无人驾驶车测距激光雷达系统设计

发布时间：2020-04-23 15:41

【摘要】：当前,无人驾驶技术已成为汽车领域的发展趋势,障碍物探测是无人驾驶技术中的重要环节。激光雷达作为一种主动探测方法,具有测量速度快、精度高等优点,在障碍检测方面优势明显。本文以无人驾驶车障碍探测为应用背景,针对扫描式多线激光雷达成本较高、测距精度较低的不足,开展了激光雷达测距技术研究,综合考虑车载环境以及实际应用需求,设计了一种扫描式测距激光雷达系统。论文主要工作如下;(1)对比分析了脉冲式和相位式激光测距原理,根据无人驾驶车障碍探测的实时性要求,选择脉冲式测距方案,综合考虑影响脉冲式测量精度的关键因素,设计了一种改进型的时刻鉴别以及时间间隔测量方法,优化系统探测性能。(2)针对半导体激光器和光电探测器的具体特性,设计了发射端和接收端光学系统,在ZEMAX软件中进行光线追迹仿真,验证了其对发射光束的准直压缩和对回波光束的有效聚焦,从而可以提高系统探测范围和精度。(3)设计并搭建了窄脉冲激光发射和信号接收电路系统,系统以FPGA器件和C8051F206单片.机作为主控制器,可实现重复频率为1kHz,脉宽为60ns的窄脉冲激光发射;为提高接收系统的信噪比,选用高灵敏度的APD作为光电探测器,结合信号调理电路,从而实现微弱回波信号的有效提取;设计高精度时间差测量模块和机械旋转模块,验证扫描式激光雷达系统的测距性能。(4)为了验证测距激光雷达在无人驾驶车障碍探测中的性能,在Visual Studio 2010平台下开发了基于MFC的数据重构界面,根据测量得到的距离数据实现障碍物信息重构。搭建实验平台,对近处目标物进行测量,测试并验证系统样机的探测性能,最终结果表明,所设计的脉冲式激光雷达系统基本满足预期的探测要求,并具有一定的实际应用价值。
【图文】：

激光雷达系统,多线,机械式,激光雷达

件又可以分为机械激光雷达、混合固态激光雷达以及固态激光雷达。作为无人驾驶车障碍物探测的主要传感器，目前应用较多的是机械式扫描激光雷达，，对车辆周围360 环境进行扫描测量[15]。近年来随着无人驾驶技术的迅速发展，国内外众多科研机构、公司等对此都展开了较为深入的研究，尤其是在激光雷达技术最重要的测距领域，取得了突破性进展。目前几种典型的障碍探测激光雷达主要分布在国外的公司和机构，分别是以美国Velodyne 公司为代表的多线机械式激光雷达、德国 Sick 公司为代表的单线激光雷达以及美国 Quanergy 公司的概念款固态激光雷达。在 2005 年的美国自主驾驶车大挑战赛中，作为冠军获得者，斯坦福大学的“斯坦利”号无人驾驶车上安装的就是 Sick 公司的 LMS200 系列的单线扫描激光雷达[16]。此款激光雷达是对障碍物进行非接触式的二维扫描测量，水平角分辨率以及扫描频率均可调，通过测量激光往返时间来计算距离参量，最后将扫描数据送入处理器进行数据处理。2007 的大挑战赛中，获得第一名的是一辆改装的“BOSS”号无人驾驶车，完成了在较复杂障碍赛道上行驶的任务，其顶部安装的就是美国 Velodyne 公司的 64 线激光雷达。该多线激光雷达及其内部结构如图 1-1：

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（a）S3 固态激光雷达样机实物图（b）光学相控阵原理图图 1-2 S3 固态激光雷达Fig.1-2 S3 solid-state lidar这款激光雷达在激光发射阵列面上存在很多微小的发射单元，在进行测量时，通过号调节每个发射单元的相位差来改变最终激光的出射角度，实现一定角度范围的扫描，省去了多线激光雷达复杂的旋转部件并大幅减少了光学镜头的使用，大大降低了研本和体积。然而，这种激光雷达技术存在探测距离以及点云数量有限、抗干扰性较差足，且技术仍不成熟，加工难度高，因此固态激光雷达距离真正的实际应用还有很长时间。对比国外激光雷达技术的发展，国内对于车载激光雷达的研究起步较晚，无人驾驶大多以理论和实验研究居多，尤其是在无人驾驶领域，激光雷达的应用研究大多处于实验阶段。目前主要的研究机构有国防科技大学、南京理工大学，湖南大学和上海交学等。2009 年，在首届“中国智能车未来挑战赛”中，湖南大学的智能车前方、上方均扫描式激光雷达感知实时路况。上海交通大学的智能车，采用单线激光雷达进行前方
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U463.67;TN958.98

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