自动巡航车LiDAR技术简介

随着主要汽车制造商在他们的汽车中加速采用 ADAS 和自动驾驶功能，汽车行业正朝着自动驾驶这一方向发展。全自动乘用车的试驾越来越多。本“应用说明”探讨了自动巡航车所采用的 LiDAR 技术，并针对关键的安全性问题提供了的经济高效的解决方案。

挑战

典型的全自动巡航车的核心依赖于两个重要的中央处理单元（CPU）- 导航系统主 CPU 和安全 CPU，它们之间协同工作以防止碰撞和确保安全。

导航系统主 CPU 可以与一个或多个 LiDAR 传感器进行交互，提供大范围和高分辨率的定位、映射和防撞。目前，许多自动巡航车都依赖于机械式扫描 LiDAR 传感器，这种传感器位于巡航车的顶部，可进行远程探测，能够对车辆周围实现 360 度覆盖。

盲点区域的半径受多种因素影响，包括机械式扫描 LiDAR 传感器的垂直视场（FoV）、传感器在车辆上的位置，以及巡航车的大小和形状。然而，值得注意的是，机械式扫描传感器通常不会专门配置为可获取近距离数据，或特别选择最佳位置以实现 360 度全覆盖，这进一步导致巡航车周围的盲点区域增加。

图 机械式扫描 LiDAR 在车辆周围产生的盲点。

对于确保安全和成功的自动驾驶而言，盲点区域内的障碍检测能力至关重要。车辆开启时，如果未对周围环境进行检测并确认附近没有障碍物，则巡航车不能启动。此外，在巡航车的运行过程中，对于停止后即将重新启动的情形，系统需要事先验证是否有人、车辆或任何其他物体接近巡航车。例如，在接载乘客时，系统需要确认乘客是否已经上车或仍然停留在盲区内。巡航车盲区的其他物体（例如敞篷车、叉车、拖车等）也需要执行相同的检测过程。

图 扫描盲区可能会带来灾难性的后果，如同本示例中位于车辆盲区的小孩子一样。

检测到危险情况时，安全 CPU 会防止巡航车移动或使其完全停止。作为最新自动巡航车设计不可或缺的一部分，安全 CPU 需要进行短程到中程的防撞检测，以便在主导航系统无法识别障碍物或发生故障时能使车辆完全停止。

安全 CPU 是一种低功耗、经济高效的冗余系统，其数据速率要求较低 - 但必须确保完全覆盖其周围环境（360 度，水平和垂直全覆盖）。这带来了巨大的挑战，因为这个需求本身违背了扫描的基本概念 - 更大的覆盖范围通常意味着更多的数据。例如，LiDAR 扫描设备每秒返回 60 万到 220 万个点，具体取决于传感器的分辨率和垂直线数（16 到 64）。

寻求合适的技术

为了能够覆盖巡航车周围的盲区，我们考虑并测试了不同的探测技术（超声波、雷达和摄像机等解决方案），但每一种技术都有其局限性：

• 超声波：范围有限，分辨率低

• 雷 达：渗透性表面和静态物体的检测问题

• 摄像机：缺乏距离信息和重要的天气梯度变化信息

其他解决方案所采用的标准同样重要。首先，由于解决方案将在安全 CPU 中发挥最核心的作用，因此不应向系统发送过多的数据，以避免数据过载带来的数据接口问题。为了实现 360 度覆盖，我们估计安全 CPU 的最佳数据输入量为每秒 3,000 至 60,000 点。

该技术还必须提供足够高的分辨率来检测小物体，并可以通过跟踪算法来实现精确的轨迹和速度，对物体进行精确定位从而做出有效的防撞决策。

选择解决方案时，另一个需要考虑的重要因素是视场全覆盖能力，以及在所有类型表面的高检测率，这对于需要检测巡航车周围物体的安全系统至关重要 - 低分辨率的传感器可能会发生漏测现象。

最后，来自安全 CPU 的数据将被送入导航 CPU，用作冗余数据。冗余传感器提高了系统的性能水平、检测率和稳健性。一个传感器漏测的物体会被另一个传感器捕获，从而显著提高系统性能、确保安全操作，这对涉及到多名乘客的全自动无人驾驶至关重要。

兼具性能和成本优势并同时满足安全要求的解决方案

基于上述要求和传感器技术的固有限制，许多巡航车开发人员转而采用固态泛光 LiDAR，以消除巡航车周围的盲点。与机械式扫描 LiDAR 相比，泛光 LiDAR 成本更低、平均故障间隔时间（MTBF）更长，可提供高度可靠的短程检测，能实现 100％的光密度和视场完全覆盖。泛光 LiDAR 提供的数据可以在高达 100Hz 的测量速率下对物体进行跟踪，基于速度、方向性和位置对可能发生的碰撞进行预测，同时消除车辆周围可能存在的任何盲区。

当远程的主检测系统由于故障或遗漏而无法检测到物体时，LiDAR 解决方案作为冗余的制动和防撞系统，会充分考虑最大减速率（尤其是对于许多典型的巡航车的最大速度）提供必要的扫描范围。

此外，如果在车辆附近检测到物体，将启动紧急制动程序。另外，巡航车上的乘客经常不系安全带并保持站立姿势，为确保减速时速度保持在安全水平，需要一定的制动距离。

例如，以 40 公里/小时的速度行驶的巡航车，如果采用 3.5 米/秒²的减速率，则需要 23 米（其中包括 0.5秒的反应时间）才能停止下来。

为了覆盖足够的范围，许多 LiDAR 解决方案需要配置更强大、更昂贵的光学器材和激光源。通过专利技术用软件方法对信号进行处理，LeddarTech 的泛光 LiDAR 技术具有成本优势，能够提供所需的范围和性能，在巡航车应用的商业部署中（如紧急制动和盲区监控）

具有极大的吸引力。

最终结果

为确保覆盖到所有盲点区域，可以使用 Leddar 传感器模块实施两种主要架构类型。如果巡航车生产商需要其他级别的分辨率、量程或覆盖范围，则可根据具体应用场景选择相应的模块或架构。因此，如果设计团队可以接受一些盲区，则需要的传感器数量会减少。

1. 第一种结构提供了短程安全车壳，可以覆盖巡航车的各个侧面并消除盲点区域。

为实现这一目标，我们采用了八个 Leddar M16-LSR LiDAR 模块，它们具有 100 度水平视场和 12 米行人（低反射率）量程，这八个模块直接安装在巡航车的车身中，距离地面的高度从 20 厘米到 75 厘米不等，可以检测到近处的小物体。

图 第一种传感器架构所提供的短程安全车壳视图。

2. 第二种架构类型在巡航车的侧面和后面采用短量程覆盖，而在车身前面则扩大覆盖范围，可用于冗余防撞系统。为实现这一目标，我们将五个具有 100 度 FOV 的模块放置在巡航车的侧面和后面，将两个具有更大覆盖范围和更高分辨率的 M16-LSR LiDAR 传感器（48 度 FOV，30 米行人范围）放置在车身前面。

图 第二种传感器架构所提供的短程车壳视图，车身前面覆盖范围更长。

使用 LeddarTech 的固态 LiDAR 技术实现巡航车安全车壳

下面简要介绍了 LeddarTech 的 2D 泛光 LiDAR 解决方案，自动巡航车开发人员在安全车壳和紧急制动中采用了该解决方案。

Leddar M16-LED和 M16-LSR 模块

模块根据照明方式不同有两种主要的配置类型：经典 LED 系列和新型激光系列。这两种 M16 系列都非常适合户外操作：它们采用固态设计，无需安装电动机械、工作温度范围宽、适应各种气候、不受照明条件影响。

是经过验证的 Leddar 主力产品，因其多功能性和可靠性而倍受客户青睐。该模块的红外 LED 光源最大可提供 100 米范围的宽光束照明，并具有六种不同的视场配置。M16-LSR 使用激光源实现更长的量程，并提供更窄和具有更优定义的垂直 FOV，相比 M16-LED，的外形更小。

主要功能和优点包括：

• 出色的角度分辨率，使用 16 个独立的分段同时跟踪并同时采集

• 不同光束选项，实现最优的视场（FOV）

• 多目标跟踪和横向辨别能力

• FOV 检测范围高达 165 米（541 英尺），并且和目标相关（M16-LSR 相对于反光目标）

• 快速数据采集时间（高达 100 Hz）

• 具有各种光束选项，可适用于各种混合车辆配置

未来计划

泛光 LiDAR 技术正在迅速发展。得力于新型 LiDAR 架构的深入开发和信号处理的持续改进，更新、更强大的解决方案指日可待。同时，广阔的市场和大量的应用需求也是强有力的驱动因素。最终，泛光 LiDAR 技术将更具成本效益，并且其性能将在未来几年完全取代机械式扫描仪，这也正是汽车行业专家所预期的。因此，已经被自动巡航车作为传感器套件的一部分而采用的泛光 LiDAR 解决方案，将在下一代产品得以广泛使用时发挥更为重要的作用。

基于 LeddarTech 专利技术、具有卓越量程和分辨率的 3D 固态泛光 LiDAR 即将推出，它能满足先进的自动巡航检测需求。