Velodyne's LiDAR Laser System for Autonomous Driving
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leiphone 作者：科技剪刀手
本文作者科技剪刀手，中國思嵐科技技術顧問。
雷射雷達行業非常廣闊，每個細分方向都可以大有所為。就單線雷射雷達而言，致力於解決好機器人的自主定位導航能力，能突破的道路只有一條：以實用性和可靠性作為第一考慮，而非一味的去追求參數。
那麼作為一款供定位導航使用的雷射雷達，到底什麼才是衡量它實用和可靠的指標？
測距範圍？採樣率？精度？ 只是水面上的冰山一角！
作為主要用途是距離測量的雷射雷達，其測量的最大距離（量程）自然是其最核心的指標。大部分雷射雷達，都會直接以測量距離作為其主要指標。不過除了測距範圍外，相信你也瞭解下面這些指標數據：
較高的掃描頻率，可以確保安裝雷射雷達的機器人，實現較快速度的運動，並且保證地圖構建的品質。
但要提高掃描頻率，並不只是簡單的加速雷射雷達，內部掃描電機旋轉這麼簡單，對應的需要提高測距採樣率。否則當採樣頻率固定的情況下，更快的掃描速度只會降低角分辨率。
除了測距距離、掃描頻率之外，測量分辨率和精度，對於雷射雷達性能來說同樣重要，並且對於三角測距雷射雷達而言，也更具有挑戰。
由於測量原理的關係，雖然一般在10米以內，都可以實現很高的測距分辨率，但其分辨率亦會隨著探測物體距離增加，而劇烈下降。
因此，為了實現更遠距離的探測，就不只是增加雷射器功率這麼簡單了，需要對於測距核心有本質的改良。同時為了可靠量產，也需要做很多的配套工作。
上面列舉的這些性能指標都是大家所知道的，自然也是雷射雷達廠家長久以來一直在不斷追求和突破的。
不過，這個並不是說要盲目的追求這些指標的提高，而是要像前面所說，要更加看重整體產品的實用和可靠性，更好的參數不一定能帶來更好的產品，可能還會帶來其他方面的缺失。
所以現在，我們來聊聊你可能不熟悉的雷射雷達的一面，也是在選擇雷射雷達產品時，所需要注重考慮的因素。
水下的冰山-日光抗擊能力和深色物體檢出率
除了上述測距距離、採樣率、精度等，大家都熟知的性能指標外，在雷達實際使用中，還有兩個非常重要，但往往不太被大家瞭解的性能指標：
‧深色物體檢出率
‧環境光抗干擾能力
在實際工作中，很多應用環境中的物體大多不是白色牆面，而是深色的，如傢具，暗色的牆紙。此時，雷射雷達本身是否對於暗色物體，有很好的檢出效果就非常重要。
一款號稱有10多米的雷射雷達，如果對於深色物體只有幾米的檢出率，那就容易導致機器定位和建圖出現問題，對後期的定位導航工作也會產生很大的影響。
目前，雷射雷達所標稱的距離，大多以90%反光率的漫反射物體（如白紙）作為測試基準。但實際上，對於黑色數據的有效檢出也同樣是一個重要的性能指標。
深色物體吸收了絕大部分的光能量，要讓雷射雷達對於深色物體，具有和白色物體一樣的檢出能力是不現實的，對於以機器視覺為核心的三角測距，遠離雷達而言更是如此。
不過，正因為這個指標的重要性，雷射雷達廠商一直將提升對深色物體探測、能力作為研發激光雷達的重點方向之一，即使再難也力求突破。
經過這幾年來的多次更替，以雷射雷達廠商思嵐來說，其A2M6對於僅有10%以下反射率的黑色物體，也可實現10米的檢測距離，這基本與目前TOF原理雷射雷達一致。
說得再多也不如實際檢驗：
看到通道盡頭的黑色物體了嗎？這種幾乎不反射光的黑色，是很多三角測距雷射雷達的噩夢。
但從實用性角度看，一款標稱10米以上的雷射雷達，必須至少能在6米距離以上有效得進行檢測。但是RPLIDAR A2M6即使在10米距離下，仍舊可以對其進行有效檢測。
RPLIDAR A2M6
對黑色檢出能力較弱的早期雷達
要知道，對於不同反射率物體的最大檢出距離，是雷射雷達的一大檢驗指標。目的只有一個，讓雷射雷達在實際工作中，也同樣表現出色。
除了深色物體檢出能力外，實際工作環境也會受到各類環境光照的影響。從落地窗投射進來的陽光、各類室內的人造光源，甚至是直接暴露在室外工作，這些情況都有可能對於雷射雷達產生干擾。
這對於採用三角測距法原理的雷射雷達來說，影響更加嚴重。因為需要能夠區分出環境光和雷射信號，就需要有更優異的處理算法和光學調校。
傳統受限於原理，三角測距法的雷射雷達，都會給大家一種完全無法抗擊環境光照的印象，更不提在室外可以工作的可能性了。
不過，對於RPLIDAR而言，並不是如此，環境光抗干擾能力從第一代RPLIDAR A1開始，就是我們非常重視的指標。以至於對於A2M6系列來說，甚至已經可以完成一定的室外工作任務。
那麼，環境光干擾到底有什麼問題呢？它會導致雷達出現噪聲，影響使用。
一般環境光干擾有如下兩種形式：
a)局部干擾光源產生的噪點
像畫面中這類人造光源，或者透過窗戶從外部射入的陽光，會對於某個特定測量角度產生干擾。
人造光源可能會產生測距干擾
b）全局環境光干擾產生的致盲和噪點
這類情況一般出現在室外情況下，由於環境整體的背景光照較強，會導致雷達在各方向上都可能出現干擾。
同時，也可能導致雷達的有效測量距離變短，或者完全無法進行距離測量。
如果不對這類干擾進行處理，就會像下圖那樣：
要很好的實現抗擊光干擾，對於三角測距雷射雷達來說，一直是一個很大的挑戰。良好的抗環境光能力很大程度上，也和前面提到的深色物體，檢出率很多時候也是矛盾的，除非對雷射的安全性置之不理。
這裡，我們展示一些相關的測試效果。比如試試看直接一個強光燈對著雷射雷達? 像是浴霸燈泡會直接產生紅外光的：
在室外整體環境光較強的情況下，這個雷射雷達並不會出現致盲，或者干擾的問題。當正午陽光照射在牆面上，雷射雷達還能測到數據嗎？
像是下圖中，雷射雷達不但在5米處，毫無壓力的檢測出了陽光直射的牆面，同時也順利的探測了環境周圍其他物體。
在一定程度上，經過這幾年的努力，雷射雷達已經具有相對優異的環境光抗擊能力，甚至在完全室外的環境下，也可以承擔一系列工作。
當然，我們也深知目前這一切還有很多工作要做並將一直致力於其性能的提升。
其實，任何一款好產品，都不僅僅是它所標識的核心參數那麼簡單。背後一定還存在著更多的邏輯，和相互之間的牽扯。
雖然你未必熟悉過，但它們默默的守護著這款產品，在實際工作中表現出色。技術細節有千千萬萬，但不變的都是對於一款產品的執著。
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