芯耀
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內(nèi)容摘要
激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)必須堅(jiān)固可靠，以確保在各種車速下的安全性和系統(tǒng)性能。這對(duì)于高速公路駕駛來(lái)說(shuō)尤為關(guān)鍵。在本白皮書(shū)中，將探討合適的激光雷達(dá)設(shè)計(jì)對(duì)于L3級(jí)自動(dòng)駕駛汽車在高速公路行駛時(shí)安全駕駛的重要性。分析了諸如水平和垂直視場(chǎng)、水平和垂直分辨率、探測(cè)范圍、幀率以及反射率響應(yīng)等參數(shù)的要求。 對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車而言，最大的挑戰(zhàn)之一在于，在高速公路上行駛時(shí)，要在遠(yuǎn)距離檢測(cè)到諸如輪胎這類尺寸小、反射率極低的物體。
為了確保安全制動(dòng)并避免碰撞，需要在多個(gè)方面進(jìn)行權(quán)衡取舍。這一安全事件應(yīng)用案例闡明了對(duì)遠(yuǎn)距離探測(cè)的要求，以及對(duì)盡可能高的分辨率和幀率的需求，以確保在高速行駛時(shí)能夠檢測(cè)到物體和障礙物。 除了這些參數(shù)之外，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)還必須考慮各種天氣、光照和道路狀況（包括坡度和彎道）的影響。它還必須考慮在高速公路速度下駕駛所需的制動(dòng)時(shí)間。所有這些因素都對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)提出了更高的要求，以便在任何駕駛條件下都能達(dá)到關(guān)鍵性能指標(biāo)。 激光雷達(dá)在車輛中的安裝位置對(duì)激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)和車輛的設(shè)計(jì)都有著重大影響，因?yàn)長(zhǎng)3級(jí)自動(dòng)駕駛所使用的激光雷達(dá)不應(yīng)過(guò)于突兀。汽車的設(shè)計(jì)很容易決定激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)。工程師們必須適應(yīng)由汽車設(shè)計(jì)所決定的工程要求。 考慮到這些要求，并基于在InnovizOne產(chǎn)品上積累的經(jīng)驗(yàn)，Innoviz公司開(kāi)發(fā)了下一代高性能激光雷達(dá)InnovizTwo。在本白皮書(shū)中，將介紹InnovizTwo，其設(shè)計(jì)旨在確保在各種情況下，尤其是在高速公路行駛時(shí)，實(shí)現(xiàn)安全舒適的駕駛體驗(yàn)。
引言
每年，全球有超過(guò)130萬(wàn)人死于交通事故 ，多達(dá)5000萬(wàn)人遭受與道路相關(guān)的傷害。人為失誤在所有事故的可能原因中占比80%至90%，在所有致命事故中占比94% 。由于交通是我們生活的一部分，因此應(yīng)采用最佳的工程實(shí)踐方法，以最大程度地減少人為失誤的可能性。 自動(dòng)駕駛是我們這個(gè)時(shí)代最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)之一。為了設(shè)計(jì)出 “完美的” 自動(dòng)駕駛汽車，不同汽車公司的數(shù)千名工程師致力于描述各種不同的駕駛場(chǎng)景和應(yīng)用案例，在這些場(chǎng)景和案例中，汽車必須能夠安全地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。 對(duì)交通事故的帕累托分析表明，道路上的大多數(shù)死亡事故發(fā)生在高速公路和城市的直道上，主要原因是駕駛員注意力不集中。盡管高速公路自動(dòng)駕駛簡(jiǎn)化了駕駛決策軟件的工作，但它對(duì)激光雷達(dá)傳感器提出了更多要求，這使得汽車制造商在選擇激光雷達(dá)時(shí)面臨更大的困難。在高速公路上行駛時(shí)車速較高，這就需要更長(zhǎng)的制動(dòng)時(shí)間，同時(shí)也對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)提出了更高的要求。在傳感器層面上增加探測(cè)范圍，可以為軟件系統(tǒng)提供更長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間。
定義激光雷達(dá)的要求
在設(shè)計(jì)自動(dòng)駕駛功能時(shí)，必須考慮許多參數(shù)，包括汽車自動(dòng)駕駛的速度、車輛位置、天氣狀況等等。這些參數(shù)被用于計(jì)算對(duì)激光雷達(dá)、攝像頭和毫米波雷達(dá)的抽象要求。 感知參數(shù)（例如確定檢測(cè)或識(shí)別人的距離、允許的延遲時(shí)間、誤報(bào)率或誤檢情況）會(huì)在各種不同的傳感器之間進(jìn)行分配，以彌補(bǔ)不同傳感器的局限性。激光雷達(dá)、攝像頭和毫米波雷達(dá)所提供的關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）相互補(bǔ)充，并提供冗余信息，因?yàn)橛糜趥鞲衅魅诤系?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1547034.html">域控制器會(huì)對(duì)這三個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行比較。 激光雷達(dá)的感知輸出必須滿足汽車制造商為做出駕駛決策所定義的所有關(guān)鍵性能指標(biāo)。在可用處理能力和允許的延遲時(shí)間限制內(nèi)滿足這些關(guān)鍵性能指標(biāo)，將決定激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)，以及將激光雷達(dá)的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為用于傳感器融合的處理數(shù)據(jù)的感知軟件的設(shè)計(jì)。
美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE）自動(dòng)駕駛等級(jí) L3級(jí)自動(dòng)駕駛，也被稱為 “有條件的駕駛自動(dòng)化”，根據(jù)美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE）的J3016-2021標(biāo)準(zhǔn)的描述，指的是車輛能夠在汽車原始設(shè)備制造商（OEM）所規(guī)定的有限條件下進(jìn)行自動(dòng)駕駛，且無(wú)需人類監(jiān)督。要求 “駕駛員” 在足夠的時(shí)間內(nèi)對(duì)系統(tǒng)（車輛）發(fā)出的要求其重新接管控制權(quán)的請(qǐng)求做出響應(yīng)。 與如今的L2+系統(tǒng)（這是介于L2級(jí)和L3級(jí)之間的非官方混合等級(jí)）相比，L3級(jí)系統(tǒng)對(duì)完全冗余的要求是一個(gè)質(zhì)的飛躍。L2+系統(tǒng)仍然需要人類對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)督，駕駛員不能將視線從道路上移開(kāi)，也不能將手從方向盤上拿開(kāi)。雖然L3級(jí)自動(dòng)駕駛很可能主要在高速公路上實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)車輛駛離高速公路并行駛在當(dāng)?shù)氐缆飞蠒r(shí)，仍需要人類集中注意力，為L(zhǎng)2+等級(jí)的駕駛提供必要的監(jiān)督。
為了達(dá)到L3級(jí)或更高的自動(dòng)駕駛等級(jí)，工程師們需要證明自動(dòng)駕駛系統(tǒng)符合汽車行業(yè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）26262標(biāo)準(zhǔn)中功能安全等級(jí)的最高級(jí)別——汽車安全完整性等級(jí)D（ASIL D），該等級(jí)對(duì)應(yīng)著汽車領(lǐng)域的最高危險(xiǎn)等級(jí)。這一等級(jí)要求對(duì)不同的駕駛應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，并證明在任何可能的情況下，汽車都能確保車內(nèi)和車外人員的安全，即便系統(tǒng)中的某一個(gè)部件出現(xiàn)單點(diǎn)故障或性能下降的情況也是如此。 這種分析需涵蓋整個(gè)平臺(tái)，針對(duì)各種不同的駕駛場(chǎng)景、溫度、天氣狀況以及其他內(nèi)部或外部因素來(lái)展開(kāi)。
平衡安全性與舒適性
雖然安全性至關(guān)重要，但如果自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的運(yùn)行方式讓駕駛員感到 “不舒服”，駕駛員就會(huì)對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)失去信心，進(jìn)而不再使用它。這里所說(shuō)的 “舒服” 是指汽車在決策時(shí)不會(huì)拖延，因此不會(huì)做出 “最后一刻” 的決策，比如緊急制動(dòng)和突然轉(zhuǎn)向等操作。該系統(tǒng)應(yīng)確保駕駛過(guò)程平穩(wěn)，這源于對(duì)路況的完美感知，以及對(duì)本車前方物體做出快速、正確的決策。
L2+自動(dòng)駕駛的風(fēng)險(xiǎn)與潛力
許多駕駛員將自動(dòng)駕駛與諸如 “自動(dòng)輔助駕駛（Autopilot）” 之類的功能混淆。駕駛員認(rèn)為開(kāi)啟自動(dòng)輔助駕駛功能后，他們就可以將視線從道路上移開(kāi)，把手從方向盤上拿開(kāi)。以下列出了當(dāng)前L2+等級(jí)車輛的現(xiàn)狀，以及激光雷達(dá)能為L(zhǎng)2+等級(jí)車輛帶來(lái)的好處：
1. L2+等級(jí)的自動(dòng)駕駛平臺(tái)正變得越來(lái)越受歡迎。
2. 這個(gè)非官方的美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE）混合等級(jí)（也被稱為 “自動(dòng)輔助駕駛”）仍然需要人類進(jìn)行監(jiān)督。
3. 大多數(shù)事故發(fā)生在直道上，原因是駕駛員對(duì)路況過(guò)于自信。
4. 沒(méi)有配備激光雷達(dá)的L2+等級(jí)自動(dòng)駕駛會(huì)給人一種錯(cuò)誤的信心，從而導(dǎo)致致命事故。
5. 研究表明，當(dāng)啟用自動(dòng)輔助駕駛功能時(shí)，駕駛員會(huì)變得注意力不集中。
6. 沒(méi)有配備激光雷達(dá)的L2+等級(jí)自動(dòng)駕駛給自動(dòng)駕駛技術(shù)帶來(lái)了不良聲譽(yù)。
7. 由未配備激光雷達(dá)的L2+等級(jí)車輛引發(fā)的事故，延緩了自動(dòng)駕駛汽車的普及以及更安全出行方式的推廣。
8. 根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）26262標(biāo)準(zhǔn)，只有不依賴攝像頭進(jìn)行檢測(cè)的激光雷達(dá)才能提供冗余功能。
9. 配備激光雷達(dá)的L2+等級(jí)自動(dòng)駕駛為客戶提供了更安全的平臺(tái)。
10. 汽車制造商可以利用配備激光雷達(dá)的L2+等級(jí)自動(dòng)駕駛，在現(xiàn)實(shí)生活條件下進(jìn)行眾包數(shù)據(jù)收集，并驗(yàn)證該平臺(tái)的安全性。
11. 在L2+等級(jí)自動(dòng)駕駛中使用激光雷達(dá)可以挽救客戶的生命，加快開(kāi)發(fā)進(jìn)程，節(jié)省數(shù)據(jù)收集成本，并且能讓汽車制造商更有信心地推出L3級(jí)自動(dòng)駕駛服務(wù)，從而降低風(fēng)險(xiǎn)。
12. 使用激光雷達(dá)并通過(guò)空中下載（OTA）軟件升級(jí)的L2+等級(jí)自動(dòng)駕駛，可以逐步提高車輛的安全性，并且在不更換激光雷達(dá)硬件的情況下達(dá)到L3級(jí)自動(dòng)駕駛水平。
L3級(jí)自動(dòng)駕駛是自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的最小可行產(chǎn)品（MVP）
如同在任何新市場(chǎng)中一樣，對(duì)于最小可行產(chǎn)品（MVP）需要有一個(gè)清晰的定義。這樣一個(gè)最小可行產(chǎn)品的定義可以轉(zhuǎn)化為減少與各種城市場(chǎng)景、十字路口相關(guān)的顯著復(fù)雜性，以及降低道路中間出現(xiàn)諸如行人、騎自行車的人這類道路弱勢(shì)群體（VRU）的高可能性。 對(duì)交通事故的帕累托分析表明，道路上的大多數(shù)死亡事故發(fā)生在高速公路和城市的直道上，主要原因是駕駛員注意力不集中。將L3級(jí)自動(dòng)駕駛車輛主要限制在高速公路上行駛，將簡(jiǎn)化整個(gè)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的要求和成本，消除我們生活中巨大的日常風(fēng)險(xiǎn)，并減少人們每天對(duì)汽車進(jìn)行數(shù)小時(shí)人工操控的需求。 盡管高速公路駕駛簡(jiǎn)化了駕駛決策軟件的工作，但它對(duì)激光雷達(dá)傳感器提出了更多要求，這使得汽車制造商在選擇激光雷達(dá)時(shí)面臨更大的困難。在高速公路上行駛時(shí)車速較高，這就需要更長(zhǎng)的制動(dòng)時(shí)間，同時(shí)也對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)提出了更高的要求。在傳感器層面上增加探測(cè)范圍，可以為軟件系統(tǒng)提供更長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間。
在第3部分，將討論傳感器融合問(wèn)題，并對(duì)攝像頭、毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)進(jìn)行比較。在第4部分，我們會(huì)探討激光雷達(dá)的技術(shù)規(guī)格，并指出激光雷達(dá)制造商的宣傳可能存在誤導(dǎo)性，必須仔細(xì)評(píng)估。在第5部分，會(huì)展示一個(gè)高速公路安全事件的應(yīng)用案例，以及為確保安全駕駛所需達(dá)到的性能要求。 在第6部分，將介紹InnovizTwo激光雷達(dá)，它是基于與汽車行業(yè)技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者進(jìn)行數(shù)千小時(shí)面對(duì)面討論后所明確的各項(xiàng)需求而研發(fā)的。
傳感器融合
在車輛的駕駛決策過(guò)程中，對(duì)各種類型傳感器的運(yùn)用被定義為 “傳感器融合”。大多數(shù)L2級(jí)智能輔助駕駛車輛使用攝像頭和毫米波雷達(dá)作為做出駕駛決策（車輛速度和行駛軌跡的改變）的傳感器。攝像頭和毫米波雷達(dá)無(wú)法相互提供冗余功能，也無(wú)法滿足功能安全要求。為了符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）26262標(biāo)準(zhǔn)中汽車安全完整性等級(jí)D（ASIL D）的要求，駕駛員被定義為冗余傳感器，通過(guò)觀察道路情況，并對(duì)攝像頭或毫米波雷達(dá)的任何錯(cuò)誤檢測(cè)提供備份。因此，要求駕駛員將視線始終放在道路上，手放在方向盤上，以便在車輛的駕駛決策系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)能夠接管車輛。在L2級(jí)和L2+智能駕駛系統(tǒng)中，一旦發(fā)生事故，駕駛員需承擔(dān)責(zé)任。 在美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE）J3016-2021標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于L3級(jí)到L5級(jí)的自動(dòng)駕駛車輛，汽車原始設(shè)備制造商（OEM）被定義為在指定的運(yùn)行設(shè)計(jì)域（ODD）內(nèi)的法定駕駛員。因此，在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)完全接管全部駕駛?cè)蝿?wù)的情況下，無(wú)論是在規(guī)定的應(yīng)用場(chǎng)景（L3級(jí)到L4級(jí)）還是所有應(yīng)用場(chǎng)景（L5級(jí)）中，只要符合ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)中ASIL D等級(jí)的要求，汽車原始設(shè)備制造商就要對(duì)所發(fā)生的一切負(fù)全部責(zé)任。這旨在確保故障發(fā)生的概率足夠低，使得汽車制造商、消費(fèi)者和監(jiān)管機(jī)構(gòu)都認(rèn)可車輛能夠在特定區(qū)域和特定時(shí)間內(nèi)無(wú)需人類駕駛員的監(jiān)督即可進(jìn)行駕駛操作。 傳感器套件被視為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。如果不能準(zhǔn)確了解車輛周圍的環(huán)境，就無(wú)法做出正確的駕駛決策。符合ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)中ASIL D等級(jí)要求的系統(tǒng)需要關(guān)鍵部件具備 “智能” 冗余功能?！爸悄堋?冗余是指混合使用不同類型的傳感器，而不是簡(jiǎn)單地使用多個(gè)相同類型的傳感器（即攝像頭、毫米波雷達(dá)或激光雷達(dá)）來(lái)在傳感器發(fā)生故障時(shí)提供備份。 由于所有類型的傳感器都存在局限性，混合使用多種傳感器可以提高在任何給定情況下總有一個(gè)傳感器能夠良好工作的可能性。每個(gè)傳感器必須獨(dú)立工作，它們之間不能有任何相互干擾。這樣一來(lái)，無(wú)論對(duì)于某種特定類型的傳感器來(lái)說(shuō)駕駛條件多么具有挑戰(zhàn)性，都始終能夠做出正確的駕駛決策。每種類型的傳感器還必須配備其獨(dú)立的感知軟件，以確保不僅在硬件上具備冗余功能，在軟件上也具備冗余功能。 由于每種傳感器都有其優(yōu)缺點(diǎn)，因此有必要同時(shí)使用攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)，它們相互補(bǔ)充，并提供ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)所要求的冗余功能。
圖6：激光雷達(dá)、攝像頭和毫米波雷達(dá)在不同維度上的性能表現(xiàn)
攝像頭
攝像頭是一種很好的傳感設(shè)備，是如今用于實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景理解的基礎(chǔ)傳感器。攝像頭屬于被動(dòng)傳感器，依賴外部光源（太陽(yáng)、汽車前燈、街道照明等）。然而，在光線較暗的條件下、強(qiáng)光導(dǎo)致的飽和狀態(tài)下，以及諸如鏡頭上有水漬導(dǎo)致圖像模糊的天氣條件下，攝像頭的性能會(huì)大幅下降。ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)要求由不同類型的傳感器提供冗余功能。不能通過(guò)使用另一個(gè)攝像頭傳感器來(lái)使攝像頭具備冗余功能，因?yàn)榱硪粋€(gè)攝像頭也很有可能出現(xiàn)類似的故障。
除了受到環(huán)境因素的影響之外，攝像頭傳感器的二維特性在某些物體被遮擋或僅部分被捕捉的場(chǎng)景中，限制了物體檢測(cè)的真陽(yáng)性率（TPR）。物體檢測(cè)依賴于機(jī)器視覺(jué)，這需要事先使用足夠的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練。對(duì)于不同類型可能出現(xiàn)的物體的邊緣情況，需要對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中未包含的物體進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。在不同的性能下降模式下，攝像頭很難滿足這樣的要求。
圖7：在低光條件下攝像頭與激光雷達(dá)的對(duì)比
圖8：在有霧/下雨天氣條件下攝像頭與激光雷達(dá)的對(duì)比
毫米波雷達(dá)
毫米波雷達(dá)在確定沿徑向方向移動(dòng)的物體的位置和速度方面表現(xiàn)出色。毫米波雷達(dá)傳感器可以根據(jù)其工作距離范圍進(jìn)行分類：短程毫米波雷達(dá)（SRR）的工作距離范圍為0.2米至30米，中程毫米波雷達(dá)（MRR）的工作距離范圍為30米至80米，遠(yuǎn)程毫米波雷達(dá)（LRR）的工作距離范圍為80米至超過(guò)200米。 毫米波雷達(dá)是一種能夠降低對(duì)環(huán)境因素敏感度的優(yōu)良傳感器類型；然而，即使是目前正在研發(fā)的最先進(jìn)的 “下一代” 毫米波雷達(dá)，由于其分辨率較低，也無(wú)法提供足夠的場(chǎng)景信息。此外，毫米波雷達(dá)在檢測(cè)靜止物體或垂直于徑向方向移動(dòng)的物體時(shí)存在困難。它們也無(wú)法準(zhǔn)確確定物體的形狀或小型物體的大小。因此，如今的毫米波雷達(dá)無(wú)法為攝像頭提供全面的冗余功能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景的精確理解。
激光雷達(dá)
僅使用攝像頭和毫米波雷達(dá)的L2/L2+自動(dòng)駕駛平臺(tái)需要人類進(jìn)行監(jiān)督。因此，它們不符合L3級(jí)自動(dòng)駕駛根據(jù)ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)所要求的進(jìn)行全面冗余分析的規(guī)定。目前，只有激光雷達(dá)能夠保證為攝像頭和毫米波雷達(dá)提供冗余功能。 激光雷達(dá)是自動(dòng)駕駛汽車（AV）中的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，其具備的傳感能力是毫米波雷達(dá)和攝像頭都無(wú)法比擬的。激光雷達(dá)在夜間運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)卓越，因?yàn)樗幌駭z像頭那樣依賴環(huán)境光。在惡劣的天氣條件下，激光雷達(dá)在物體檢測(cè)方面也比攝像頭更具優(yōu)勢(shì)。與攝像頭相比，激光雷達(dá)更不容易受到直射陽(yáng)光或迎面而來(lái)的汽車前燈的強(qiáng)光干擾。此外，激光雷達(dá)的分辨率比毫米波雷達(dá)高得多，能夠更好地識(shí)別物體。
圖9：在直射陽(yáng)光下攝像頭與激光雷達(dá)的對(duì)比激光雷達(dá)能夠提供高分辨率、精確的三維世界圖像，感知軟件層最容易利用它來(lái)創(chuàng)建對(duì)現(xiàn)實(shí)物理世界有價(jià)值的呈現(xiàn)。激光雷達(dá)系統(tǒng)使用脈沖激光束發(fā)射光線，這些光線從環(huán)境中的物體上反射（反彈）回來(lái)，在返回時(shí)被激光雷達(dá)的傳感器檢測(cè)到。通過(guò)返回時(shí)間的差異來(lái)計(jì)算物體與激光雷達(dá)之間的精確距離。這與攝像頭不同，攝像頭是估算物體到傳感器的距離。 從激光雷達(dá)掃描返回的光點(diǎn)由激光雷達(dá)的處理單元收集和處理，以創(chuàng)建點(diǎn)云，即便是在光線較暗的條件下，也能形成對(duì)環(huán)境的三維（3D）呈現(xiàn)。點(diǎn)云可以從多個(gè)視角（即俯視、駕駛員視角、第三人稱視角等）展示環(huán)境。隨著時(shí)間推移，每個(gè)激光雷達(dá)點(diǎn)都反映出完整的X、Y和Z軸反射率數(shù)據(jù)。 當(dāng)從多個(gè)視角查看時(shí)，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)會(huì)被識(shí)別并歸類為不同的物體。關(guān)于物體的其他信息，比如其位置、大小、速度、方向和反射率等，都可以從信號(hào)中確定。 雖然激光雷達(dá)有很多種類型，但由于在性能、成本、可靠性和尺寸方面存在較高的要求標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)激光雷達(dá)無(wú)法滿足三級(jí)自動(dòng)駕駛在高速公路行駛時(shí)的不同需求。以下分析基于攝像頭和毫米波雷達(dá)存在不足的駕駛場(chǎng)景和事件，提出了L3級(jí)自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)必須具備的不同屬性。
L3級(jí)自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)的規(guī)格和性能
由于駕駛是一種動(dòng)態(tài)的體驗(yàn)，激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)必須使其能夠在廣泛的條件和情況下實(shí)現(xiàn)最佳性能。由于性能參數(shù)之間是相互關(guān)聯(lián)的，為了適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)駕駛條件和特殊情況，需要在很多方面進(jìn)行權(quán)衡取舍。 在考慮最佳性能時(shí)，應(yīng)結(jié)合安全性和舒適性的要求。安全性（或緊急情況）方面的要求，源于對(duì)檢測(cè)與碰撞相關(guān)事件的需求，這些事件涉及到移動(dòng)的物體、不能從上面碾壓過(guò)去的物體以及不能從下面穿行的物體。舒適性對(duì)于用戶體驗(yàn)來(lái)說(shuō)也是一個(gè)重要因素，應(yīng)避免出現(xiàn)突然停車、急轉(zhuǎn)彎或任何其他意外動(dòng)作。當(dāng)把性能因素考慮在內(nèi)時(shí)，舒適性和安全性的結(jié)合就形成了一系列細(xì)致入微的要求。自動(dòng)駕駛汽車的設(shè)計(jì)行駛速度越快，在高速公路自動(dòng)駕駛時(shí)對(duì)相應(yīng)的分辨率、探測(cè)范圍和幀率的要求也就越高。不過(guò)，需要注意的是，這種更高的性能只在一個(gè)較小的感興趣區(qū)域（ROI）內(nèi)是必需的，這個(gè)區(qū)域也就是用于遠(yuǎn)距離探測(cè)的視場(chǎng)（FOV）中心部分。
圖10：駕駛中舒適性與安全性要求的對(duì)比
以下表格列出了對(duì)于理解L3級(jí)自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)規(guī)格和性能最為重要的參數(shù)。 在本節(jié)中，將闡述高速公路駕駛的相關(guān)要求，這是L3級(jí)自動(dòng)駕駛激光雷達(dá)的主要應(yīng)用場(chǎng)景。會(huì)探究那些決定激光雷達(dá)設(shè)計(jì)和性能的要求及考量因素，同時(shí)權(quán)衡舒適性與安全性。在本節(jié)結(jié)尾，會(huì)展示一個(gè)頗具挑戰(zhàn)性的、并非罕見(jiàn)的應(yīng)用案例，而該案例已導(dǎo)致多起備受關(guān)注的涉及開(kāi)啟自動(dòng)輔助駕駛功能的L2+車輛的事故。
激光雷達(dá)的安裝位置
人們可能會(huì)認(rèn)為，與L4級(jí)自動(dòng)駕駛以及城市場(chǎng)景相比，L3級(jí)自動(dòng)駕駛平臺(tái)的要求或許會(huì)有所放寬。然而，由于L3級(jí)自動(dòng)駕駛的目標(biāo)車輛主要是私家車，在很多情況下，汽車的設(shè)計(jì)及其外觀會(huì)優(yōu)先于其他所有要求。 外觀決定銷量。 激光雷達(dá)在車輛中的安裝位置對(duì)激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)和車輛的設(shè)計(jì)都有著重大影響。汽車的設(shè)計(jì)很容易決定激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)。
諸如安裝在格柵處、車頂上、擋風(fēng)玻璃后面，或者與前大燈安裝在一起等安裝位置，會(huì)顯著影響以下方面：- 視場(chǎng)FOV - 尺寸和縱橫比 - 環(huán)境條件和氣流 - 車窗的傾斜度、顏色，以及抵御碎石撞擊和各種道路污垢的能力 - 清潔系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
由于上述原因，L3級(jí)自動(dòng)駕駛汽車對(duì)激光雷達(dá)設(shè)計(jì)師的要求，比如今的L4級(jí)自動(dòng)駕駛穿梭巴士或自動(dòng)駕駛出租車更為苛刻，因?yàn)長(zhǎng)3級(jí)自動(dòng)駕駛所使用的激光雷達(dá)不應(yīng)過(guò)于突兀。遺憾的是，汽車設(shè)計(jì)師并不總是認(rèn)為激光雷達(dá)是最具價(jià)值的設(shè)計(jì)元素。在某些情況下，汽車的設(shè)計(jì)在所有技術(shù)要求都確定之前就已經(jīng)完成，而且這些技術(shù)要求并未得到充分考慮。由于汽車設(shè)計(jì)在汽車制造商的層級(jí)體系中處于較高的優(yōu)先級(jí)，工程師們必須適應(yīng)由設(shè)計(jì)所決定的工程要求，而這在很多情況下會(huì)迫使激光雷達(dá)做出重大的設(shè)計(jì)變更。
用于高速公路駕駛的激光雷達(dá)配置
前視激光雷達(dá)由于不存在交叉路口、交通信號(hào)燈，也沒(méi)有包括行人和騎自行車的人在內(nèi)的復(fù)雜城市場(chǎng)景，L3級(jí)自動(dòng)駕駛在高速公路上行駛的要求得以簡(jiǎn)化。這意味著，可能僅需對(duì)行駛車輛的前方視野提供冗余功能。因此，假設(shè)一輛車配備的激光雷達(dá)能夠滿足所有設(shè)計(jì)要求，那么這輛車可能只需要一個(gè)激光雷達(dá)。如果需要額外的冗余功能，多個(gè)激光雷達(dá)會(huì)有所幫助。 這個(gè)感興趣區(qū)域定義了視場(chǎng)、分辨率、幀率和探測(cè)范圍，即便以犧牲乘客的舒適性為代價(jià)，也要確保乘客的安全。我們將其稱為 “安全視場(chǎng)”。需要重點(diǎn)注意的是，由于車輛在近距離內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間更短，因此近距離的安全視場(chǎng)要求比遠(yuǎn)距離的更高。為了避免汽車不必要的制動(dòng)（這會(huì)影響用戶體驗(yàn)），對(duì)近距離的誤報(bào)情況制定了嚴(yán)格的要求。
視場(chǎng)和感興趣區(qū)域
如前所述，對(duì)于視場(chǎng)的不同區(qū)域，分辨率和探測(cè)范圍的要求是不同的。將這些要求劃分到兩個(gè)不同的區(qū)域，這兩個(gè)區(qū)域共同構(gòu)成了所有的要求。不出所料，視場(chǎng)中心的要求更高，因?yàn)橥ǔ＜僭O(shè)激光雷達(dá)安裝在汽車的中心位置，且正對(duì)著汽車行駛的方向。 可以增加視場(chǎng)中選定區(qū)域（即感興趣區(qū)域）的探測(cè)范圍和分辨率。感興趣區(qū)域是指汽車應(yīng)在遠(yuǎn)距離檢測(cè)到危險(xiǎn)，并在足夠的時(shí)間內(nèi)避免發(fā)生安全事故的區(qū)域。
通過(guò)在感興趣區(qū)域（ROI）內(nèi)動(dòng)態(tài)聚焦激光能量，同時(shí)減少向ROI以外區(qū)域提供的激光能量，可增加探測(cè)范圍。感興趣區(qū)域可以獨(dú)立配置，并且可以位于視場(chǎng)（FOV）內(nèi)的任何位置。 激光雷達(dá)性能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵考量因素為了理解駕駛需求，必須首先明確所考慮的規(guī)格參數(shù)。激光雷達(dá)的描述方式與相機(jī)非常相似，同時(shí)還有一些與相機(jī)無(wú)關(guān)的考量因素。
1. 水平視場(chǎng)（HFOV）：激光雷達(dá)在每一幀中能夠捕捉到的水平角度。
2. 垂直視場(chǎng)（VFOV）：激光雷達(dá)在每一幀中能夠捕捉到的垂直角度。
3. 水平分辨率（HRes）：同一行像素之間的角度間隔。
4. 垂直分辨率（VRes）：同一列像素之間的角度間隔。
5. 探測(cè)范圍：在特定光照條件下，每個(gè)像素針對(duì)特定反射率所能達(dá)到的預(yù)期最大測(cè)量范圍。
6. 幀率：所有像素每秒刷新的次數(shù)。
水平視場(chǎng)
- 水平視場(chǎng)考量因素：為了實(shí)現(xiàn)安全舒適的駕駛，需要寬闊的水平視場(chǎng)（HFOV）。HFOV越寬，車輛就越能更好地預(yù)測(cè)與碰撞相關(guān)的物體并對(duì)其進(jìn)行跟蹤。HFOV應(yīng)能夠檢測(cè)到插隊(duì)情況，即超車車輛突然進(jìn)入本車車道。檢測(cè)插隊(duì)情況所需的最小視場(chǎng)為120°。
圖13：水平視場(chǎng)（HFOV）的考量因素
該分析的假設(shè)條件如下：
1. 激光雷達(dá)安裝在汽車的格柵處。如果是安裝在車頂上，所需的視場(chǎng)（FOV）會(huì)更低，因?yàn)榧す饫走_(dá)所處的位置能夠更早地檢測(cè)到車輛插隊(duì)的情況。?2. 本車的寬度約為1.9米。更寬的車輛可能需要更寬的視場(chǎng)。?3. 對(duì)于高速公路場(chǎng)景的應(yīng)用案例，超車車輛的長(zhǎng)度為1.6米或更長(zhǎng)。4. 車道標(biāo)線之間的距離為3.7米。汽車中心與車道標(biāo)線內(nèi)側(cè)的距離為1.875米。本車側(cè)面與車道標(biāo)線之間有90厘米的安全余量。?5. 當(dāng)以非常低的速度行駛或在交通嚴(yán)重?fù)矶碌那闆r下，汽車的超聲波傳感器能夠檢測(cè)到距離相鄰車輛側(cè)面最遠(yuǎn)1米的范圍。?6. 超車車輛的行駛速度與本車相似或高于本車。?7. 為了高度確信地檢測(cè)和分類物體，必須檢測(cè)到相鄰車道車輛前部至少40厘米的長(zhǎng)度。?8. 快速行駛的車輛可以以大約5°的角度進(jìn)行橫向變道。在時(shí)速130公里的情況下，橫向速度為每秒3.14米。假設(shè)幀率為20幀每秒，且至少在三幀畫(huà)面中檢測(cè)到（目標(biāo)車輛），在本車做出反應(yīng)之前，超車車輛可以行駛47厘米。
為了檢測(cè)到超車車輛的前部，在幀率為20幀每秒的情況下，大約需要120°的水平視場(chǎng)（HFOV）。如果幀率更低，就需要更大的安全余量，并且水平視場(chǎng)也應(yīng)該相應(yīng)增大。?圖14：激光雷達(dá)安裝在格柵處時(shí)的車輛插隊(duì)場(chǎng)景
如下所示，安裝在車頂上的激光雷達(dá)檢測(cè)車輛插隊(duì)情況時(shí)所需的水平視場(chǎng)（HFOV）較低。?
感興趣區(qū)域（ROI）的水平視場(chǎng)
最小的ROI視場(chǎng)必須能夠應(yīng)對(duì)由不同道路坡度、汽車加減速、風(fēng)以及傳感器方向在線校準(zhǔn)誤差所引起的快速變化。所有這些誤差都必須由ROI內(nèi)充足的固定視場(chǎng)來(lái)覆蓋，而不能通過(guò)操控激光雷達(dá)掃描來(lái)補(bǔ)償。對(duì)場(chǎng)景的最低限度理解也要求具備掃描多個(gè)車道和不同類型道路曲率的能力。此外，還需要額外的視場(chǎng)作為緩沖，以考慮到工廠裝配時(shí)的公差。
圖16：水平視場(chǎng)中感興趣區(qū)域（ROI）的考量因素
該角度（半水平感興趣區(qū)域角度，即 half HROI）是從一個(gè)通過(guò)弧長(zhǎng)公式計(jì)算得出的角度中提取出來(lái)的。
道路曲率最小半徑（R） = 280 米
最大安全檢測(cè)范圍（A） = 100 米
偏航容差為 1.5°（安裝容差） + 0.1°（偏航校準(zhǔn)誤差）
自車車道邊界 = 1.5 倍車道寬度 + 1 米 = -6.625 米
（偏航角度）+3.5°（車道邊界角度）～15°
感興趣區(qū)域（ROI）的水平視場(chǎng)角 = 2α（自車車道兩側(cè)）～30°既然已經(jīng)確定了水平視場(chǎng)（HFOV），并且知道了最小檢測(cè)距離為100米，那么我們就可以計(jì)算出車輛行駛的速度。我們確定該速度為每小時(shí)130公里（每小時(shí)80英里）。
請(qǐng)注意，道路曲率通常會(huì)限制車輛的最高速度。自動(dòng)駕駛汽車架構(gòu)師可以通過(guò)考慮由最高速度得出的最大檢測(cè)范圍來(lái)調(diào)整感興趣區(qū)域的水平視場(chǎng)角（ROI HFOV）。 垂直視場(chǎng) 垂直視場(chǎng)相關(guān)考量 垂直視場(chǎng)角（VFOV）由其向下和向上的需求所定義。所需的表面檢測(cè)是由距離約3米處地面（小物體）的最低檢測(cè)要求來(lái)界定的 。
圖19：激光雷達(dá)的安裝選項(xiàng)
用于確定格柵安裝垂直視場(chǎng)角中α和β值的公式為：
為了在發(fā)現(xiàn)激光雷達(dá)的掃描角度偏離理想掃描角度時(shí)，將其掃描模式調(diào)整到正確位置，可調(diào)節(jié)的垂直視場(chǎng)角（VFOV）是很有必要的。掃描位置偏離正確位置可能有以下幾個(gè)原因：?- 激光雷達(dá)安裝在車身上的過(guò)程中存在安裝公差不夠精確的情況。?- 由于負(fù)載不均衡或車輛老化導(dǎo)致車輛姿態(tài)發(fā)生變化。?- 車輛在高速行駛時(shí)懸架發(fā)生變化。
上述公式僅作為一個(gè)示例。汽車制造商需要考慮他們計(jì)劃安裝激光雷達(dá)的所有車型中激光雷達(dá)的安裝位置，因?yàn)榘惭b位置決定了激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)和性能。 對(duì)于安裝在格柵處、高度為50厘米的情況，垂直視場(chǎng)角（VFOV）的總和應(yīng)為25°至40°。垂直方向的要求是由檢測(cè)從車輛上突出的裝載貨物（高度約為1.5米）以及檢測(cè)可行駛下方的物體（如低矮橋梁）的需求所決定的。垂直視場(chǎng)角（VFOV）的要求也應(yīng)根據(jù)安裝高度（格柵、車頂、擋風(fēng)玻璃或前大燈）來(lái)計(jì)算。車頂安裝的情況下，對(duì)垂直視場(chǎng)角（VFOV）的要求應(yīng)該較低，因?yàn)闄z測(cè)突出物體相對(duì)更容易，而且發(fā)動(dòng)機(jī)罩會(huì)阻擋向下的視野。
?感興趣區(qū)域（ROI）的垂直視場(chǎng)角
感興趣區(qū)域（ROI）的垂直視場(chǎng)角是由一個(gè)視角決定的，該視角能夠適應(yīng)不同的道路坡度，以確保在遠(yuǎn)距離時(shí)仍能檢測(cè)到道路上的任何小物體?？偟拇怪币晥?chǎng)角（VFOV）大于感興趣區(qū)域（ROI）的垂直視場(chǎng)角，但垂直視場(chǎng)角（VFOV）其他部分的探測(cè)范圍和分辨率要求較低。感興趣區(qū)域（ROI）的最小視場(chǎng)角必須能夠應(yīng)對(duì)駕駛條件的快速變化，例如不同的道路坡度、汽車的加速和減速以及風(fēng)力，還有傳感器校準(zhǔn)中的在線誤差。感興趣區(qū)域（ROI）足夠的固定視場(chǎng)角必須考慮到所有這些誤差。這些誤差無(wú)法通過(guò)調(diào)整激光雷達(dá)的掃描來(lái)補(bǔ)償，因?yàn)樗鼈兺兓杆偾覠o(wú)法預(yù)測(cè)，因此只能通過(guò)更大的垂直視場(chǎng)角（VFOV）來(lái)補(bǔ)償。 對(duì)于掃描式激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，10°的垂直視場(chǎng)角足以消除可能導(dǎo)致有效垂直視場(chǎng)角發(fā)生變化的因素，例如裝配公差、底盤老化、車輛載重等。這些因素是具有足夠動(dòng)態(tài)范圍的掃描式激光雷達(dá)能夠補(bǔ)償?shù)摹?/p>
圖20：垂直視場(chǎng)角（VFOV）的感興趣區(qū)域（ROI）
足夠的垂直視場(chǎng)角（VFOV）對(duì)于消除掃描線之間的間隙來(lái)說(shuō)是必要的。需要一個(gè)密集的感興趣區(qū)域（ROI），以便汽車能夠檢測(cè)到那些車輛無(wú)法安全駛過(guò)的物體，因?yàn)檫@些物體可能會(huì)損壞汽車，甚至可能會(huì)傷害車內(nèi)的乘客。任何高度超過(guò)14厘米（這是標(biāo)準(zhǔn)乘用車的懸架長(zhǎng)度或底盤高度）的物體都可能損壞汽車。如果掃描線之間存在間隙，汽車就無(wú)法判斷某個(gè)物體是否超過(guò)了在一定速度下行駛時(shí)可能會(huì)損壞汽車的高度。因此，一旦識(shí)別出這樣的物體，就有必要讓汽車在安全距離處停下。 閃光式激光雷達(dá)（無(wú)法調(diào)整其光束方向）將需要額外增加5°的感興趣區(qū)域（垂直視場(chǎng)角，總共為15°）。
圖21：可調(diào)節(jié)的垂直視場(chǎng)角（VFOV）
分辨率
感興趣區(qū)域（ROI）之外的分辨率
感知軟件檢測(cè)目標(biāo)的能力取決于為了能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行高可信度的識(shí)別和分類而需要在目標(biāo)上檢測(cè)到的最少像素?cái)?shù)量。距離越近，所需的分辨率就越低。在150米的距離處，分辨率為0.05°時(shí)，每個(gè)像素的高度為13厘米。而在50米的距離處，則需要0.15°的分辨率才能達(dá)到相同的像素尺寸。
圖22：感興趣區(qū)域（ROI）之外的分辨率
然而，只要分辨率足夠高，檢測(cè)人的所需像素?cái)?shù)量可能是相同的，無(wú)論他們距離多遠(yuǎn)。這是基于這樣一個(gè)假設(shè)，即感知層在安全區(qū)域內(nèi)對(duì)物體進(jìn)行分類和識(shí)別的能力應(yīng)保持相同水平的置信度。至少需要 2x4（水平×垂直）個(gè)像素才能檢測(cè)并識(shí)別人。
圖23：感知層對(duì)不同距離處人的識(shí)別情況
如果沒(méi)有足夠數(shù)量的像素，一名行人將會(huì)被識(shí)別為一個(gè)移動(dòng)物體，而不會(huì)被識(shí)別為行人。
圖24：行人分類要求?為了實(shí)現(xiàn)良好的軌跡預(yù)測(cè)，分類是很重要的。 感興趣區(qū)域（ROI）內(nèi)的水平分辨率 為了在遠(yuǎn)距離時(shí)更有可能對(duì)易受傷害道路使用者（VRUs）進(jìn)行正確的識(shí)別和分類，就需要更高的水平分辨率。假設(shè)在150米處有一名寬度約為40厘米的行人，使用0.07°的分辨率能夠在水平方向上檢測(cè)到2至3個(gè)像素。
圖25：水平分辨率的考量因素 感興趣區(qū)域（ROI）內(nèi)的垂直分辨率 感興趣區(qū)域（ROI）內(nèi)所需的分辨率是由這樣一種物體的高度決定的：該物體在一定速度下可能會(huì)損壞汽車或?qū)е缕嚪嚒Ｓ捎跇?biāo)準(zhǔn)乘用車的懸架長(zhǎng)度或底盤高度為14厘米，所以任何高度超過(guò)14厘米的物體，如果汽車從上面駛過(guò)，都可能會(huì)損壞汽車。
圖26：垂直分辨率
需要一個(gè)密集的感興趣區(qū)域（ROI），以便汽車能夠檢測(cè)到那些無(wú)法從上面駛過(guò)的物體，因?yàn)樗鼈兛赡軙?huì)損壞汽車，并有可能傷害車內(nèi)的人員。如果掃描線之間存在間隙，汽車就無(wú)法判斷一個(gè)超過(guò)一定高度的物體可能會(huì)損壞汽車。因此，一旦識(shí)別出這樣的物體，就必須讓汽車在安全距離處停下。 為了避免在車輛可行駛區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)誤報(bào)，并在檢測(cè)時(shí)達(dá)到足夠的置信度，在多個(gè)幀中必須至少檢測(cè)到兩個(gè)垂直像素。在大約100米的距離處，需要0.05°的分辨率，以確保能夠檢測(cè)到一個(gè)高度為14厘米的目標(biāo)上的兩個(gè)連續(xù)像素。這就將在干燥路面上的L3級(jí)自動(dòng)駕駛速度限制在130公里/小時(shí)。具體解釋見(jiàn)下文。 分辨率和檢測(cè)距離的重要性再怎么強(qiáng)調(diào)都不為過(guò)。單個(gè)被檢測(cè)到的像素所代表的物體大小，會(huì)根據(jù)激光雷達(dá)的檢測(cè)距離和角分辨率而有所不同。例如，在200米的距離處，一個(gè)由分辨率為0.05°的激光雷達(dá)檢測(cè)到的像素，可能是一個(gè)高度為1厘米、反光性很強(qiáng)的物體，汽車可以忽略它；也可能是一個(gè)高度為17厘米、反光性較弱的物體，汽車不能忽略它。即使激光雷達(dá)能夠在500米的距離處檢測(cè)到一個(gè)像素，也需要足夠的分辨率來(lái)確定汽車應(yīng)做出的反應(yīng)。
圖 27：一個(gè)像素內(nèi)物體的高度模糊性感興趣區(qū)域（ROI）的垂直尺寸由一個(gè)視角決定，該視角能夠適應(yīng)不同的道路坡度，以確保道路上的任何小物體在遠(yuǎn)距離時(shí)都能被檢測(cè)到。雖然總的垂直視場(chǎng)角（VFOV）大于感興趣區(qū)域（ROI）的垂直視場(chǎng)角，但垂直視場(chǎng)角（VFOV）的其余部分對(duì)探測(cè)范圍和分辨率的要求較低。
探測(cè)距離
感興趣區(qū)域（ROI）內(nèi)的探測(cè)距離
激光雷達(dá)的探測(cè)距離由幾個(gè)影響其性能的參數(shù)決定，例如物體的反射率、激光雷達(dá)的靈敏度，以及它對(duì)環(huán)境噪聲和環(huán)境條件的適應(yīng)能力。
假設(shè)激光雷達(dá)具有足夠的分辨率，隨著檢測(cè)距離的增加，汽車的反應(yīng)會(huì)更加平穩(wěn)。以 80 英里每小時(shí)（130 公里每小時(shí)）的速度舒適駕駛，要求汽車能夠識(shí)別至少 200 米外的易受傷害道路使用者（VRUs）。由于激光雷達(dá)在其使用期限內(nèi)可能出現(xiàn)性能下降，或者受到天氣條件的影響，建議探測(cè)距離超過(guò) 200 米。
圖 28：影響感興趣區(qū)域（ROI）探測(cè)距離能力的因素
由于檢測(cè)到的物體由多個(gè)像素組成，應(yīng)以 95%-97% 的真陽(yáng)性率（TPR）檢測(cè)到物體。在足夠的分辨率下，若物體能被檢測(cè)到 6 個(gè)或更多像素，總 TPR 可超過(guò) 99.9999%（假設(shè)每個(gè)像素的檢測(cè)概率為 0.5 且像素間獨(dú)立）。
感興趣區(qū)域（ROI）外的探測(cè)距離
遠(yuǎn)距離和短距離檢測(cè)需考慮不同因素。一般而言，探測(cè)器的原生分辨率越高，每個(gè)像素收集的光量越少，這會(huì)降低探測(cè)距離能力。這種權(quán)衡在檢測(cè)大型深色物體（如黑色車輛）時(shí)尤為明顯 —— 這類物體更容易被低原生分辨率的激光雷達(dá)檢測(cè)到。
大多數(shù)激光雷達(dá)方案需要在提高分辨率和降低每像素靈敏度（從而導(dǎo)致探測(cè)距離縮短）之間權(quán)衡。例如：黑色金屬車輛因尾部存在逆向反射器（如車牌或尾燈上的塑料透鏡），可在 150 米距離以 10% 反射率被檢測(cè)。相鄰車道行駛的黑色金屬車輛在 50 米距離需以 1% 反射率檢測(cè)。
圖29：感興趣區(qū)域（ROI）外的探測(cè)距離
幀率
幀率的定義是每秒內(nèi)所有像素被完全刷新的次數(shù)。每秒20幀（FPS）意味著每1/20秒激光雷達(dá)會(huì)提供一個(gè)新的幀，其中所有像素的測(cè)量均不依賴前一幀的數(shù)據(jù)。更高的幀率能帶來(lái)更長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間和更快的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)能力。通過(guò)連續(xù)采集多幀可以提升性能。例如，采用“7幀中4幀”（4-out-of-7, 4oo7）的最佳實(shí)踐（即連續(xù)7幀中有4幀檢測(cè)到目標(biāo)）可確保足夠的檢測(cè)置信度和真陽(yáng)性率（TPR），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的準(zhǔn)確檢測(cè)。
圖30：幀率的考量因素
同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率、高幀率與大垂直視場(chǎng)角（VFOV）的挑戰(zhàn)
在前文中，分別討論了激光雷達(dá)的各項(xiàng)性能參數(shù)。盡管激光雷達(dá)的規(guī)格參數(shù)在數(shù)據(jù)表中獨(dú)立定義，但某些參數(shù)的上限通常是單獨(dú)測(cè)量的，而非在同時(shí)滿足所有其他參數(shù)的條件下測(cè)得。然而，激光雷達(dá)必須能夠在實(shí)際運(yùn)行中同時(shí)滿足所有參數(shù)的要求。在評(píng)估激光雷達(dá)時(shí)，需綜合考慮各項(xiàng)規(guī)格和參數(shù)之間的相互制約關(guān)系，因?yàn)閮?yōu)化單一參數(shù)往往需要犧牲其他性能。由于參數(shù)間存在依賴關(guān)系，必須避免因調(diào)整某一參數(shù)而導(dǎo)致其他參數(shù)性能下降。 ?示例：幀率、分辨率與垂直視場(chǎng)角（VFOV）的相互制約，假設(shè)某激光雷達(dá)的工作幀率為10FPS（每秒10幀），且支持每秒640線的掃描能力，則每幀最多可覆蓋64線。若需在10FPS下實(shí)現(xiàn)0.05°的分辨率，其垂直視場(chǎng)角（VFOV）僅能覆蓋3.2°（計(jì)算方式：64線 × 0.05°/線 = 3.2°）。若進(jìn)一步提高幀率（例如增加至20FPS），在相同掃描線數(shù)下，垂直視場(chǎng)角（VFOV）將進(jìn)一步縮小。這一案例表明，分辨率、幀率與VFOV之間存在嚴(yán)格的資源分配矛盾。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需通過(guò)系統(tǒng)級(jí)權(quán)衡（如掃描模式優(yōu)化、多傳感器融合）來(lái)突破單一參數(shù)的限制，以滿足自動(dòng)駕駛對(duì)感知性能的綜合需求。
圖31：配置權(quán)衡-反射率響應(yīng)
反射率數(shù)據(jù)是通過(guò)測(cè)量每個(gè)像素收集到的光量生成的。通過(guò)根據(jù)測(cè)量距離對(duì)該值進(jìn)行歸一化處理，可以提取出物體的反射率。這一信息有助于識(shí)別車道標(biāo)線，并提升對(duì)車輛和行人的分類準(zhǔn)確性。 ?反射率的定義與測(cè)量原理是物體的反射率定義為實(shí)際收集到的光量與理想白色朗伯表面（所有光線以朗伯方式散射且不吸收任何光）預(yù)期散射回的光量之間的比值。反射率范圍可在0%至數(shù)百百分比之間，其中100%反射率對(duì)應(yīng)理想白色物體（以朗伯方式全反射）。朗伯表面被定義為一種"理想無(wú)光澤表面"，無(wú)論觀察者的視角如何，其接收到的光量均相同。
圖32：反射率的考量因素
漫反射表面會(huì)均勻散射光線，而鏡面（類似鏡子）物體則沿特定方向反射光線?；谶@一現(xiàn)象，主動(dòng)傳感器需要以接近法線的入射角來(lái)檢測(cè)鏡面表面的反射。這一特性被逆反射器所利用：通過(guò)將多個(gè)鏡面排列組合，使得從寬角度范圍進(jìn)入的光線在多次反射后沿入射方向返回。這種設(shè)計(jì)可使反射光強(qiáng)度達(dá)到理想漫反射表面的數(shù)倍。此外，高透射表面（透明材料，如玻璃）反射的光極少，且其反射光通常為鏡面反射。這導(dǎo)致當(dāng)入射角從銳角變?yōu)榇怪睍r(shí)，表面會(huì)突然“顯現(xiàn)”。如黑色金屬車輛因兼具深色與金屬（類鏡面）特性，反射率極低。以下是不同物體及其預(yù)期反射率的示例。
圖33：不同反射率水平的物體
自動(dòng)駕駛面臨的挑戰(zhàn)?應(yīng)對(duì)高速公路安全事件
自動(dòng)駕駛平臺(tái)由功能安全工程師設(shè)計(jì)，這些工程師會(huì)分析所有可能的駕駛場(chǎng)景。系統(tǒng)必須通過(guò)必要的冗余措施來(lái)降低每一個(gè)可預(yù)見(jiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。工程師們會(huì)分析數(shù)百個(gè)這樣的場(chǎng)景，然后將其轉(zhuǎn)化為對(duì)系統(tǒng)和激光雷達(dá)的要求。以下是一個(gè)邊緣案例場(chǎng)景，它有助于確定激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)要求。該場(chǎng)景描述了一輛以130公里/小時(shí)（80英里/小時(shí)）行駛的車輛（“后車”）跟隨著一輛以相近速度行駛的前車。后車行駛在相鄰車道的兩輛車之間，無(wú)法變道。前車遮擋住了一個(gè)位于前方100米處、高度略高于14厘米的物體。
前車在最后一刻變道，露出了一個(gè)在120米處的物體。（此時(shí)）后車無(wú)法判斷該物體是否可以從上面駛過(guò)。
由于水平和垂直方向上感興趣區(qū)域（ROI）的視野范圍較大，即便道路存在坡度或彎道，當(dāng)后車開(kāi)始變道時(shí)，也能立刻檢測(cè)到該物體。又因?yàn)榫邆漭^高的水平分辨率，即使物體部分被遮擋，也能夠被檢測(cè)到。
該系統(tǒng)需要在7幀圖像中有4幀檢測(cè)到危險(xiǎn)情況，以便在實(shí)施緊急制動(dòng)時(shí)具備足夠的置信度。在垂直分辨率為0.05°的情況下，后車在距離120米處無(wú)法確定那個(gè)14厘米高的物體是否可以從上面駛過(guò)。只有在距離100米處，后車才能以高置信度在7幀圖像中檢測(cè)到4幀存在該危險(xiǎn)物體的情況。
圖37：以高真陽(yáng)性率（TPR）檢測(cè)到“7幀中4幀”（4oo7）的情況
圖38：以高真陽(yáng)性率（TPR）檢測(cè)到“7幀中4幀”（4oo7）的情況?在幀率為20幀每秒（20FPS）的情況下，以130公里每小時(shí)行駛的后車在0.35秒內(nèi)會(huì)行駛12.5米。在那個(gè)距離下，它會(huì)實(shí)施緊急制動(dòng)，而制動(dòng)系統(tǒng)的完全機(jī)械延遲約為0.5秒，在此期間車輛會(huì)再行駛18米。車輛只有在距離目標(biāo)70米時(shí)才會(huì)開(kāi)始減速。通過(guò)非常強(qiáng)力且會(huì)讓駕乘人員感到不適的制動(dòng)，車輛會(huì)在距離物體4.5米處停下。 ?以下對(duì)那些能夠改善反應(yīng)時(shí)間并增加制動(dòng)距離的參數(shù)進(jìn)行的敏感性分析表明，與探測(cè)距離或幀率相比，垂直分辨率提升100%所帶來(lái)的效益是最大的。
雖然上述例子是一個(gè)極端場(chǎng)景，但從這個(gè)用例中我們可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：
1. 如果后車在距離物體小于95米時(shí)才檢測(cè)到它，那就無(wú)法避免碰撞。假設(shè)在最糟糕的情況下，當(dāng)車輛以130公里每小時(shí)的速度行駛時(shí)，需要有100米的清晰視線范圍。
2. 如果路面是濕滑的，所需的制動(dòng)時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，因?yàn)槠噾?yīng)該減速行駛。始終考慮不同的路面狀況是至關(guān)重要的。
3. 上述例子假設(shè)幀率為20幀每秒（20FPS）。如果幀率更低，就需要更長(zhǎng)的清晰視線范圍。
4. 即使系統(tǒng)能夠在500米的范圍內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，也只有在具備足夠的分辨率和幀率的情況下，才能檢測(cè)到物體。
5. 在這種情況下，一些駕駛決策措施可能會(huì)有所幫助，例如當(dāng)檢測(cè)到前車變道時(shí)自動(dòng)減速。
6. 在定義緊急制動(dòng)場(chǎng)景下的激光雷達(dá)性能要求時(shí)，必須考慮每輛車的懸架高度和制動(dòng)能力。
InnovizTwo為高速公路自動(dòng)駕駛駕駛優(yōu)化的設(shè)計(jì)旨在確保安全且舒適的駕駛體驗(yàn)。它具備前所未有的分辨率、幀率和探測(cè)范圍。高垂直分辨率使得它能夠在遠(yuǎn)距離檢測(cè)到小型物體。其設(shè)計(jì)基于從 InnovizOne 中獲得的寶貴經(jīng)驗(yàn)，InnovizOne 被應(yīng)用于寶馬的第一代自動(dòng)駕駛汽車中。它的設(shè)計(jì)還得益于與領(lǐng)先的汽車原始設(shè)備制造商（OEM）數(shù)千小時(shí)的需求探討。 ?InnovizTwo 采用了與 InnovizOne 相同的經(jīng)濟(jì)高效的 905 納米激光技術(shù)和專有專用集成電路（ASIC），此外還配備了一個(gè)具有更高光子探測(cè)效率的探測(cè)器和下一代掃描器。其硬件設(shè)計(jì)得到了簡(jiǎn)化，組件更少。它的性能比 InnovizOne 更高，而且預(yù)計(jì)成本將降低 70%。InnovizTwo 支持 -40°C 至 +85°C 的溫度范圍，配備千兆以太網(wǎng)硬件接口，以及與車輛域控制器的直接軟件接口。它還包含可通過(guò)空中下載（OTA）進(jìn)行升級(jí)的固件，這使得可以進(jìn)行遠(yuǎn)程功能更新，并在無(wú)需更換任何硬件的情況下將車輛從 L2+ 級(jí)別升級(jí)到 L3 級(jí)別。系統(tǒng)軟件從一開(kāi)始就按照汽車軟件過(guò)程改進(jìn)及能力測(cè)定（ASPICE）、ISO 26262 和汽車工業(yè)軟件可靠性協(xié)會(huì)（MISRA）的汽車軟件開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 ?這款激光雷達(dá)將具備完整的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)。
