隨著主要汽車制造商在他們的汽車中加速采用 ADAS 和自動駕駛功能，汽車行業正朝著自動駕駛這一方向發展。全自動乘用車的試駕越來越多。本“應用說明”探討了自動巡航車所采用的 LiDAR 技術，并針對關鍵的安全性問題提供了的經濟高效的解決方案。
挑戰
典型的全自動巡航車的核心依賴于兩個重要的中央處理單元（CPU）- 導航系統主 CPU 和安全 CPU，它們之間協同工作以防止碰撞和確保安全。
導航系統主 CPU 可以與一個或多個 LiDAR 傳感器進行交互，提供大范圍和高分辨率的定位、映射和防撞。目前，許多自動巡航車都依賴于機械式掃描 LiDAR 傳感器，這種傳感器位于巡航車的頂部，可進行遠程探測，能夠對車輛周圍實現 360 度覆蓋。
盲點區域的半徑受多種因素影響，包括機械式掃描 LiDAR 傳感器的垂直視場（FoV）、傳感器在車輛上的位置，以及巡航車的大小和形狀。然而，值得注意的是，機械式掃描傳感器通常不會專門配置為可獲取近距離數據，或特別選擇最佳位置以實現 360 度全覆蓋，這進一步導致巡航車周圍的盲點區域增加。
圖 機械式掃描 LiDAR 在車輛周圍產生的盲點。
對于確保安全和成功的自動駕駛而言，盲點區域內的障礙檢測能力至關重要。車輛開啟時，如果未對周圍環境進行檢測并確認附近沒有障礙物，則巡航車不能啟動。此外，在巡航車的運行過程中，對于停止后即將重新啟動的情形，系統需要事先驗證是否有人、車輛或任何其他物體接近巡航車。例如，在接載乘客時，系統需要確認乘客是否已經上車或仍然停留在盲區內。巡航車盲區的其他物體（例如敞篷車、叉車、拖車等）也需要執行相同的檢測過程。
圖 掃描盲區可能會帶來災難性的后果，如同本示例中位于車輛盲區的小孩子一樣。
檢測到危險情況時，安全 CPU 會防止巡航車移動或使其完全停止。作為最新自動巡航車設計不可或缺的一部分，安全 CPU 需要進行短程到中程的防撞檢測，以便在主導航系統無法識別障礙物或發生故障時能使車輛完全停止。
安全 CPU 是一種低功耗、經濟高效的冗余系統，其數據速率要求較低 - 但必須確保完全覆蓋其周圍環境（360 度，水平和垂直全覆蓋）。這帶來了巨大的挑戰，因為這個需求本身違背了掃描的基本概念 - 更大的覆蓋范圍通常意味著更多的數據。例如，LiDAR 掃描設備每秒返回 60 萬到 220 萬個點，具體取決于傳感器的分辨率和垂直線數（16 到 64）。
尋求合適的技術
為了能夠覆蓋巡航車周圍的盲區，我們考慮并測試了不同的探測技術（超聲波、雷達和攝像機等解決方案），但每一種技術都有其局限性：
? 超聲波：范圍有限，分辨率低
? 雷 達：滲透性表面和靜態物體的檢測問題
? 攝像機：缺乏距離信息和重要的天氣梯度變化信息
其他解決方案所采用的標準同樣重要。首先，由于解決方案將在安全 CPU 中發揮最核心的作用，因此不應向系統發送過多的數據，以避免數據過載帶來的數據接口問題。為了實現 360 度覆蓋，我們估計安全 CPU 的最佳數據輸入量為每秒 3,000 至 60,000 點。
該技術還必須提供足夠高的分辨率來檢測小物體，并可以通過跟蹤算法來實現精確的軌跡和速度，對物體進行精確定位從而做出有效的防撞決策。
選擇解決方案時，另一個需要考慮的重要因素是視場全覆蓋能力，以及在所有類型表面的高檢測率，這對于需要檢測巡航車周圍物體的安全系統至關重要 - 低分辨率的傳感器可能會發生漏測現象。
最后，來自安全 CPU 的數據將被送入導航 CPU，用作冗余數據。冗余傳感器提高了系統的性能水平、檢測率和穩健性。一個傳感器漏測的物體會被另一個傳感器捕獲，從而顯著提高系統性能、確保安全操作，這對涉及到多名乘客的全自動無人駕駛至關重要。
兼具性能和成本優勢并同時滿足安全要求的解決方案
基于上述要求和傳感器技術的固有限制，許多巡航車開發人員轉而采用固態泛光 LiDAR，以消除巡航車周圍的盲點。與機械式掃描 LiDAR 相比，泛光 LiDAR 成本更低、平均故障間隔時間（MTBF）更長，可提供高度可靠的短程檢測，能實現 100％的光密度和視場完全覆蓋。泛光 LiDAR 提供的數據可以在高達 100Hz 的測量速率下對物體進行跟蹤，基于速度、方向性和位置對可能發生的碰撞進行預測，同時消除車輛周圍可能存在的任何盲區。
當遠程的主檢測系統由于故障或遺漏而無法檢測到物體時，LiDAR 解決方案作為冗余的制動和防撞系統，會充分考慮最大減速率（尤其是對于許多典型的巡航車的最大速度）提供必要的掃描范圍。
此外，如果在車輛附近檢測到物體，將啟動緊急制動程序。另外，巡航車上的乘客經常不系安全帶并保持站立姿勢，為確保減速時速度保持在安全水平，需要一定的制動距離。
例如，以 40 公里/小時的速度行駛的巡航車，如果采用 3.5 米/秒2的減速率，則需要 23 米（其中包括 0.5秒的反應時間）才能停止下來。
為了覆蓋足夠的范圍，許多 LiDAR 解決方案需要配置更強大、更昂貴的光學器材和激光源。通過專利技術用軟件方法對信號進行處理，LeddarTech 的泛光 LiDAR 技術具有成本優勢，能夠提供所需的范圍和性能，在巡航車應用的商業部署中（如緊急制動和盲區監控）
具有極大的吸引力。
最終結果
為確保覆蓋到所有盲點區域，可以使用 Leddar 傳感器模塊實施兩種主要架構類型。如果巡航車生產商需要其他級別的分辨率、量程或覆蓋范圍，則可根據具體應用場景選擇相應的模塊或架構。因此，如果設計團隊可以接受一些盲區，則需要的傳感器數量會減少。
1. 第一種結構提供了短程安全車殼，可以覆蓋巡航車的各個側面并消除盲點區域。
為實現這一目標，我們采用了八個 Leddar M16-LSR LiDAR 模塊，它們具有 100 度水平視場和 12 米行人（低反射率）量程，這八個模塊直接安裝在巡航車的車身中，距離地面的高度從 20 厘米到 75 厘米不等，可以檢測到近處的小物體。
圖 第一種傳感器架構所提供的短程安全車殼視圖。
2. 第二種架構類型在巡航車的側面和后面采用短量程覆蓋，而在車身前面則擴大覆蓋范圍，可用于冗余防撞系統。為實現這一目標，我們將五個具有 100 度 FOV 的模塊放置在巡航車的側面和后面，將兩個具有更大覆蓋范圍和更高分辨率的 M16-LSR LiDAR 傳感器（48 度 FOV，30 米行人范圍）放置在車身前面。
圖 第二種傳感器架構所提供的短程車殼視圖，車身前面覆蓋范圍更長。
使用 LeddarTech 的固態 LiDAR 技術實現巡航車安全車殼
下面簡要介紹了 LeddarTech 的 2D 泛光 LiDAR 解決方案，自動巡航車開發人員在安全車殼和緊急制動中采用了該解決方案。
Leddar M16-LED和 M16-LSR 模塊
模塊根據照明方式不同有兩種主要的配置類型：經典 LED 系列和新型激光系列。這兩種 M16 系列都非常適合戶外操作：它們采用固態設計，無需安裝電動機械、工作溫度范圍寬、適應各種氣候、不受照明條件影響。
是經過驗證的 Leddar 主力產品，因其多功能性和可靠性而倍受客戶青睞。該模塊的紅外 LED 光源最大可提供 100 米范圍的寬光束照明，并具有六種不同的視場配置。M16-LSR 使用激光源實現更長的量程，并提供更窄和具有更優定義的垂直 FOV，相比 M16-LED，的外形更小。
主要功能和優點包括：
? 出色的角度分辨率，使用 16 個獨立的分段同時跟蹤并同時采集
? 不同光束選項，實現最優的視場（FOV）
? 多目標跟蹤和橫向辨別能力
? FOV 檢測范圍高達 165 米（541 英尺），并且和目標相關（M16-LSR 相對于反光目標）
? 快速數據采集時間（高達 100 Hz）
? 具有各種光束選項，可適用于各種混合車輛配置
未來計劃
泛光 LiDAR 技術正在迅速發展。得力于新型 LiDAR 架構的深入開發和信號處理的持續改進，更新、更強大的解決方案指日可待。同時，廣闊的市場和大量的應用需求也是強有力的驅動因素。最終，泛光 LiDAR 技術將更具成本效益，并且其性能將在未來幾年完全取代機械式掃描儀，這也正是汽車行業專家所預期的。因此，已經被自動巡航車作為傳感器套件的一部分而采用的泛光 LiDAR 解決方案，將在下一代產品得以廣泛使用時發揮更為重要的作用。
基于 LeddarTech 專利技術、具有卓越量程和分辨率的 3D 固態泛光 LiDAR 即將推出，它能滿足先進的自動巡航檢測需求。