How Does LiDAR Remote Sensing Work? Light Detection and Ranging
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本文編譯自Voyage，作者是Oliver Cameron，他是Udacity前副主席，創辦了自動駕駛公司Voyage，並任職CEO。
Voyage已經取得了加州車輛管理局(DMV)的路測許可，是無人駕駛領域的新星。該文詳細介紹了雷射雷達，作為無人駕駛關鍵核心零組件的重要性和原理。
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圖：voyage
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最近，我們在Voyage 上分享了一些關於Homer的新聞，它可是我們的第一輛無人駕駛出租車。為了更好地來實現理解和導航的目的，我們給Homer配備了全方位的感測器，而其中起關鍵作用的就是LIDAR（雷射雷達）。
而在接下來的這篇文章中，你將會瞭解更多有關LIDAR的資訊——它在無人駕駛汽車領域的起源，以及它是如何與其他感測器堆疊的。好吧，我已經迫不及待地想和你們分享了……
「超能力」
LIDAR可以使無人駕駛汽車（或任何機器人）能夠用一些「超能力」來觀察世界：
持續360度的能見度：想像一下，如果人類的眼睛可以全天候的看到四面八方。
精準的深度資訊：假設，而不是猜測，你總是可以知道與你相關的物體的精確距離（精度為±2cm）。
如果你曾經看到過一輛無人駕駛汽車，那麼，你很有可能已經看到了一個LIDAR感測器。通常，它就是一個安裝在車頂上，並在不斷旋轉的大塊頭盒子。就像下圖中，在百度無人駕駛汽車上的那樣。
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圖：百度研究院
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市場上最受歡迎的LIDAR感測器之一，是高功率Velodyne HDL-64E感測器。下圖就是安裝在Homer上的Velodyne HDL-64E感測器。
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圖：voyage
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LIDAR如何工作的？
一個具有360度視覺，和準確深度信息的感測器，是如何工作的呢？簡單地說：雷射雷達傳感器不斷地發射出雷射光束，然後測量出光線，返回感測器所需要的時間。
透過每秒發射數百萬光束，來自LIDAR感測器的測量，能夠實現真正3D世界的可視化。透過它，你可以推斷出你周邊任何物體的精確測量值（可高達約60m，這取決於你選擇的傳感器）
雷射雷達的簡史
如果你想要瞭解，為什麼如今的雷射雷達工具，受到那麼多的擁護和支持，那麼，很重要的一點就是要看看，其他有著類似目標的類似技術。
·聲納
可以這樣說，最原始的深度感知機器人是蝙蝠（5000萬年前！）。蝙蝠（或海豚等）能夠使用回聲定位，來執行與LIDAR相同的功能，也稱為聲納（聲音導航和測距）。聲納使用音波來測量距離，而不是像LIDAR那樣測量光束。
歷經5000萬年的生物排他性，隨著潛艇戰爭的到來，第一次世界大戰推進了人造Sonar感測器，首次大規模佈署的時間表。聲納在水中表現非常出色，在水中，聲音的傳播要比光或無線電波更好（這個我們稍後詳細介紹）。而目前，聲納感測器主要用於汽車行業，最主要的是以感測器的形式。
這些短距離（約5米）的感測器，能夠以便捷的方式，測量出你的車與後面牆之間的距離。可是聲納沒有被證明能夠在無人駕駛汽車需求的種類（60m以上的距離）上工作。
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在這種情況下，蝙蝠既是發送者也是接收者
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·雷達
雷達（無線電方向和範圍），和聲納一樣，這是在臭名昭著的世界大戰期間，開發的另一種技術（這是第二次世界大戰期間產生的）。
它使用無線電波來測量距離，而不是使用光或音波。我們在Homer上使用了很多雷達（德爾福感測器），這是一種經過驗證的方法，可以精確檢測和跟蹤有距離物體的距離。下圖是佈署在Homer上的雷達。
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圖：voyage
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雷達沒有很多的缺點，它不僅在極端天氣條件下，可以表現良好，而且價格區間比較合理。雷達不僅可以用於檢測物體，而且還可以追蹤它們（例如：追蹤汽車的行駛速度以及方位）。
也許雷達並不會像LIDAR那樣，給出那麼多的細節，但雷達和雷射雷達都是奉送的，而且他們之間絕對不是，那種可以代替的關係。
·LIDAR（雷射雷達）
雷射雷達誕生於20世紀60年代，也就是在雷射誕生之後。在1971年的阿波羅15號任務期間，太空人繪製了月球表面的圖景，讓雷射雷達在公眾面前首次亮了相，瞭解雷射雷達可以用來做什麼。
在雷射雷達被證實可以用於汽車和無人駕駛之前，雷射雷達的受歡迎的用例之一是考古學。雷射雷達為繪製大面積的土地，提供了大量的價值，考古學和農業都從中受益匪淺。
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一個在空中拍攝的雷達地圖
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團隊成員Steve Leisz教授告訴英國廣播公司，「當雷射雷達首次在 Angamuco中投入使用時，我們不知道這個地區有多大，它是不是包括建築物，或者它也許甚至是一座城市。」也許更令人驚訝的是，球隊還發現了一個名為pok-ta-pok的中美洲遊戲的球場，以及金字塔。
「這是完全是一個驚喜，」 Leisz說——雷達考古學在未知領域閃閃發光。
直到二十一世紀初，LIDAR才開始被用於汽車領域，在2005年的大DARPA挑戰賽中，它因Stanley（以及後來的Junior）而聞名於世。
2005年Grand DARPA挑戰賽的勝利者Stanley，除了使用軍用級GPS、陀螺儀、加速度計和前置攝影機（視線可達80米以上）外，還採用了安裝在車頂上的5台SICK LIDAR感測器。所有這一切，都是由坐在後備箱中的6台1.6GHz Pentium Linux電腦支持的。
SICK LIDAR（其在2005年的挑戰賽中佔有重要地位）所面臨的主要挑戰，是每次激光掃描基本上都是橫向切割，因此你必須在有針對性的指導下進行操作。
許多團隊將它們安置在傾斜階段，以便使用它們「掃描」一段空間。簡單來說：我們今天所知道的SICK是一個二維雷射雷達（一個方向上的幾束光），與現代3D雷射雷達（所有方向的多束光）。
Velodyne
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圖：Velodyne
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Velodyne長久以來，都是LIDAR的市場領導者，但是最初他們沒有以這種方式為生。
在1983年，Velodyne是以一家音響公司，進入大眾視野的，專門從事低頻聲音和低音炮技術。低音炮包含訂製感測器，DSP和訂製DSP控制算法。
在Stanley首次亮相的同時，Velodyne也成為我們今天所熟知的雷射雷達公司。2004年，Velodyne創始人David和Bruce Hall首次以DAD團隊（Digital Audio Drive）的名義，進入2004 DARPA比賽。
在2005年的第二場比賽中，大衛·霍爾（David Hall）為基於3D雷射的即時系統發明專利，為Velodyne當前的LIDAR產品奠定了基礎。
2007年第三次DARPA挑戰，大多數團隊使用這種技術，作為其感知系統的基礎。David Hall的發明，現在已經成為史密森尼史密斯（Simon Sonian）作為實現自主駕駛的基礎性突破。
LIDAR在無人駕駛汽車中的巨大前景
為什麼雷射雷達，能夠給無人駕駛汽車帶來騰飛？一句話：測繪。LIDAR允許你生成巨大的3D地圖（其原始應用程式），然後你就可以預測，內部導航汽車或機器人。
透過使用雷射雷達，來對環境進行繪圖和導航，你可以提前知道，一條通道的邊界，或者在500米前是否有停車標誌，或交通號誌燈。這種可預測性，正是無人駕駛汽車所需要的技術，是過去5年來無人駕駛汽車，取得進步的重要原因。
·對象檢測
由於雷射雷達已經變得具有更高辨識率，並且可以在更長的範圍內運行，所以在對象檢測和追蹤，出現了新的用例。LIDAR地圖不僅可以準確地知道，你在世界上的位置，還可以幫你導航，與此同時，它也可以檢測和追蹤汽車、行人等障礙，並且，根據Waymo的消息，根據美式足球頭盔也是可以進行檢測和追蹤的。
現代雷射雷達使你可以區分，一個人是在騎自行車，還是在步行，甚至可以檢測出他的行駛速度，以及前行的方向。
這真是驚人的導航能力，可預測性和高辨識率—對象追蹤的結合，意味著LIDAR是今天，無人駕駛汽車中的關鍵傳感器，很難去想像那個主控因素發生改變，除非……
攝影機驅動的無人駕駛
有一些初創公司在那裡，使用純攝影機（也可能是雷達）解決無人駕駛駕駛汽車的問題，而沒有將雷射雷達考慮在內。特斯拉便是這類人中最大的一個，而Elon Musk反覆強調，如果人類用眼睛、耳朵和大腦來感知和瀏覽世界，那為什麼汽車不可以呢？
我肯定這種做法，會取得令人驚喜的結果，特別是其他有才華的團隊，都在為實現這一目標而不懈努力著，這其中就包括Comma和AutoX。
值得注意的一點是，特斯拉有一個有趣的約束，這可能影響他們的決策：規模。
特斯拉希望，不久能夠在一年內生產出50萬輛汽車，而且迫不及待地希望LIDAR明天就能降低成本（或者製造成本），真希望這個在昨天就發生了！
雷射雷達的未來
這個行業正在向前邁進，著重點在於：成本在降低，辨識率和範圍在增加。
·成本降低
固態雷射雷達開闢了，低於1K美元強大的雷射雷達裝置的潛力，而這個在今天可能每單位需要高達80k美元。LeddarTech是這個早期市場的領導者之一。
這是Velodyne所講述的有關固態（solid-state）雷射器的觀點：固態雷射，由你希望以盡可能低的成本，獲得最小尺寸的嵌入式感測器，驅動的固定感測器。當然，這也意味著你有一個較小的視野。
而Velodyne是同時支持固定和環繞視圖感測器的。固定感測器被小型化，以便為了更好的嵌入。從成本的角度來看，它們都包含透鏡、雷射和檢測器。
最低成本系統，實際上是透過環繞視圖感測器來實現的，因為不斷的旋轉，可以在整個視野範圍內，重新使用鏡頭、雷射和檢測器。這種重複使用既是最經濟的，也是最強大的，因為它可以減少，與即時合併不同觀點相關聯的誤差——這是當車輛正在快速移動時真正計數的。
·辨識率和範圍增加
LIDAR申請數量的巨大成長，帶來了在這一領域的創業公司，大量有才華的創始人和團隊。更高的辨識率輸出和增加的追蹤範圍（在某些情況下為200m）將提供更好的對象辨識和追蹤，而這是與像Luminar這樣的創業公司，感測器的關鍵區別之一。
Voyage下注了雷射雷達。我們喜歡它帶來的所有好處，相信生態系統將會即時降低成本，因為我們需要擴大自主的出租車服務。如果你是LIDAR的創業公司，並且想要測試你的感測器，我們很樂意成為你的第一批客戶之一。
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