从光学角度看激光雷达方案

时间:2024-02-27 已阅读:455次

从光学视角来看,激光雷达可以认为是基于光学收发的时空匹配系统:基于飞行时间的直接或间接探测是时间维度的匹配;各类光学收发系统以及对应的空间位置关系是空间维度的匹配。激光雷达按照光学扫描方式的不同,可以分为机械式、半固态和全固态激光雷达这几大类;激光雷达不同扫描方式一直是多种技术路线并行研发,目前市面上主流的长距离激光雷达扫描方式为转镜类和MEMS类,但以Flash为代表的全固态激光雷达,被认为是长期发展的方向。


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1机械式转镜扫描方案

机械式激光雷达最早进入市场,它是在发射模块在垂直方向上排布多线激光器,然后发射模块和接收模块在电机带动下,进行360°旋转扫描,因为结构简单可靠,是目前最容易通过车厂认证、应用最广的一种技术路线。


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如上图2所示镭神智能的32线机械式激光雷达,垂直视场角有-16°~15° -18°~14°两种模式,模式一(图3)(视场角:-16°~15°)的角分辨率为1°均匀分布,满足大视场全面覆盖;模式二(图4)(视场角为-18°~14°),中间加密区域的角分辨率为0.33°,满足前方数据集中采集的使用需求。

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转镜路线主要应用机器人产业、智慧交通(车路协同路侧感知系统)、自动驾驶(多传感器融合环境感知系统)、智慧物流(无人叉车3D SLAM导航系统)、高端安防(三维立体防护系统)等方面,随着“非接触式”服务的兴起,机器人产业的市场规模不断扩大,转镜式激光雷达可以为不同领域的机器人提供多功能、高性价比的解决方案,使机器人能够在室内外的复杂路况中实现自主定位、导航、避障等功能。


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转镜路线的核心要素是电机以及针对特定波长高反射率的镀膜反射镜,通常转镜只需保证匀速旋转即可,无需变速或其他特殊控制,转镜方案(法雷奥为代表)是第一个过车规、成本可控,可满足车企性能要求,且实现批量供货的技术方案。

【注:图2-5均来源于镭神智能官网】

2转镜+振镜扫描方案

转镜+振镜也是较为成熟的激光雷达技术方案,与单独的转镜方案不同,转镜+振镜方案灵活度较高,能够支持 ROI 设计(密集扫描重点关注区域,其他区域保持常规扫描频率)。转镜方案中收发模块保持不动,电机在带动转镜运动的过程中将光束反射到空间一定范围中,从而实现扫描探测。

图达通的猎鹰 (Falcon)激光雷达采用的就是转镜+振镜方案,而且作为蔚来NT2.0平台的Aquila超感系统标配已实现量产交付,可以实现最远500米的探测距离,250米的标准探测距离,最高可以达到0.05°*0.05°的角分辨率;其内部结构如下图4所示,其中转镜负责水平扫描,振镜负责垂直扫描,转镜采用的是五边形能够达到120度的水平视场角,棱镜棱数越多水平视场角就越小,实际中采用的是光纤一分四,四线同时扫描。


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此种设计的一大优势在于能够动态调节ROI,灵活调整感兴趣区域,更好地追踪目标,更好的保障L2+辅助驾驶对安全的要求;其实现方式是在垂直方向上,可以降低振镜在某一角度区间内的旋转速度,则对应垂直角度范围内扫描点会更密集,由于转镜的转速是恒定不变的,因此只需周期性提升激光器点频,在特定的水平视场角内也可以实现设定的ROI(图7)。


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【注:图6-7均来源于未来智库】



3MEMS振镜扫描方案

MEMS振镜是半固态激光雷达的另一种主流路线,在MEMS方案中激光收发模块固定不动,微振镜在静电、电磁、电热或压电驱动下运动,整体方案取消了笨重的电机、转镜等机械运动部件,提高了激光雷达的可靠性。

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速腾M1就是采用MEMS扫描模式的代表,其整机具备5个激光收发模组,与收发模组对应的是5个固定反射镜,激光器的光束经过反射镜反射到中央的MEMS振镜上,并随着MEMS振镜的不断振动实现5条光束的同时扫描(图9)。


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由于MEMS振镜振动的角度范围比较有限,所以实现水平方向较大的扫描角度时需要5个激光器各自负责20多度的一个扇区,拼合起来实现与转镜路线相同的水平视场角(图10-图11)。


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M1激光雷达可以实现200米的测距,帧率10Hz,如下图12所示通过5个激光器的扫描视场拼接,可以实现120°*25°的视场角,水平和垂直的平均角分辨率0.2°,帧率和分辨率也可以根据需要来动态调节。


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MEMS方案通过高速振动的微振镜代替传统的机械旋转装置,可以减少激光器和探测器的使用数量,降低成本和体积。但MEMS本身就是由非常细小的悬臂梁来固定和控制的,在车载环境下的振动和冲击会影响微振镜的使用寿命。同时,要想提高MEMS的探测距离,还需要提高镜面尺寸,MEMS振镜的成本也相应就越大。

【注:图8-11均来源于速腾聚创官网,图12来源未来智库】

4双楔形棱镜扫描方案

双楔形棱镜是Livox主要采用的扫描方案,其由两块同轴放置的楔形棱镜组成,随着两个棱镜以不同速度旋转,将在前方扫出类似花瓣状的图样(图13)。


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这一方案最大的优势在于成本低、节约激光器和接收器,Livox Mid-40官网售价仅¥3999,采用独特的非重复扫描方式,视场覆盖率将随时间推移而显著提高,可减小视场内物体被漏检的概率。

如下图14-15所示,当积分时间为 0.1 s 秒时,觅道-40 的视场覆盖率与 32 线产品相近;当积分时间为 0.5 s 秒时,觅道-40 的视场覆盖率与 64 线产品相当。


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随着积分时间的继续增加,最终视场覆盖率接近 100%(图16)。


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电机的转速限制了扫描的帧率,所以产品的主要应用场景为移动机器人、配送机器人、安防、测绘、车路协同等方向(图17)。


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LIVOX新推出的车规级激光雷达浩界HAP官网售价¥7999,其扫描方式采用巧妙的旋镜式类固态技术方案,与觅道Mid40采用的是相同原理,不同的是HAP 探测距离提升至150米,横向视场角为120°,相比纵向的扫描范围明显增加(图18)。


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如下图19所示,其实现方式是在两片楔形棱镜的基础上再加一片,通过三片棱镜的旋转配合来实现类似矩形的扫描区域,HAP 角分辨率高达 0.18°*0.23°, 其中感兴趣区域(ROI, Region of Interest)的点云密度可等效 144 线激光雷达,可以实现“超帧率”探测,即在汽车行驶过程中,HAP的感兴趣区域将会以两倍于其他区域的频率进行扫描。


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更密的点云输出带来更丰富的环境感知,让算法可以更精准地检测到远处行人、自行车、雪糕桶等细小目标物体,为高速行驶或复杂场景中的道路交通参与者提供更高级别的安全保障。

【注:图13来源未来智库,图14-19均来源于Livox官网】


5全固态激光雷达方案

相比当前量产落地的MEMS、转镜、棱镜等半固态激光雷达,全固态激光雷达整个机身完全没有运动部件,所以更容易满足车规要求,既能在批量生产时更好地保障产品一致性,在装车以后也能够更好地适应复杂的使用环境,保证产品可靠性,同时其还具备数据点采样均匀准确、体积小方便集成、成本低等优点,可将固态激光雷达作为传感模块,这对于未来自动驾驶提供了无限可能。

全固态激光雷达从原理上来讲类似于摄像头,不同点在于全固态激光雷达接收其发射的主动光,所以多了一个发射模块。全固态激光雷达在短时间直接发射出一大片覆盖探测区域的激光,通过高度灵敏的接收器,来完成对环境周围图像的绘制(图20)。


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目前市面上绝大多数车规级激光雷达均为半固态方案,而且各种方案都已具备车规级量产案例,半固态相比机械式的核心优势在于成本与车规;对于转镜类激光雷达,具体方案上转镜可以单独工作,也可以搭配振镜,或采用线光斑扫描等方式,而转镜加振镜方式的一大优势在于能够灵活调节ROI;而MEMS方案由于振镜的尺寸以及振动的角度范围有限,要实现大视场角的扫描需要多个激光器进行视场拼接,对于装配精度和稳定性等要求较高;而对于楔形棱镜同轴旋转的方案,优势在于成本低、节约激光器和接收器,而劣势在于帧率不足外圈扫描点数不足。

激光雷达在短期维度的主流方案为半固态的MEMS、转镜式,主要原因在于半固态在硬件架构上做了简化,使得制造成本降低,是当前最接近车规级应用的方案;但是从长期维度、技术维度来看纯固态为最优方案,一方面在于其通过半导体工艺能把激光雷达一些核心部件集成在芯片上,集成度进一步提高的同时成本降低;另一方面在于全固态激光雷达不仅体积小,而且由于没有运动部件,可靠性也更高。