无人车与激光雷达精.ppt

无人车与激光雷达第1页，本讲稿共23页 激光雷达简介激光雷达简介激光雷达原理激光雷达原理无人车介绍无人车介绍结束语结束语1234第2页，本讲稿共23页 1、激光雷达简介第3页，本讲稿共23页(1)(1)起源与发展起源与发展“雷达雷达”(RADAR-Radio Detection And Ranging)(RADAR-Radio Detection And Ranging)。传统的雷达。传统的雷达是以微波和毫米波作为载波的雷达，大约出现是以微波和毫米波作为载波的雷达，大约出现19351935年左年左右。右。最早公开报道提出激光雷达的概念是最早公开报道提出激光雷达的概念是:1967:1967年美国国际电话年美国国际电话和电报公司提出的，主要用于航天飞行器交会对接，和电报公司提出的，主要用于航天飞行器交会对接，并研制出原理样机并研制出原理样机;1978;1978年美国国家航天局马歇尔航天年美国国家航天局马歇尔航天中心研制成中心研制成CO2CO2相干激光雷达相干激光雷达.图1.1 雷达图1.2 雷达显示屏幕第4页，本讲稿共23页(1)(1)起源与发展起源与发展激光雷达激光雷达(LADAR-Laser Detection And Ranging)(LADAR-Laser Detection And Ranging)是以激光作为载是以激光作为载波的雷达，以光电探测器为接收器件，以光学望远镜为天线的波的雷达，以光电探测器为接收器件，以光学望远镜为天线的雷达。早期，人们还叫过光雷达雷达。早期，人们还叫过光雷达(LIDAR-Light Detection And(LIDAR-Light Detection And Ranging)Ranging)，这里所谓的光实际上是指激光。，这里所谓的光实际上是指激光。以后世界上陆续提出并实现：激光多普勒雷达、激光测以后世界上陆续提出并实现：激光多普勒雷达、激光测风雷达、激光成像雷达、激光差分吸收雷达、拉曼风雷达、激光成像雷达、激光差分吸收雷达、拉曼散射激光雷达、微脉冲激光雷达、激光合成孔径雷散射激光雷达、微脉冲激光雷达、激光合成孔径雷达、激光相控阵雷达等。达、激光相控阵雷达等。图1.3 单线激光雷达图1.4 多线激光雷达第5页，本讲稿共23页(2)(2)激光雷达与微波雷达的异同点激光雷达与微波雷达的异同点激光雷达是以激光器为辐射源的雷达，它是在微波雷达技术基础上激光雷达是以激光器为辐射源的雷达，它是在微波雷达技术基础上发展起来的，两者在工作原理和结构上有许多相似之处发展起来的，两者在工作原理和结构上有许多相似之处工作频率由无线电频段改变成了光频段，雷达具体结构、目工作频率由无线电频段改变成了光频段，雷达具体结构、目标和背景特性上发生了变化。标和背景特性上发生了变化。微波天线由光学望远镜代替；接收通道中微波雷达可以直接微波天线由光学望远镜代替；接收通道中微波雷达可以直接用射频器件对接收信号进行放大、混频和检波等处理，用射频器件对接收信号进行放大、混频和检波等处理，激光雷达则必须用光电探测器将光频信号转换成电信号激光雷达则必须用光电探测器将光频信号转换成电信号后进行处理。后进行处理。信号处理，激光雷达基本上沿用了微波雷达中的成熟技术。信号处理，激光雷达基本上沿用了微波雷达中的成熟技术。第6页，本讲稿共23页(3)(3)激光雷达特点激光雷达特点分辨率高分辨率高角分辨率不低于角分辨率不低于0.1mard0.1mard;距离分辨率可达距离分辨率可达0.lm;0.lm;速度分辨率能速度分辨率能达到达到10m/s10m/s以内以内.隐蔽性好、抗有源干扰能力强隐蔽性好、抗有源干扰能力强 激光直线传播、方向性好、光束非常窄激光直线传播、方向性好、光束非常窄.低空探测性能好低空探测性能好只有被照射的目标才会产生反射只有被照射的目标才会产生反射,完全不存在地物回波的影完全不存在地物回波的影响响.体积小、质量轻体积小、质量轻 发射望远镜的口径一般只有厘米级发射望远镜的口径一般只有厘米级,整套系统质量最小的只有几十公斤整套系统质量最小的只有几十公斤第7页，本讲稿共23页(4)(4)三种综合性能雷达对比三种综合性能雷达对比第8页，本讲稿共23页 2、激光雷达原理第9页，本讲稿共23页(1)(1)激光雷达基本结构激光雷达基本结构激光器：激光雷达的核心器件。激光器种类很多，性能各激光器：激光雷达的核心器件。激光器种类很多，性能各异，究竟选择哪种激光器作为雷达辐射源，往往要对各种因异，究竟选择哪种激光器作为雷达辐射源，往往要对各种因素加以综合考虑，其中包括：波长、大气传输特性、功率、素加以综合考虑，其中包括：波长、大气传输特性、功率、信号形式、功率要求、平台限制（体积、重量和功耗）、对信号形式、功率要求、平台限制（体积、重量和功耗）、对人眼安全程度、可靠性、成本和技术成熟程度等。人眼安全程度、可靠性、成本和技术成熟程度等。从目前实际应用来看，从目前实际应用来看，Nd:YAGNd:YAG固体激光器、固体激光器、COCO2 2气体激光器和气体激光器和GaAlAsGaAlAs半导体二极管激光器、光纤激光器等最具有代表性。半导体二极管激光器、光纤激光器等最具有代表性。图2.1 简易激光雷达组成第10页，本讲稿共23页(1)(1)激光雷达基本结构激光雷达基本结构接收器：适合于激光雷达用的光电探测器主要有接收器：适合于激光雷达用的光电探测器主要有PINPIN光电光电二极管、硅雪崩二极管二极管、硅雪崩二极管(SiAPD)(SiAPD)、光电导型碲镉汞、光电导型碲镉汞(HgCdTe)(HgCdTe)探测器和光伏型碲镉汞探测器从目前实际应用探测器和光伏型碲镉汞探测器从目前实际应用来看，来看，Nd:YAGNd:YAG固体激光器、固体激光器、CO2CO2气体激光器和气体激光器和GaAlAsGaAlAs半半导体二极管激光器、光纤激光器等最具有代表性。导体二极管激光器、光纤激光器等最具有代表性。光学天线光学天线透射式望远镜；反射式望远镜；收发合置光学天线；收发分置透射式望远镜；反射式望远镜；收发合置光学天线；收发分置光学天线；自由空间光路；全光纤光路；波片（四分之一、光学天线；自由空间光路；全光纤光路；波片（四分之一、二分之一）；分束镜、合束镜、布鲁斯特窗片二分之一）；分束镜、合束镜、布鲁斯特窗片第11页，本讲稿共23页(1)(1)激光雷达基本结构激光雷达基本结构光学扫描器光学扫描器多面体扫描器，利用多面体（多面体扫描器，利用多面体（6-126-12面）的转动来扫描，优面）的转动来扫描，优点是扫描线性好、精度高，缺点是体积大、价格高；点是扫描线性好、精度高，缺点是体积大、价格高；检流计式振镜扫描器，扫描角检流计式振镜扫描器，扫描角1515；声子偏转器，利用声光效应使入射光线产生偏转而实现光扫描，声子偏转器，利用声光效应使入射光线产生偏转而实现光扫描，声光偏转器的扫描角不大，一般在声光偏转器的扫描角不大，一般在33左右左右 压电扫描器，利用逆压电效应产生摆动的新型扫描器；压电扫描器，利用逆压电效应产生摆动的新型扫描器；第12页，本讲稿共23页(2)(2)测距原理测距原理汽车激光雷达防撞系统特点：汽车激光雷达防撞系统特点：发射机发射的是一串重复周期一定的激光窄脉冲，发射机发射的是一串重复周期一定的激光窄脉冲，是典型的是典型的非相干测距雷达；非相干测距雷达；对它的要求是测距精度高，测距精度与测程的远近无关；对它的要求是测距精度高，测距精度与测程的远近无关；系统体积小、重量轻，测量迅速，可以数字显示；系统体积小、重量轻，测量迅速，可以数字显示；操作简单，培训容易，有通讯接口，可以连成测量网络，或与其他设操作简单，培训容易，有通讯接口，可以连成测量网络，或与其他设备连机进行数字信息处理和传输。备连机进行数字信息处理和传输。第13页，本讲稿共23页(2)(2)测距原理测距原理激光雷达工作时，发射机向空间发射一串重复周期一定的高频窄脉冲。激光雷达工作时，发射机向空间发射一串重复周期一定的高频窄脉冲。如果在电磁波传播的途径上有目标存在，那么激光雷达就可以接如果在电磁波传播的途径上有目标存在，那么激光雷达就可以接收到由目标反射回来的回波。由于回波信号往返于雷达与目标之收到由目标反射回来的回波。由于回波信号往返于雷达与目标之间，它将滞后于发射脉冲一个时间，如图所示。间，它将滞后于发射脉冲一个时间，如图所示。能测量目标距离是激光雷达的一个突出优点，测量的精度和分辨率与能测量目标距离是激光雷达的一个突出优点，测量的精度和分辨率与发射信号带宽发射信号带宽(或处理后的脉冲宽度或处理后的脉冲宽度)有关。脉冲越窄，性能越好。有关。脉冲越窄，性能越好。图2.2脉冲式激光雷达测距原理第14页，本讲稿共23页(2)(2)测距原理测距原理根据获得根据获得t tr r的方法不同，可分为模拟测距和数字测距。的方法不同，可分为模拟测距和数字测距。第一第一跟踪精度高，跟踪精度高，且精度与跟且精度与跟踪距离无关踪距离无关;第二第二响应速度快，响应速度快，适合于跟踪适合于跟踪快速目标快速目标;第三第三工作可靠和系工作可靠和系统便于集成化统便于集成化;第四第四输出数据为输出数据为二进制码，二进制码，可以方便地可以方便地和数据处理和数据处理系统接口系统接口第15页，本讲稿共23页(2)(2)测距原理测距原理数字式测距只要记录回波脉冲到达时的计数脉冲的数目数字式测距只要记录回波脉冲到达时的计数脉冲的数目 n n，根据计数，根据计数脉冲的重复周期脉冲的重复周期 T T，就可以计算出回波脉冲相对于发射脉冲的延，就可以计算出回波脉冲相对于发射脉冲的延迟时间迟时间T T 为已知值。为了减少误差，通常计数脉冲产生器和雷达定时器为已知值。为了减少误差，通常计数脉冲产生器和雷达定时器触发脉冲在时间上是同步的。目标距离触发脉冲在时间上是同步的。目标距离 R R 与计数脉冲数与计数脉冲数 h h之之间的关系为：间的关系为：式中，式中，f f为计数脉冲重复频率。为计数脉冲重复频率。第16页，本讲稿共23页(3)(3)位置确定位置确定右图是激光雷达工作时的俯视扫描面示意图，其右图是激光雷达工作时的俯视扫描面示意图，其中激光雷达为逆时针扫描。以激光发射器为中激光雷达为逆时针扫描。以激光发射器为原点建立坐标系，原点建立坐标系，X X 轴定义为水平向右，轴定义为水平向右，Y Y 轴定义为水平向前，轴定义为水平向前，Z Z 轴是按照右手原则确轴是按照右手原则确定。定。一次扫描可以采集一次扫描可以采集n n个激光反射信息个激光反射信息(距离、距离、角度和强度信息角度和强度信息)。再通过距离和角度，即可定位每个激光反射再通过距离和角度，即可定位每个激光反射点的位置。点的位置。图2.3 俯视扫描示意图第17页，本讲稿共23页(4)(4)测速原理测速原理汽车激光雷达防撞系统要探测的目标是地面上运动着的车辆及物体，汽车激光雷达防撞系统要探测的目标是地面上运动着的车辆及物体，不但需要测量出目标的距离，而且需测量出目标与自车的相对不但需要测量出目标的距离，而且需测量出目标与自车的相对速度速度(即径向相对速度即径向相对速度)，从而探测出目标的实际速度。下列是，从而探测出目标的实际速度。下列是依据多普勒频移原理测距。依据多普勒频移原理测距。多普勒频移多普勒频移 （v vr r为雷达与目标的径向相对速度）为雷达与目标的径向相对速度）当目标向着激光雷达运动时当目标向着激光雷达运动时v vr r0,0,回波载频提高也就是自车与前车回波载频提高也就是自车与前车或障碍物间的距离在减小或障碍物间的距离在减小;反之反之 v vr r00,回波载波降低回波载波降低,自车与前车或障碍物间的距离在增大。自车与前车或障碍物间的距离在增大。所以只要能够测量出多普勒频移所以只要能够测量出多普勒频移f fd d,就可以确定目标与雷达站之间就可以确定目标与雷达站之间的相对速度的相对速度,也就是自车与前车或障碍物的相对速度，从而也就是自车与前车或障碍物的相对速度，从而根据自车的速度计算出前车的速度。根据自车的速度计算出前车的速度。图2.4 多普勒激光雷达测速第18页，本讲稿共23页 3、无人车介绍第19页，本讲稿共23页(1)(1)谷歌无人车谷歌无人车20142014年年5 5月月2828日谷歌发布了一款自己设日谷歌发布了一款自己设计的无人驾驶汽车。它能载人到处计的无人驾驶汽车。它能载人到处跑，还没个方向盘。这就是谷歌联跑，还没个方向盘。这就是谷歌联合创始人谢尔盖合创始人谢尔盖布林领导的创新布林领导的创新小组小组Google XGoogle X的最新项目。的最新项目。谷歌采用了谷歌采用了VelodyneVelodyne公司的车顶激光测距系公司的车顶激光测距系统，这一系统使用统，这一系统使用6464个激光，以每分钟个激光，以每分钟900900次的速度发出光束，产生的点云可次的速度发出光束，产生的点云可以提供给汽车以提供给汽车360360度的视角。度的视角。图3.1谷歌无人车实物图第20页，本讲稿共23页(1)(1)谷歌无人车谷歌无人车车顶上的扫描器发射车顶上的扫描器发射6464束激光射线，然后激光碰到车辆周围的束激光射线，然后激光碰到车辆周围的物体，又反射回来，这样就计算出了物体的距离。另一套物体，又反射回来，这样就计算出了物体的距离。另一套在底部的系统测量出车辆在三个方向上的加速度、角速度在底部的系统测量出车辆在三个方向上的加速度、角速度等数据，然后再结合等数据，然后再结合GPSGPS数据计算出车辆的位置，所有这些数据计算出车辆的位置，所有这些数据与车载摄像机捕获的图像一起输入计算机，软件以极数据与车载摄像机捕获的图像一起输入计算机，软件以极高的速度处理这些数据。这样，系统就可以非常迅速的作高的速度处理这些数据。这样，系统就可以非常迅速的作出判断。出判断。图3.2 谷歌无人车工作原理第21页，本讲稿共23页(1)(1)谷歌无人车谷歌无人车第22页，本讲稿共23页(2)(2)百度无人车百度无人车20152015年年1212月，百度无人驾驶车国内首次实现月，百度无人驾驶车国内首次实现城市、环路及高速道路混合路况下的全城市、环路及高速道路混合路况下的全自动驾驶。百度无人驾驶车从位于北京自动驾驶。百度无人驾驶车从位于北京中关村软件园的百度大厦附近出发，驶中关村软件园的百度大厦附近出发，驶入入G7G7京新高速公路，经五环路，抵达奥京新高速公路，经五环路，抵达奥林匹克森林公园，并随后按原路线返回。林匹克森林公园，并随后按原路线返回。百度无人驾驶车往返全程均实现自动驾百度无人驾驶车往返全程均实现自动驾驶，并实现了多次跟车减速、变道、超驶，并实现了多次跟车减速、变道、超车、上下匝道、调头等复杂驾驶动作，车、上下匝道、调头等复杂驾驶动作，完成了进入高速（汇入车流）到驶出高完成了进入高速（汇入车流）到驶出高速（离开车流）的不同道路场景的切换。速（离开车流）的不同道路场景的切换。测试时最高速度达到测试时最高速度达到100100公里公里/小时。小时。图3.3 百度无人车实物图第23页，本讲稿共23页