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如何正确使用激光雷达
2022-02-24 18:13:04· 来源：奚少华 九章智驾
2. 正确使用激光雷达的方法
总结完激光雷达存在的5个方面的问题，接下来笔者想分享一下，如何正确使用激光雷达？并且在使用过程中，需要注意哪些关键因素？
1）选择合适的产品和激光雷达厂商
正确使用激光雷达的第一步，笔者认为是先要选对产品和激光雷达厂商，比如产品是否符合车规标准并且是否是未来主流的技术路线、激光雷达厂商是否有一定的技术实力和服务体系等等。具体来看：
第一，选择主流技术路线且能过车规的产品。
某L4自动驾驶企业产品经理说道：“最关注两方面：一方面，该产品是否是当前主流的技术路线，比如混合固态的MEMS、固态的1550nm以及禾赛的收发芯片化，这几种都是未来的一些主流方向，会成为整套解决方案的亮点；另一方面，是该产品能否过车规，因为车规级是对产品可靠性和稳定性的保证，并且在工艺上也能有一定的保障。”
第二，选择多个激光雷达厂商。
笔者认为，首先，每一家都有自己的研发技术方向，哪种技术路线是最终的方向，市场目前也没有给出确切的答案，每个激光雷达的客户都需要尽可能地防止自己错失正确的技术路线方向；
其次，对于大部分的自动驾驶初创企业来说，前期可能只是Demo阶段，这对于激光雷达厂商来说，即使这些初创企业后期有一些可落地的项目，但是吸引力必然还是会小于主机厂的订单。那对于这些企业来说，将得不到很好的支持。同时，因为大部分初创企业还是场景驱动型为主，不同场景下，需要对传感器做大量的可靠性认证，才可能实现相应的项目落地。
某位自动驾驶细分场景行业的专家说道：“我们不会把自己捆绑在一家激光雷达厂商身上。”
这一点对于主机厂前装量产的项目来说也是如此，考虑到产品供应链的安全性，选择多家激光雷达厂商还是有必要的。
第三，选择可靠且具备完善的售后服务体系的激光雷达厂商。
客户在选择激光雷达厂商前，也会需要做一个详细的尽调，包括公司的专利、技术研发实力、产能状况、产品的可靠性、服务体系等等。无论是初创的自动驾驶公司还是已然成熟的主机厂，在保证产品具备可靠性的基础上，都应选择能提供优质售后服务的激光雷达供应商。对于初创企业来说，大部分都是细分场景解决方案企业，他们也会面对自己的客户，如果激光雷达出现故障而没有及时得到技术支持，必然会影响他们的品牌形象。对于主机厂来说，若已出售车辆上的激光雷达一旦出现问题，就可能面临车辆召回的风险，这种伤害会更大。
2）选择合适的安装位置与数量
目前，激光雷达上装的具体位置存在很大的差异，比如车顶上方、车前灯两侧、车尾等。那具体装在哪个位置合适以及装多少颗？如何做设备的后期维护？这些问题都是要考量的。
第一，一定程度上保证整体美观度。美观的整体外形设计与产品自身的造型是首要的考虑因素。
激光雷达前装量产的首要条件，一定是要保证车辆的外观设计。某L4自动驾驶企业产品经理凭借其多年在主机厂的从业经验说道：“主机厂地位很强势，对造型的要求也很高，激光雷达安装的位置是由设计部和研发部协商的结果。”
除了保证车辆的整体外观设计外，由于每款激光雷达产品的造型不同，致使可供安装的位置也有不同。这位产品经理继续说道：“每家激光雷达厂商的产品形状、大小都是不同的，比如速腾的M1安装在前挡风玻璃上方会更好。但如果前挡风玻璃上方没有相应的域控制器的话，那这个位置也不允许安装，或许会安放在车前灯下方两侧。”
从现存的激光雷达上装情况来看，安装在车顶上方的激光雷达，其形状普遍具备长而扁的特征，这类形状更适合安装在车前挡上方，比如Luminar Iris这款产品体积足够小，更易于集成在车前挡上方。安装在车前灯两侧或者保险杠中部的激光雷达，体积相对较大（尤其是高度较高），比如大疆的HAP，若是安装在车前挡上方，容易破坏车辆整体的美观度，所以更适合安装在车前灯两侧。
表：部分激光雷达的代表车型和安装位置
第二，不同位置实现不同功能。从功能的角度来说，安装在车前挡上方位置可以兼做感知和定位，而车前灯下方两侧的位置则更适合感知功能。
智加科技中国首席科学家崔迪潇解释道：“装在什么位置，具体是看做什么功能。如果是要做感知，放在车前灯下方两侧位置更合适。如果是做定位，放在车前挡最上面会更好。放在最上面的激光雷达会看得更高更远，但这是一个相对的概念，取决于算法的需求。例如感知算法通常更关注路面上的动态交通参与者，某些定位算法更关注路面之外的建筑物，两类算法的要求可以通过激光的不同安装来分别满足。”
探维科技品牌总监张立辰继续补充道：“激光雷达安装在车前灯下方的位置，主要功能是补充或辅助性避障，但下方的位置存在无法避免的盲区问题。而上方的位置可以是感知功能也可以是定位功能，但定位功能需要360°的信息，单颗半固态激光雷达必然不能实现定位功能。”
结合两位专家的观点，笔者认为，激光雷达放在下方的话，两颗激光雷达覆盖的感知范围也较大，其感知功能相对较强，可以更适合多变、复杂的城区场景；而放在上方的话，普遍是单颗激光雷达，市场上的普遍水平视场角在120°，可覆盖的感知范围必然不会比下方广，但上方的激光雷达产品主要是1550nm的远距离产品（比如Luminar的Iris或者图达通的猎鹰），视线能看得更远，更适合高速场景。
第三，场景需求决定安装数量。安装激光雷达的数量取决于需要满足的感知范围和场景功能。
越来越多的车辆开始上装激光雷达，有些车辆甚至多达4颗，那一辆自动驾驶车辆上到底需要安装多少颗激光雷达？对此，智加科技中国首席科学家崔迪潇解释道：“因为激光雷达自身的原理特性，所以导致了它无法做到所有的功能。那么单个激光雷达在使用过程中无法实现多个功能，只有通过多个激光雷达才可以把自动驾驶车辆需要的功能全部覆盖。这也就是为什么高阶的自动驾驶功能需要装这么多的激光雷达，甚至有些堆了四个激光雷达。”
从这一点上，笔者也在思考：是不是装的越多越好？而在这种趋势下，会不会引起激光雷达数量的军备竞赛？均胜电子副总裁郭继舜解释道：“在成本允许的前提下，安装激光雷达必然能够提升系统稳定性和自动驾驶的安全性，至于装多少颗，主要取决于需要增加的具体功能。至于军备竞赛的说法，现阶段远远还没有来临。哪怕军备竞赛真的到来，规模化也会带来成本的下降。”
总的来说，一款激光雷达无论装在车前后四角还是车顶，单颗激光雷达都无法满足车辆安全行驶的要求。出于这点考虑，市场上大部分中短距离激光雷达都是安装2个及以上，以求获得更广的视野范围，并且主要是前向方向。
对此，某L4自动驾驶公司资深从业者解释道：“大家都在做前装量产，所以才尽可能抛弃机械式激光雷达，而做一些内嵌式的激光雷达。但是内嵌式的激光雷达水平视场角必然不会达到360°，比如大疆的HAP和速腾的M1，水平视场角都为120°，相对机械式的激光雷达来说，它们的视场角很小，所以使得车辆需要装多个激光雷达。”
第四，做好后期维护。从后期的维护角度来说，安装在不同位置实现清洗、防撞、热管理等功能的难易度不同。
安装在上方，好处是易清洗、防撞，但不易做热管理。装在车灯下方的位置的话，最大的缺点是容易被撞，一旦被撞设备几乎无法维修，而更换的成本会很高。也有一些车企选择装在车灯附近的进气格栅内，总体来看，这是最不理想的位置，容易被撞，还不容易清洗。
图：部分车型中进气格栅的安装位置
（图片来源：公开信息）
3）优化工作时间、降低功耗，提升设备耐久性
上文中也提到了激光雷达的耐久性问题比较突出，但可以从优化工作时间与降低功耗两个角度，提升激光雷达的耐久性，减少维修和更换的成本。
首先，对于乘用车来说，可以在非工作时间内让设备“休息”，提升设备的耐久性。
某自动驾驶初创企业产品经理说道：“商用车的激光雷达使用寿命相对乘用车来说会更短，因为工作时长的原因，激光雷达需要始终保持运行状态。但乘用车并不需要24小时全天候的工作，可以有效地降低激光雷达使用时间，在某个不需要激光雷达场景的条件下，可以适当的关闭激光雷达，通过电源管理的方式，实现使用时间的优化。”
其次，从软硬件两个角度，降低激光雷达的功耗问题。
从硬件的角度来看，探维科技品牌总监张立辰告诉《九章智驾》：“后装市场的话，通过改善外壳材质、颜色、体积、或加装排热风扇的方式，改善功耗问题；前装市场的话，主要依靠主机厂或者tier 1去设计激光雷达产品的体积和安装位置，从而改善功耗问题。”
从软件的角度来看，某传感器行业专家提道：“可以通过优化芯片架构、优化算法的方式降低功耗。”
优化工作时间和降低功耗是提升激光雷达耐久性的最基础的方式，除此以外，热管理功能也会是提升功耗的一种方式，但热管理主要是针对极端环境而言，并不是一个共性问题。
4）提高不同场景下的数据采集效率
提高激光雷达的数据采集效率，减少重复区域内的数据采集工作，关注更有价值的数据。
某自动驾驶初创企业产品经理说道：“如果车辆一直在某一个相同区域内行驶，数据的重复度会比较高，无用的数据就会过多，最终只能得到重复累加的数据。相对于此，更应该搜集算法遇到问题时候的数据，比如在这前后十分钟或者五分钟的数据，这类稀缺的数据是对算法训练最有价值的数据。”
笔者认为能做到高效的数据采集，首先是场景的选择，比如高速场景下采用ROI功能，动态调整激光雷达的角分辨率，将感知区域集中在车辆前方，增加前方重点区域的点云密度；其次是激光雷达自身算法的优化，通过不断地数据积累，过滤掉工况下的重复信息。
5） 配合短距激光雷达会更好
笔者发现当前市场上新推出了多款短距激光雷达，从市场上现已公布的一些产品数据来看，短距激光雷达覆盖了各种不同的扫描技术路线，包括MMT、Flash、机械式，主要的特点是测距相对较短，一般为50米范围以内。
这不禁让笔者产生了一个思考，为何需要短距激光雷达？在如此短的距离内，短距激光雷达的主要优势是什么？
表：部分短距激光雷达产品信息整理
图：QT128探测动态运动的乒乓球
(图片来源：https://mp.weixin.qq.com/s/ciV0BqYNgKahEfdXtQjHeA)
智加科技中国首席科学家崔迪潇介绍说：“短距激光雷达的使用与场景有一定相关性，主要是用于相对低速的环境下。要实现高阶的自动驾驶功能，就必须依靠更多种类的激光雷达。有些场景下可能只有两层冗余，这必然不能满足高阶自动驾驶的冗余需求，所以才会有了短距激光雷达。从功能上来说，短距激光雷达有效覆盖范围只有50米，所以它对定位不一定有用，只有补盲作用。”
除了激光雷达主要的探距功能外，短距激光雷达主要是起到了补盲雷达的作用，通常安装在车头、车前后四角、左右两侧等位置。
但如果只是补盲的话，为何不直接采用摄像头或者毫米波雷达？
某自动驾驶资深从业者解释道：“短距激光雷达功率相对较小，成本也会较低。比如在泊车环境下，单目摄像头的深度信息相对较弱，但通过短距的激光雷达可以补充这些深度信息，能帮助车辆获取与障碍物的距离信息，这是它的重要功能之一。”
综合来看，短距激光雷达具备低成本、低功率、宽视场角等特征。相比于长距激光雷达而言，短距激光雷达需要解决的并不是更远处的场景，而是近处的场景，比如在城区环境下，车辆往往只处于低速环境下，并不需要特别关心150米甚至200米以外的环境信息。相比于其他传感器，短距激光雷达对于近处的补盲效果会更好，既弥补了毫米波对于金属的不够敏感，也弥补了视觉对于光照的影响，同时短距雷达的位置，一般也会覆盖摄像头的感知范围，可以实现多传感器的融合异构方案。
结语：
激光雷达前装量产后，使用过程中暴露出的问题也慢慢浮出水面。第一，统一的车规级标准是激光雷达亟须解决的首要问题；第二，在一些特定场景下，如雨雾雪等气候环境下或者重复性较高的场景下，激光雷达的使用效果会大打折扣；第三，激光雷达在使用层面，产品的耐久性和可靠性问题也很突出，无法覆盖产品承诺的生命周期；第四，激光雷达厂商的售后服务体系也尚未成熟，现有的售后服务水平很难满足行业后期的大规模量产；第五，未来的环境安全问题也值得重视，尤其是在激光相互对射的串扰与人眼安全两方面。
此外，笔者以一个使用者的角度总结了正确使用激光雷达的方法：第一，是需要选择合适的产品和激光雷达厂商，包括产品是否符合车规要求、激光雷达厂商是否具备完善的售后服务等；第二，选择合适的安装位置与数量，包括安装在不同位置主要的影响因素、安装数量与场景和需要实现的功能之间的联系等；第三，通过优化工作时间、降低功耗，从而提升产品耐久性，增加产品的生命周期；第四，通过动态调整角分辨率的方式，实现ROI功能，提高某些场景下的数据采集效率，比如高速场景下，可以重点关注车前方的行驶区域；第五，可以尝试安装短距激光雷达，其具备低成本、低功率、宽视场角等特征，同时可为车辆提供补盲的作用。
激光雷达使用过程中存在的问题可能不止上述5点，随着渗透率的逐步提升，相关问题也会慢慢呈现出来。但笔者相信，国内自动驾驶行业正在加快发展步伐，而激光雷达已成为高阶自动驾驶车辆必不可少的关键传感器之一。
参考文献
【1】深度|智能驾驶：激光雷达成为L3/L4焦点，自动驾驶显现千亿新蓝海
https://mp.weixin.qq.com/s/9RdwCG3qf9hE3X5wiiy_QA
【2】golang+webgl实践激光雷达(一)激光扫描仪基础知识
https://www.cnblogs.com/laofenmao/p/12052290.html
【3】激光雷达波长：905nm VS1550nm
https://www.cmpe360.com/p/120214
【4】激光对人眼的损伤分析，李强 何炳阳
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