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行业新闻

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带你了解激光雷达的发展与应用
2021-11-17
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随着科技水平的快速提升,激光雷达的技术得到了不断的发展和升级。人工智能时代的到来,激光雷达也已被广泛应用于自动驾驶、机器人、安防监控、无人机、地图测绘、物联网、智慧城市等高新科技领域。激光雷达形式多样,随着器件水平和加工制造水平的更新,激光雷达技术指标和技术方式也在不断升级。
激光雷达技术按不同的载体可分为星载、机载、车载及固定式激光雷达系统。其中星载及机载激光雷达系统结合卫星定位、惯性导航、摄影及遥感技术,可进行大范围数字地表模型数据的获取;车载系统可用于道路,桥梁,隧道及大型建筑物表面三维数据的获取;固定式激光雷达系统常用于小范围区域精确扫描测量及三维模型数据的获取。

一,激光雷达传感技术的发展历程

国外激光雷达技术的研发起步较早,早在20世纪60年代年代,人们就开始进行激光测距试验;70年代美国的阿波罗登月计划中就应用了激光测高技术;80年代,激光雷达技术得到了迅速发展,研制出了精度可靠的激光雷达测量传感器,利用它可获取星球表面高分辨率的地理信息。总之,激光雷达技术的出现,为空间信息的获取提供了全新的技术手段,使得空间信息获取的自动化程度更高,效率更明显。这一技术的发展也给传统测量技术带来革命性的挑战。

二,激光雷达传感技术的应用领域

据调查,目前大部分企业都以无人车、机器人及无人车领域激光雷达为主要研究方向。而传统机械式激光雷达已逐渐向固态激光雷达方向转变。在价格方面,无人驾驶领域的激光雷达少则上万,多则几十万元,普遍要高于机器人及 AGV 等领域价格。在未来,固态、小型、低成本激光雷达将是各企业的着重发力点。随着国际社会对激光雷达技术的深入研究,这一新兴技术的优越性越来越明显,在各个行业均有其独特的优势。下面将列举几个主要应用领域的领先技术。

1,自动驾驶领域

由于激光雷达与摄像头具有出色的成像能力,一直以来被当作自动驾驶的核心传感器。激光雷达相较于摄像头的好处是它能得到准确的三维信息,而且自身是主动光源,能够不受光照的影响,白天和晚上都能照常工作。摄像头识别的颗粒度比较高,能够获得丰富的纹理色彩,所以能够实现精细化的识别,在这一点上激光雷达不如摄像头。
摄像头最大的缺点是受环境光的影响大,在强光照射、高亮反白物体、夜晚弱光环境等情景下,采集到的数据都难以通过算法进行有效可靠的环境感知。

激光雷达是通过激光主动探测成像的,不受环境光影响,直接测量物体的距离方位、深度信息、反射率等。算法首先对障碍物进行识别,然后再分类,识别准确度和可靠性远超摄像头,而消耗的计算资源低于摄像头。可以说,激光雷达在自动驾驶中的应用,最重要的部分就是高精度定位,先确定自身所在的位置,自动驾驶车辆才会面临“要往哪里去”的问题。所以,确定“我在哪里”是第一步,也是非常关键的一步。按常规理解,定位应该只是GPS的任务,的确,自动驾驶的定位会用到GPS,但是GPS定位的精度不足,而且在遇到高楼林立或者进出隧道等情况下信号稳定性差,因此难以保证自动驾驶车辆的安全。所以自动驾驶定位需要结合激光雷达、GPS、IMU等,以完成稳定可靠的高精度定位。

激光雷达硬件配合针对自动驾驶研发的AI感知算法,可以完成对周围障碍物进行识别,对路边沿进行检测,进行高精度定位等任务,还能够实现分类标注,把障碍物分为卡车、小汽车、行人、自行车等。

2、安防领域

随着国内安防领域的快速发展,安防系统越来越向集成化、多功能化、智能化方向发展,传统的单一摄像头模式已经无法完全满足安防环境越来越复杂化、多样化、多功能化的要求。相比于传统的安防监控系统,基于激光雷达的安防方案在满足客户基础的防护报警功能的同时,更能够提升客户的深层次需求,具有更大的优势。

近年来,激光雷达技术飞速发展,技术从简单的激光测距技术,逐步发展出激光跟踪、激光测速、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术。其工作环境也从最开始的可见光区域(红宝石激光器),发展到近红外区(Nd:YAG激光器),再之后是红外区域(CO2激光器),而现在很多激光雷达工作是在对人眼无害的近红外区域(0.76~1.5μm)。由此涌现了许多不同用途的激光雷达,如精密跟踪激光雷达、侦测激光雷达、水下激光雷达等,从而使激光雷达成为一类具有多种功能的系统。

3、智慧交通

随着大城市人口的不断增长,城市的交通也变得更加拥挤,这要求未来的交通更“智慧”。物联网、传感器、人工智能的快速发展让这些变成现实。信息技术、传感技术、通信技术等多种技术在交通领域广泛的应用。激光雷达在很多地方都有用武之地,例如在毫米波雷达能精确地检测车道级和毫秒级的数据,这种检测是微观的,同时也是实时和准确的,可以用于信号灯控制机即时感应控制、自适应控制和绿波带控制,也是未来实现车联网车路协同的基础。

4、机器人领域

随着机器人深入人们的生活,例如工厂、仓库、酒店、商场、餐厅等环境中的使用,人们对机器人的移动能力越为重视,市场对智能化设备的需求日益高涨。以至于避障成为一个极为关键且必要的功能。避障是指移动机器人根据采集的障碍物的状态信息,在行走过程中通过激光雷达传感器感知到妨碍其通行的静态和动态物体时,按照一定的方法进行有效地避障,最后达到目标点。实现避障与导航的必要条件是环境感知,在未知或者是部分未知的环境下避障需要通过激光雷达传感器获取周围环境信息,包括障碍物的尺寸、形状和位置等信息,因此传感器技术在移动机器人避障中起着十分重要的作用。

5、VR/AR领域

VR/AR也是最近几年火起来的,市场前景可观。VR一体机、智能眼镜等产品已经面市,AR眼镜、AR头显的应用也是非常之广。在用到AR头显进行的游戏中,运用的空间感知定位技术里面会用到激光雷达和许多配套的光学传感器,通过SLAM技术(即时定位与地图构建),精准定位自己在三维空间中的位置,增强在游戏中的真实体验感。

6、3D打印领域

近年来,3D打印备受关注,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印作为前沿性、先导性的智能制造技术,将引领传统生产方式和生产工艺的变革,有望成为推动新一轮工业革命的源动力。

在3D打印里面,也有用到激光雷达的地方,如最近很火的PrintopTIcal3D打印技术本质上是一种“从CAD设计到光学部件”的一站式技术,其打印出来的光学部件不需要进行像抛光、研磨和着色这样的后处理。这种技术主要基于成熟的宽幅工业喷墨打印设备,通过紫外线固化的透明聚合物液滴喷射出来,然后被集成在打印头上的强紫外线灯固化,最终可以形成各种各样的几何形状,激光雷达在这里面扮演者测量、监控等角色。

三,激光雷达传感技术的前景展望

激光雷达技术的发展为获取高时空分辨率的地球空间信息提供了全新的技术手段,使人们从传统的单点数据获取变为连续自动数据获取,并能够快速地获取精确的高分辨率的数字地面模型以及地面物体的三维坐标,同时配合地物的影像,增强人们对地物的认识和识别能力,在社会建设的各个领域均具有广阔的发展前景和应用需求。目前,越来越多的用户对使用激光雷达技术产生了浓厚的兴趣,显示了这项技术的强大市场需求。

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