激光雷达基础入门笔记1：理解点云生成 - 激光雷达的种类划分

目前激光雷达的分类标准有很多种，常见的一种是按照内部有无旋转部件来划分，可以分为机械旋转激光雷达、混合式激光雷达以及固态激光雷达。

1）机械式激光雷达：

通过机械旋转实现激光扫描的激光雷达，激光发射部件在竖直方向上排布成激光光源线阵，可通过透镜在竖直面内产生不同指向的激光光束；在步进电机的驱动下持续旋转，竖直面内的激光光束由“线”变成“面”，经旋转扫描形成多个激光“面”，从而实现探测区域内的3D扫描；

2）混合式激光雷达（MEMS）：

将微机电系统（MEMS）与振镜结合形成MEMS振镜，通过振镜旋转完成激光扫描，驱动电路驱动激光器产生激光脉冲同时驱动MEMS振镜旋转，激光在旋转振镜的反射下实现扫描，经发射光学单元准直后射出；

3）固态激光雷达：

取消了机械扫描结构，水平和垂直方向的激光扫描均通过电子方式来实现，相比于MEMS激光保留“微动”机械结构，其电子化更彻底。
固态激光雷达主要包括光学相控阵（OPA）激光雷达和面阵闪光（Flash）激光雷达两种。

• a：光学相控阵（OPA）激光雷达，是由若干发射接收单元组成一个矩形阵列，通过改变阵列中不同单元发射光线的相位差，达到调节发射波角度和方向的目的；激光光源经过光分束器后进入光波导阵列，在波导上通过外加控制的方式改变光波的相位，利用波导间的光波相位差来实现光束扫描；
• b：面阵闪光（Flash）激光雷达：采用类似相机的工作模式，运行时，直接法射出一大片覆盖探测区域的激光，随后由高灵敏度接收器阵列计算每个像素对应的距离信息，记录光子飞行的时间信息，从而完成对周围环境的绘制。

激光雷达根据安装位置的不同，分类两大类。一类安装在无人车的四周，另一类安装在无人车的车顶。
安装在无人车四周的激光雷达，其激光线束一般小于8，常见的有单线激光雷达和四线激光雷达。
安装在无人车车顶的激光雷达，其激光线束一般不小于16，常见的有16/32/64线激光雷达。

1.1、单线激光雷达

单线激光雷达是目前成本最低的激光雷达。成本低，意味着量产的可能性大。

前两天朋友圈刷屏的“北京首个自动驾驶测试场启用”新闻中出现的福田自动驾驶汽车就使用了4个单线激光雷达，分别布置于无人车的前后左右，用于车身周围障碍物的检测，如下图。

单线激光雷达的原理可以通过下图理解。

单束激光发射器在激光雷达内部进行匀速的旋转，每旋转一个小角度即发射一次激光，轮巡一定的角度后，就生成了一帧完整的数据。因此，单线激光雷达的数据可以看做是同一高度的一排点阵。

单线激光雷达的数据缺少一个维度，只能描述线状信息，无法描述面。如上图，可以知道激光雷达的面前有一块纸板，并且知道这块纸板相对激光雷达的距离，但是这块纸板的高度信息无从得知。

1.2、四线激光雷达

如上图所示，四线激光雷达基本都像这样。

全新的奥迪A8为了实现Level 3级别的自动驾驶，也在汽车的进气格栅下布置的四线激光雷达ScaLa。

有了之前单线激光雷达的原理介绍，四线激光雷达的工作原理就很容易理解了。

如下图所示，不同的颜色代表不同的激光发射器。

四线激光雷达将四个激光发射器进行轮询，一个轮询周期后，得到一帧的激光点云数据。四条点云数据可以组成面状信息，这样就能够获取障碍物的高度信息。

根据单帧的点云坐标可得到障碍物的距离信息。

根据多帧的点云的坐标，对距离信息做微分处理，可得到障碍物的速度信息。

实际应用时，在购买激光雷达的产品后，其供应商也会提供配套的软件开发套件（SDK，Software Development Kit），这些软件开发套件能很方便地让使用者得到精准的点云数据，而且为了方便自动驾驶的开发，甚至会直接输出已经处理好的障碍物结果。

如下图绿的的矩形框即为障碍物相对于自车的位置，矩形框的前端有个小三角，表示障碍物的运动方向。

1.3、16/32/64线激光雷达

16/32/64线的激光雷达的感知范围为360°，为了最大化地发挥他们的优势，常被安装在无人车的顶部。

三款激光雷达的技术参数和成本如下图。

360°的激光数据可视化后，就是大家经常在各种宣传图上看到的效果，如下图。

图中的每一个圆圈都是一个激光束产生的数据，激光雷达的线束越多，对物体的检测效果越好。比如64线的激光雷达产生的数据，将会更容易检测到路边的马路牙子。

16/32/64线的激光雷达只能提供原始的点云信号，没有对应的SDK直接输出障碍物结果。因此各大自动驾驶公司都在点云数据基础上，自行研究算法完成无人车的感知工作。