|
來(lái)源：Digi-Key 作者：Alan Yang 車(chē)載雷達(dá)是智能駕駛汽車(chē)的核心賦能技術(shù)之一。本文比較了智能汽車(chē)三種周?chē)h(huán)境的檢測(cè)方式，然后和大家分享TOF車(chē)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，希望可以?huà)伌u引玉。 自動(dòng)駕駛汽車(chē)檢測(cè)周邊環(huán)境的三種方式 自動(dòng)駕駛車(chē)輛需要有效的感知周邊環(huán)境，一般會(huì)利用視覺(jué)系統(tǒng)、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)等方式獲取環(huán)境信息。每種檢測(cè)方式都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。 
圖1：自動(dòng)駕駛汽車(chē)檢測(cè)周邊環(huán)境的主要三種方式（圖片來(lái)源：ADI）
一個(gè)好的車(chē)載雷達(dá)系統(tǒng)，往往會(huì)采用多種類(lèi)型的傳感器，取長(zhǎng)補(bǔ)短，達(dá)到符合實(shí)際應(yīng)用的要求。 TOF車(chē)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路 要實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)系統(tǒng)，可以有多種選擇。例如掃描與閃光、直接飛行時(shí)間（ToF）與波形數(shù)字化等。下面我們以飛行時(shí)間（ToF）方式為例進(jìn)行說(shuō)明。 飛行時(shí)間ToF的工作原理，就是一束激光從激光發(fā)射器出發(fā)達(dá)到目標(biāo)檢測(cè)物，然后反射回來(lái)，被激光接收器捕獲到。我們可以計(jì)算出這束激光發(fā)射和接受的時(shí)間延遲Δt，即激光飛行的時(shí)間。
圖2：飛行時(shí)間ToF原理（圖片來(lái)源：ADI） 如需了解更多關(guān)于ToF的技術(shù)信息, 可以參考以下這篇技術(shù)文章——《3D ToF很火，兩種技術(shù)方案孰優(yōu)孰劣？最詳盡的分析來(lái)了~》。 設(shè)計(jì)一個(gè)TOF車(chē)載激光雷達(dá)系統(tǒng)，首先要確定系統(tǒng)需要探測(cè)的最小目標(biāo)、該目標(biāo)的反射率，以及該目標(biāo)的距離，視場(chǎng)角。上述這些因素會(huì)定義系統(tǒng)的角分辨率。同時(shí)，在該基礎(chǔ)上計(jì)算最小信噪比（SNR），這也是后續(xù)軟件判定檢測(cè)對(duì)象真/假的重要檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。 1. 檢測(cè)距離 我們以自動(dòng)駕駛汽車(chē)，防撞的應(yīng)用來(lái)舉例。 · 最小目標(biāo)為：小轎車(chē)4.8m × 1.8 m的外形尺寸。 · 目標(biāo)的反射率：取決于物體本身的性質(zhì)（表面狀況）。這里不詳細(xì)討論，假設(shè)目標(biāo)可以很好的反射。 以汽車(chē)100公里/小時(shí)的速度來(lái)計(jì)算，不僅考慮以100 km/h速度行駛的車(chē)輛，還要考慮以相同速度反向行駛的另一輛車(chē)輛。因此，雷達(dá)系統(tǒng)需要能夠檢測(cè)到200公里/小時(shí)的物體，也就是每秒相對(duì)運(yùn)動(dòng)至少50m。 當(dāng)然，還要考慮，如非線(xiàn)性速度、停車(chē)距離、規(guī)避動(dòng)作等復(fù)雜情況。所以一般說(shuō)來(lái)，高速應(yīng)用需要激光雷達(dá)系統(tǒng)檢測(cè)更遠(yuǎn)的距離。 2. 視場(chǎng)角（FOV） 對(duì)于不同的應(yīng)用，不同的環(huán)境，視場(chǎng)角的選擇也不一樣。
圖3：自動(dòng)駕駛車(chē)輛和自動(dòng)地面車(chē)輛的對(duì)象檢測(cè)和防撞等應(yīng)用 (圖片來(lái)源：ADI) 如上圖：對(duì)于自動(dòng)駕駛車(chē)輛和自動(dòng)地面車(chē)輛的對(duì)象檢測(cè)和防撞等應(yīng)用，可以使用16像素FOV。在大客車(chē)應(yīng)用中，可以用4 × 4網(wǎng)格矩陣，以檢測(cè)系統(tǒng)周?chē)奈矬w，作為車(chē)輛的安全器件。 3. 角度分辨率 確定FOV之后, 我們可以計(jì)算相應(yīng)的分辨率。FOV可以分為垂直FOV（VFOV）和水平FOV（HFOV）。 當(dāng)激光二極管陣列選定之后，比如下圖，一行16個(gè)激光二極管組成一個(gè)陣列，每個(gè)像素尺寸2mm × 0.8mm，20mm焦距的鏡頭。
圖4：激光二極管陣列 (圖片來(lái)源：ADI) 于是，可以利用三角函數(shù)計(jì)算每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的VFOV與HFOV。
圖5：VFOV與HFOV的計(jì)算 (圖片來(lái)源：ADI) 因此，根據(jù)三角函數(shù)我們可以得出每個(gè)像素，VFOV=5.7°，HFOV=2.292°。有了VFOV/HFOV, 我們就可以得知在某一特定距離，實(shí)物尺寸與相素的關(guān)系。 換一個(gè)場(chǎng)景，假設(shè)FOV=1°，即1°角度分辨率，在200 m距離時(shí)，一個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)于2 × Tan（0.5°）× 200m = 3.5m長(zhǎng)的物體。即1°角分辨率會(huì)轉(zhuǎn)換成每側(cè)3.5米像素。對(duì)于4.8m×1.8 m小轎車(chē)來(lái)說(shuō)，很難檢測(cè)。 當(dāng)FOV=0.1°，即0.1°角度分辨率，在200 m距離時(shí)，一個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)于2 × Tan（0.05°）×200m = 0.35m長(zhǎng)的物體。 對(duì)于一個(gè)4.8m × 1.8m長(zhǎng)的小轎車(chē)，在200m距離時(shí)，至少可以有5個(gè)像素寬度的成像。 精細(xì)的角度分辨率使車(chē)載雷達(dá)系統(tǒng)能夠從單一對(duì)象接收多個(gè)像素的返回信號(hào)。因此，在這個(gè)系統(tǒng)下，甚至有可能區(qū)分汽車(chē)和摩托車(chē)。 4. 距離精度與最小信噪比（SNR） 距離（或深度）、精度都與ADC采樣速率相關(guān)。距離精度允許系統(tǒng)準(zhǔn)確地知道一個(gè)物體有多遠(yuǎn)。對(duì)于移動(dòng)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，非常重要。 假設(shè)ADC采樣周期Δt為1ns采樣時(shí)段，我們可以計(jì)算距離d=(c×Δt)/2 = 15cm。其中，c是光速，即使用1GSPS ADC的距離精度可達(dá)到15cm。 可以采用更復(fù)雜的技術(shù)（例如過(guò)采樣插值）來(lái)改善范圍測(cè)量精度。相關(guān)方案，可參考《ADI應(yīng)用筆記：過(guò)采樣插值DAC》，這里就不擴(kuò)展介紹了。 據(jù)估計(jì)，大約可以將范圍測(cè)量精度提升SNR的平方根。匹配濾波器是用于處理數(shù)據(jù)的性能最高的算法之一，它可以在插入之后最大化SNR，以得出最高的范圍測(cè)量精度。 激光雷達(dá)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 以ADI的方案為例，激光雷達(dá)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：
圖6：ADI激光雷達(dá)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) (圖片來(lái)源：ADI) 如需為激光雷達(dá)系統(tǒng)選擇所需的物料，Digi-Key網(wǎng)站上豐富的3D ToF產(chǎn)品和解決方案，會(huì)讓研發(fā)工作更為快捷。 · TOF圖像傳感器 可以在Digi-Key網(wǎng)站中的“圖像傳感器、鏡頭、攝像頭”產(chǎn)品分類(lèi)下查找，在“類(lèi)型欄”中，請(qǐng)選擇3D 飛行時(shí)間。Digi-Key TOF圖像傳感器相關(guān)頁(yè)面，點(diǎn)擊這里訪(fǎng)問(wèn)>>> · CCD TOF信號(hào)處理器 比如，ADI ADDI9036帶可編程時(shí)序和V驅(qū)動(dòng)器的CCD TOF信號(hào)處理器就是不錯(cuò)的產(chǎn)品。 在Digi-Key網(wǎng)站中，你可以找到以下兩款A(yù)DDI9036開(kāi)發(fā)板。 AD-FXTOF1-EBZ AD-96TOF1-EBZ · 激光二極管驅(qū)動(dòng)器 這個(gè)產(chǎn)品門(mén)類(lèi)中的代表產(chǎn)品包括ADI的ADP3634, 這是一顆高速、雙通道、4A MOSFET驅(qū)動(dòng)器。 最后的話(huà) 最后要特別提醒大家：不是所有的應(yīng)用程序都需要0.1°的角度分辨率和200米的檢測(cè)范圍。這就需要開(kāi)發(fā)者從實(shí)際應(yīng)用要求出發(fā)，明確關(guān)鍵參數(shù)，如檢測(cè)距離、FOV、精度等；在此基礎(chǔ)上，選擇合適的電子元器件，平衡性能和成本，提高設(shè)計(jì)成功的可能性。 |
