机遇
激光雷达在智能机器生态系统中有很多机遇。与使用二维图像相比,点云能够更容易的被计算机使用,用于构建物理环境的三维形象——二维图像是人脑最容易理解的数据,而对于计算机来说,点云是最容易理解的。
Scanse的一款价值250美元的名为“sweep”的二维激光雷达扫描器可在户外使用,并专为移动、低功耗应用而设计。它只用了竞争对手近四分之一的成本,这将给这类传感器带来全新的应用(我们在很多其他类型的传感器中已经看到过这样的现象)。
二维激光雷达也可以被搭载到另一个旋转的
元件上以产生环境中完整的三维点云。
其他公司正在寻求降低系统成本的其他策略,例如Quanergy的固态激光雷达。该系统大体与上文已介绍的系统相同,然而,与使用旋转光学器件来移动光束不同的是,它们使用 “相控阵列光学系统”来引导激光脉冲的方向,它可以在某一方向上释放一个激光脉冲,而让下一个脉冲(1微秒之后)瞄准视野中的其它地方。
它能够实时关注视野范围内看似移动的物体,这是对人类驾驶员的模仿——后者能及时注意到即将进入汽车所行驶的道路的障碍物。
Quanergy系统被设计为能在没有机械移动的情况下做到这一点,并且每秒采样大约100万个数据点——这与64线旋转激光雷达的速度相当,却能显著降低成本。它另一个优势是更容易被集成在反光镜和保险杠等其他汽车部件上。
另外,更大和功率更高的系统也正在开发中,它可以从在3万英尺高度飞行的飞机上对地面成像,其分辨率足以能够看到地面上的车辆。虽然这些系统的市场需求更小,且成本更高,但其发展将继续降低传感器技术的整体成本。
挑战
由于激光雷达基于对激光脉冲返回传感器所需时间的测量,因此高反射率的表面会带来问题。大多数材料从微观水平上看表面粗糙,并且向所有方向散射光;这类散射光的一小部分返回到传感器,并且足以产生距离数据。然而,如果表面反射率非常高,光就会向远离传感器的方向散射,那么这一区域的点云就会不完整。
空气中的环境也可以对激光雷达读数造成影响。记录显示,大雾和大雨会减弱发射的激光脉冲而对激光雷达造成影响。为了解决这些问题,较大功率的激光器投入使用,但它对于较小的、移动或对功率敏感的应用来说并不是一个好的解决方案。
激光雷达系统面临的另一个挑战是旋转时的刷新率相对较慢。系统的刷新速率受复杂的光学器件旋转速度的限制。激光雷达系统最快的旋转速率大约是10Hz,这限制了数据流的刷新速率。
当传感器旋转时,以60英里/小时行驶的汽车在1/10秒内行进8.8英尺,因此传感器对于在汽车驶过期间在这8.8英尺内发生的变化基本上是看不清的。更重要的是,激光雷达覆盖的范围(在完美条件下)为100-120米,这对于以60英里/小时行驶的汽车来说仅相当于不到4.5秒的行驶时间。
也许对于激光雷达来说,高昂的设备成本是它需要克服的最大挑战。尽管自该技术得到应用以来其成本已大幅降低,但仍然是它被大范围采用的一个重要障碍。
对于主流汽车工业来说,一个价值2万美元的传感器将无法被市场接受。Elon Musk(特斯拉CEO)说:“我不认为它对于汽车的发展是有意义的,我认为它不是必须的。”
最后,虽然我们将激光雷达视为计算机视觉的一个组件,但点云却是完全基于几何呈现的。相反,人眼除了形状之外还能识别物体的其他物理属性,比如颜色和纹理。
现在的激光雷达系统不能区分纸袋和岩石之间的差别,而这本应是传感器理解和试图避开障碍物时考虑的因素。