無人車與激光雷達

無人車與激光雷達

激光雷達簡介激光雷達原理無人車介紹結束語1234

1、激光雷達簡介

(1)起源與發(fā)展“雷達”(RADAR-RadioDetectionAndRanging)。傳統(tǒng)的雷達是以微波和毫米波作為載波的雷達，大約出現(xiàn)1935年左右。最早公開報道提出激光雷達的概念是:1967年美國國際和電報公司提出的，主要用于航天飛行器交會對接，并研制出原理樣機;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.圖1.1雷達圖1.2雷達顯示屏幕

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

(2)激光雷達與微波雷達的異同點激光雷達是以激光器為輻射源的雷達，它是在微波雷達技術基礎上發(fā)展起來的，兩者在工作原理和結構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，雷達具體結構、目標和背景特性上發(fā)生了變化。微波天線由光學望遠鏡代替；接收通道中微波雷達可以直接用射頻器件對接收信號進行放大、混頻和檢波等處理，激光雷達則必須用光電探測器將光頻信號轉換成電信號后進行處理。信號處理，激光雷達基本上沿用了微波雷達中的成熟技術。

(3)激光雷達特點①分辨率高角分辨率不低于0.1mard;距離分辨率可達0.lm;速度分辨率能達到10m/s以內.②隱蔽性好、抗有源干擾能力強激光直線傳播、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才會產生反射,完全不存在地物回波的影響.④體積小、質量輕發(fā)射望遠鏡的口徑一般只有厘米級,整套系統(tǒng)質量最小的只有幾十公斤

(4)三種綜合性能雷達對比

2、激光雷達原理

(1)激光雷達基本結構①激光器：激光雷達的核心器件。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、成本和技術成熟程度等。從目前實際應用來看，Nd:YAG固體激光器、CO2氣體激光器和GaAlAs半導體二極管激光器、光纖激光器等最具有代表性。

圖2.1簡易激光雷達組成

(1)激光雷達基本結構②接收器：適合于激光雷達用的光電探測器主要有PIN光電二極管、硅雪崩二極管(SiAPD)、光電導型碲鎘汞(HgCdTe)探測器和光伏型碲鎘汞探測器從目前實際應用來看，Nd:YAG固體激光器、CO2氣體激光器和GaAlAs半導體二極管激光器、光纖激光器等最具有代表性。③光學天線透射式望遠鏡；反射式望遠鏡；收發(fā)合置光學天線；收發(fā)分置光學天線；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)激光雷達基本結構④光學掃描器多面體掃描器，利用多面體（6-12面）的轉動來掃描，優(yōu)點是掃描線性好、精度高，缺點是體積大、價格高；檢流計式振鏡掃描器，掃描角≤15°；聲子偏轉器，利用聲光效應使入射光線產生偏轉而實現(xiàn)光掃描，聲光偏轉器的掃描角不大，一般在±3°左右壓電掃描器，利用逆壓電效應產生擺動的新型掃描器；

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

(2)測距原理激光雷達工作時，發(fā)射機向空間發(fā)射一串重復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存在，那么激光雷達就可以接收到由目標反射回來的回波。由于回波信號往返于雷達與目標之間，它將滯后于發(fā)射脈沖一個時間，如圖所示。

能測量目標距離是激光雷達的一個突出優(yōu)點，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。脈沖越窄，性能越好。圖2.2脈沖式激光雷達測距原理

(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;第二響應速度快，適合于跟蹤快速目標;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時的計數(shù)脈沖的數(shù)目n，根據(jù)計數(shù)脈沖的重復周期T，就可以計算出回波脈沖相對于發(fā)射脈沖的延遲時間T為已知值。為了減少誤差，通常計數(shù)脈沖產生器和雷達定時器觸發(fā)脈沖在時間上是同步的。目標距離R與計數(shù)脈沖數(shù)h之間的關系為：式中，f為計數(shù)脈沖重復頻率。

(3)位置確定右圖是激光雷達工作時的俯視掃描面示意圖，其中激光雷達為逆時針掃描。以激光發(fā)射器為原點建立坐標系，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個激光反射信息(距離、角度和強度信息)。再通過距離和角度，即可定位每個激光反射點的位置。圖2.3俯視掃描示意圖

(4)測速原理汽車激光雷達防撞系統(tǒng)要探測的目標是地面上運動著的車輛及物體，不但需要測量出目標的距離，而且需測量出目標與自車的相對速度(即徑向相對速度)，從而探測出目標的實際速度。下列是依據(jù)多普勒頻移原理測距。多普勒頻移（vr為雷達與目標的徑向相對速度）當目標向著激光雷達運動時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,就可以確定目標與雷達站之間的相對速度,也就是自車與前車或障礙物的相對速度，從而根據(jù)自車的速度計算出前車的速度。圖2.4多普勒激光雷達測速

3、無人車介紹

(1)谷歌無人車2014年5月28日谷歌發(fā)布了一款自己設計的無人駕駛汽車。它能載人到處跑，還沒個方向盤。這就是谷歌聯(lián)合創(chuàng)始人謝爾蓋·布林領導的創(chuàng)新小組GoogleX的最新項目。

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個激光，以每分鐘900次的速度發(fā)出光束，產生的點云可以提供給汽車360度的視角。圖3.1谷歌無人車實物圖

(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)測量出車輛在三個方向上的加速度、角速度等數(shù)據(jù)，然后再結合GPS數(shù)據(jù)計算出車輛的位置，所有這些數(shù)據(jù)與車載攝像機捕獲的圖像一起輸入計算機，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首次實現(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村軟件園的百度大廈附近出發(fā)，駛入G