，將在下一代產(chǎn)品得以廣泛使用時發(fā)揮更為重要的作用,。
基于 LeddarTech 專利技術(shù),、具有卓越量程和分辨率的 3D 固態(tài)泛光 LiDAR 即將推出，它能滿足先進(jìn)的自動巡航檢測需求,。