激光雷达+imu

编程入门行业动态更新时间:2024-10-09 09:20:13

激光雷达+imu

激光雷达感知设计挑战mp.weixin.qq

成功的自动驾驶汽车将必须使用紧密集成的传感器系统来复制人类的驾驶能力。在我们日常驾驶中，我们使用自身的感应器官、汽车的触觉反馈和驾驶经验来实现驾驶。复制人类驾驶所需的传感器将包括雷达、激光雷达、摄像机、惯性测量单元（IMU）和超声传感器。这些系统中的每一个都有其优势，但也有盲点。

一种传感器不太可能如此精密，以至于不需要其他传感器。在这篇文章中，我们将着眼于激光雷达的顶级设计考虑，这是一个传感器，将为任何自动驾驶解决方案提供重要的数据。

Spider chart comparing vision, radar, and LIDAR

LIDAR是自动驾驶雷达的亲密伙伴。这两种技术均在无可见光的情况下运行，这对于夜间驾驶或弱光条件至关重要。雷达适用于长距离检测和跟踪，而激光雷达提供更高的角度分辨率，可进行物体识别和分类。换句话说，雷达可以很好地检测出可能存在的物体，而一旦雷达发现了其他信息，它就可以告诉你更多有关该物体的信息。

自动驾驶汽车的激光雷达感知

在设计激光雷达系统时，存在技术挑战，显而易见的是要保持在近红外波长的人眼安全限制之下。这些安全准则在IEC 60825-1中有所概述。这并不是要降低眼睛安全的重要性，这里讨论的各个方面都会影响眼睛安全。LIDAR系统存在许多不同的拓扑，其设计复杂程度各不相同，各有优缺点。

从根本上讲，所有设计都具有需要注意的相同基本方面。除了眼睛安全以外，让我们着重考虑会影响系统设计的其他因素，即：最大化SNR、检测要求、视野、散热考虑、功耗和航位推算。

从接收路径来看，系统的信噪比（SNR）会影响在长距离（100 m至300 m）处检测小物体的能力。ADC的噪声层不能超过接收路径中的其他噪声源。如果背景光或信号散粒噪声贡献低于ADC的本底噪声或印刷电路板（PCB）噪声，则精度将受到限制。在直接检测拓扑中执行飞行时间（ToF）计算要求系统能够输出短脉冲（〜1 ns至5 ns），并使用高采样率ADC对其进行检测。1 GSPS的采样速度可在接收信号路径上实现。此外，请记住，ADC有效位数（ENOB）必须允许跨阻放大器（TIA）的完整输出范围，而不会削波信号。

该系统是否需要在100 m处检测篮球？确定相关物体的反射率和尺寸以及距离，将限制TIA的可接受SNR。ADC必须检测到的相同脉冲要求TIA具有检测窄脉冲的带宽。由于系统必须处理的物体的距离、反射率和尺寸范围如此之大，因此TIA必须能够从饱和事件中恢复。饱和事件可能发生在高反射率的物体返回高百分比透射光的情况下，从而使放大器饱和（例如，类似速度限制标志的闭合物体）。这些事件很常见，系统恢复以提供准确信息的速度对于安全至关重要。

LIDAR电气架构

所需的视野和角度分辨率也将影响检测篮球的能力。发射和接收光学是决定视野的主要组成部分。角度分辨率将确定你是可以在更远的距离上检测并分类篮球之类的物体，还是仅检测一个物体是否存在。

对于LIDAR系统设计人员来说，处理这些系统所需的功率和可能产生的热量构成了严峻的挑战。当然，降低信号链的功耗将降低解决方案产生的热量。一个元件的性能在温度上可以有很大的改变，而信号链上一些更容易受到影响的元件需要温度补偿。热电控制器是一种高精度冷却或加热集成电路的好方法。例如，激光二极管需要温度补偿来维持在激光雷达系统工作温度范围内的波长和效率。

雪崩光电二极管和激光器的电压偏置在某些情况下需要数百伏的正电压或负电压才能运行。最佳设计实践是，以尽可能高的效率和尽可能少的组件来生成这些电压。需要精密的数模转换器（DAC）来生成偏置点、电流和电压，以提供准确的基准输入。除了传统的1.8 V至12 V电压域外，激光雷达系统对电压电平的需求也越来越高。精心选择电源解决方案是有回报的，尤其是在向解决方案添加另一个电压时。选择具有关机或低功耗模式的集成电路和电源也很重要，在该模式下，系统可以灵活地循环通过多个通道。

与LIDAR传感器集成的IMU具有许多优势，IMU传感器可以智能地融合多轴陀螺仪和加速度计，从而为稳定和导航应用提供可靠的位置和运动识别。精密的微机电系统（MEMS）IMU甚至在复杂的操作环境中面临极端运动动态时，也能提供所需的精度水平。

IMU提供具有航位推测、定位和稳定功能的自动驾驶系统。当ADAS或GPS性能下降或不可用时，这又向系统提供了受信任的数据。IMU受益于快速更新速率（每秒数千个样本），并且不受外部环境变化的影响。IMU越稳定，就越可以信赖它来为系统提供关键的见解。

IMU可以直接集成到LIDAR模块中，以检测、分析和校正汽车环境中常见的振动。例如，IMU输出可用于平移LIDAR点云，否则由于车辆在道路上的坑洼处行驶，该LIDAR点云可能未对齐。也可以使用IMU检测旋转的LIDAR系统上的轴承磨损，这可以在现场发生故障之前对LIDAR进行维修。