無人車與激光雷達(dá)

無人車與激光雷達(dá)

激光雷達(dá)簡介激光雷達(dá)原理無人車介紹結(jié)束語1234

1、激光雷達(dá)簡介

(1)起源與發(fā)展“雷達(dá)”(RADAR-RadioDetectionAndRanging)。傳統(tǒng)的雷達(dá)是以微波和毫米波作為載波的雷達(dá)，大約出現(xiàn)1935年左右。最早公開報(bào)道提出激光雷達(dá)的概念是:1967年美國國際和電報(bào)公司提出的，主要用于航天飛行器交會對接，并研制出原理樣機(jī);1978年美國國家航天局馬歇爾航天中心研制成CO2相干激光雷達(dá).圖1.1雷達(dá)圖1.2雷達(dá)顯示屏幕

(1)起源與發(fā)展激光雷達(dá)(LADAR-LaserDetectionAndRanging)是以激光作為載波的雷達(dá)，以光電探測器為接收器件，以光學(xué)望遠(yuǎn)鏡為天線的雷達(dá)。早期，人們還叫過光雷達(dá)(LIDAR-LightDetectionAndRanging)，這里所謂的光實(shí)際上是指激光。以后世界上陸續(xù)提出并實(shí)現(xiàn)：激光多普勒雷達(dá)、激光測風(fēng)雷達(dá)、激光成像雷達(dá)、激光差分吸收雷達(dá)、拉曼散射激光雷達(dá)、微脈沖激光雷達(dá)、激光合成孔徑雷達(dá)、激光相控陣?yán)走_(dá)等。圖1.3單線激光雷達(dá)圖1.4多線激光雷達(dá)

(2)激光雷達(dá)與微波雷達(dá)的異同點(diǎn)激光雷達(dá)是以激光器為輻射源的雷達(dá)，它是在微波雷達(dá)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，兩者在工作原理和結(jié)構(gòu)上有許多相似之處工作頻率由無線電頻段改變成了光頻段，雷達(dá)具體結(jié)構(gòu)、目標(biāo)和背景特性上發(fā)生了變化。微波天線由光學(xué)望遠(yuǎn)鏡代替；接收通道中微波雷達(dá)可以直接用射頻器件對接收信號進(jìn)行放大、混頻和檢波等處理，激光雷達(dá)則必須用光電探測器將光頻信號轉(zhuǎn)換成電信號后進(jìn)行處理。信號處理，激光雷達(dá)基本上沿用了微波雷達(dá)中的成熟技術(shù)。

(3)激光雷達(dá)特點(diǎn)①分辨率高角分辨率不低于0.1mard;距離分辨率可達(dá)0.lm;速度分辨率能達(dá)到10m/s以內(nèi).②隱蔽性好、抗有源干擾能力強(qiáng)激光直線傳播、方向性好、光束非常窄.③低空探測性能好只有被照射的目標(biāo)才會產(chǎn)生反射,完全不存在地物回波的影響.④體積小、質(zhì)量輕發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的口徑一般只有厘米級,整套系統(tǒng)質(zhì)量最小的只有幾十公斤

(4)三種綜合性能雷達(dá)對比

2、激光雷達(dá)原理

(1)激光雷達(dá)基本結(jié)構(gòu)①激光器：激光雷達(dá)的核心器件。激光器種類很多，性能各異，究竟選擇哪種激光器作為雷達(dá)輻射源，往往要對各種因素加以綜合考慮，其中包括：波長、大氣傳輸特性、功率、信號形式、功率要求、平臺限制（體積、重量和功耗）、對人眼安全程度、可靠性、成本和技術(shù)成熟程度等。從目前實(shí)際應(yīng)用來看，Nd:YAG固體激光器、CO2氣體激光器和GaAlAs半導(dǎo)體二極管激光器、光纖激光器等最具有代表性。

圖2.1簡易激光雷達(dá)組成

(1)激光雷達(dá)基本結(jié)構(gòu)②接收器：適合于激光雷達(dá)用的光電探測器主要有PIN光電二極管、硅雪崩二極管(SiAPD)、光電導(dǎo)型碲鎘汞(HgCdTe)探測器和光伏型碲鎘汞探測器從目前實(shí)際應(yīng)用來看，Nd:YAG固體激光器、CO2氣體激光器和GaAlAs半導(dǎo)體二極管激光器、光纖激光器等最具有代表性。③光學(xué)天線透射式望遠(yuǎn)鏡；反射式望遠(yuǎn)鏡；收發(fā)合置光學(xué)天線；收發(fā)分置光學(xué)天線；自由空間光路；全光纖光路；波片（四分之一、二分之一）；分束鏡、合束鏡、布魯斯特窗片

(1)激光雷達(dá)基本結(jié)構(gòu)④光學(xué)掃描器多面體掃描器，利用多面體（6-12面）的轉(zhuǎn)動來掃描，優(yōu)點(diǎn)是掃描線性好、精度高，缺點(diǎn)是體積大、價(jià)格高；檢流計(jì)式振鏡掃描器，掃描角≤15°；聲子偏轉(zhuǎn)器，利用聲光效應(yīng)使入射光線產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)光掃描，聲光偏轉(zhuǎn)器的掃描角不大，一般在±3°左右壓電掃描器，利用逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生擺動的新型掃描器；

(2)測距原理汽車激光雷達(dá)防撞系統(tǒng)特點(diǎn)：發(fā)射機(jī)發(fā)射的是一串重復(fù)周期一定的激光窄脈沖，是典型的非相干測距雷達(dá)；對它的要求是測距精度高，測距精度與測程的遠(yuǎn)近無關(guān)；系統(tǒng)體積小、重量輕，測量迅速，可以數(shù)字顯示；操作簡單，培訓(xùn)容易，有通訊接口，可以連成測量網(wǎng)絡(luò)，或與其他設(shè)備連機(jī)進(jìn)行數(shù)字信息處理和傳輸。

(2)測距原理激光雷達(dá)工作時(shí)，發(fā)射機(jī)向空間發(fā)射一串重復(fù)周期一定的高頻窄脈沖。如果在電磁波傳播的途徑上有目標(biāo)存在，那么激光雷達(dá)就可以接收到由目標(biāo)反射回來的回波。由于回波信號往返于雷達(dá)與目標(biāo)之間，它將滯后于發(fā)射脈沖一個(gè)時(shí)間，如圖所示。

能測量目標(biāo)距離是激光雷達(dá)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)，測量的精度和分辨率與發(fā)射信號帶寬(或處理后的脈沖寬度)有關(guān)。脈沖越窄，性能越好。圖2.2脈沖式激光雷達(dá)測距原理

(2)測距原理根據(jù)獲得tr的方法不同，可分為模擬測距和數(shù)字測距。第一跟蹤精度高，且精度與跟蹤距離無關(guān);第二響應(yīng)速度快，適合于跟蹤快速目標(biāo);第三工作可靠和系統(tǒng)便于集成化;第四輸出數(shù)據(jù)為二進(jìn)制碼，可以方便地和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)接口

(2)測距原理數(shù)字式測距只要記錄回波脈沖到達(dá)時(shí)的計(jì)數(shù)脈沖的數(shù)目n，根據(jù)計(jì)數(shù)脈沖的重復(fù)周期T，就可以計(jì)算出回波脈沖相對于發(fā)射脈沖的延遲時(shí)間T為已知值。為了減少誤差，通常計(jì)數(shù)脈沖產(chǎn)生器和雷達(dá)定時(shí)器觸發(fā)脈沖在時(shí)間上是同步的。目標(biāo)距離R與計(jì)數(shù)脈沖數(shù)h之間的關(guān)系為：式中，f為計(jì)數(shù)脈沖重復(fù)頻率。

(3)位置確定右圖是激光雷達(dá)工作時(shí)的俯視掃描面示意圖，其中激光雷達(dá)為逆時(shí)針掃描。以激光發(fā)射器為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，X軸定義為水平向右，Y軸定義為水平向前，Z軸是按照右手原則確定。一次掃描可以采集n個(gè)激光反射信息(距離、角度和強(qiáng)度信息)。再通過距離和角度，即可定位每個(gè)激光反射點(diǎn)的位置。圖2.3俯視掃描示意圖

(4)測速原理汽車激光雷達(dá)防撞系統(tǒng)要探測的目標(biāo)是地面上運(yùn)動著的車輛及物體，不但需要測量出目標(biāo)的距離，而且需測量出目標(biāo)與自車的相對速度(即徑向相對速度)，從而探測出目標(biāo)的實(shí)際速度。下列是依據(jù)多普勒頻移原理測距。多普勒頻移（vr為雷達(dá)與目標(biāo)的徑向相對速度）當(dāng)目標(biāo)向著激光雷達(dá)運(yùn)動時(shí)vr>0,回波載頻提高也就是自車與前車或障礙物間的距離在減小;反之vr<0,回波載波降低,自車與前車或障礙物間的距離在增大。所以只要能夠測量出多普勒頻移fd,就可以確定目標(biāo)與雷達(dá)站之間的相對速度,也就是自車與前車或障礙物的相對速度，從而根據(jù)自車的速度計(jì)算出前車的速度。圖2.4多普勒激光雷達(dá)測速

3、無人車介紹

(1)谷歌無人車2014年5月28日谷歌發(fā)布了一款自己設(shè)計(jì)的無人駕駛汽車。它能載人到處跑，還沒個(gè)方向盤。這就是谷歌聯(lián)合創(chuàng)始人謝爾蓋·布林領(lǐng)導(dǎo)的創(chuàng)新小組GoogleX的最新項(xiàng)目。

谷歌采用了Velodyne公司的車頂激光測距系統(tǒng)，這一系統(tǒng)使用64個(gè)激光，以每分鐘900次的速度發(fā)出光束，產(chǎn)生的點(diǎn)云可以提供給汽車360度的視角。圖3.1谷歌無人車實(shí)物圖

(1)谷歌無人車車頂上的掃描器發(fā)射64束激光射線，然后激光碰到車輛周圍的物體，又反射回來，這樣就計(jì)算出了物體的距離。另一套在底部的系統(tǒng)測量出車輛在三個(gè)方向上的加速度、角速度等數(shù)據(jù)，然后再結(jié)合GPS數(shù)據(jù)計(jì)算出車輛的位置，所有這些數(shù)據(jù)與車載攝像機(jī)捕獲的圖像一起輸入計(jì)算機(jī)，軟件以極高的速度處理這些數(shù)據(jù)。這樣，系統(tǒng)就可以非常迅速的作出判斷。圖3.2谷歌無人車工作原理

(1)谷歌無人車

(2)百度無人車2015年12月，百度無人駕駛車國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)城市、環(huán)路及高速道路混合路況下的全自動駕駛。百度無人駕駛車從位于北京中關(guān)村軟件園的百度大廈附近出發(fā)，駛?cè)隚