今年8月，雷鋒網(wǎng)(搜索“雷鋒網(wǎng)”公眾號(hào)關(guān)注)將在深圳舉辦“全球人工智能與機(jī)器人創(chuàng)新大會(huì)”(GAIR)，在本次大會(huì)上，我們將發(fā)布“人工智能與機(jī)器人Top25創(chuàng)新企業(yè)榜“，速騰聚創(chuàng)科技是我們重點(diǎn)關(guān)注的公司之一。今天，我們邀請(qǐng)到了速騰聚創(chuàng)創(chuàng)CEO邱純鑫，為大家?guī)砑す饫走_(dá)與無人駕駛方面的內(nèi)容分享。
嘉賓介紹：邱純鑫，速騰聚創(chuàng)CEO，哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院博士后，多年來致力于機(jī)器人導(dǎo)航與控制的技術(shù)研究，曾完成過包括國家自然科學(xué)基金在內(nèi)的多個(gè)機(jī)器人相關(guān)項(xiàng)目的研發(fā)。
幾年前，激光雷達(dá)還只應(yīng)用在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，而現(xiàn)在這一技術(shù)已經(jīng)逐漸滲透到了消費(fèi)級(jí)市常市面上的機(jī)器人、無人機(jī)以及已經(jīng)上路測試的無人駕駛汽車中都能看到激光雷達(dá)的身影。尤其是無人駕駛領(lǐng)域，因?yàn)楣雀锜o人駕駛汽車率先采用了Velodyne 64線激光雷達(dá)，業(yè)界對(duì)激光雷達(dá)的關(guān)注度持續(xù)上升，激光雷達(dá)正式迎來了自己的高光時(shí)刻，有業(yè)內(nèi)人士稱，激光雷達(dá)已經(jīng)是無人駕駛汽車的標(biāo)配。
那么激光雷達(dá)是如何讓機(jī)器看見世界的？應(yīng)用于無人駕駛汽車的激光雷達(dá)又是如何識(shí)別行人并且實(shí)現(xiàn)壁障功能的呢？它又有什么樣的瓶頸？一起來看看速騰聚創(chuàng)CEO邱純鑫帶來的分享！
幾百和幾十萬的激光雷達(dá)
記者：業(yè)界比較主流的三維重建方案有哪些呢？它們各自的特點(diǎn)是什么？
其實(shí)三維重建方式主要有兩種，一類是視覺方式，另外一類就是激光雷達(dá)?？梢哉f這兩種技術(shù)是各有優(yōu)缺點(diǎn)，二者的應(yīng)用場景也有很大的差異。
利用視覺方式進(jìn)行三維重建的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得豐富的信息量、而且價(jià)格低廉、體積孝實(shí)時(shí)性也好。但它也有非常致命的缺陷，即容易受光照影響、測量距離近(一般不會(huì)超過10米)。
視覺測量可以分為單目+結(jié)構(gòu)光及雙目測量方式。例如，大疆用的是雙目視覺的方式進(jìn)行測距；而昊翔用的是單目+結(jié)構(gòu)光 (realsense)相同的技術(shù)。
另一方面，激光雷達(dá)的測量方式幾乎與視覺方式形成了互補(bǔ)，它的優(yōu)勢在于測量精度高、測量距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定且對(duì)周圍環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，所以激光雷達(dá)非常適合在室外誠使用。不過任何一種方案都不是完美的，激光雷達(dá)也存在無法感知無距離差異的平面內(nèi)目標(biāo)信息、體積較大、價(jià)格比較昂貴的缺點(diǎn)。
激光雷達(dá)作為已經(jīng)市朝的一項(xiàng)技術(shù)，其應(yīng)用場景有很多。而針對(duì)不同的應(yīng)用誠可以做出不同的產(chǎn)品，這里我們可以將激光雷達(dá)分為兩類實(shí)時(shí)性激光雷達(dá)和非實(shí)時(shí)性激光雷達(dá)。非實(shí)時(shí)三維激光雷達(dá)可以做到全方位水平360度，垂直270度掃描，精度達(dá)到毫米級(jí)別。它主要用在建筑、橋梁、考古等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域不要求實(shí)時(shí)，但要求精度高，全方位。
而實(shí)時(shí)三維激光雷達(dá)也叫多線或者多層激光雷達(dá)，是通過多個(gè)激光發(fā)射器和接收器，在一個(gè)維度上的高度旋轉(zhuǎn)。更新頻率可以達(dá)到10Hz。但垂直方向的視場角很小，只有20度左右。垂直方向的點(diǎn)分辨率也比較稀疏。主要應(yīng)用在無人駕駛等實(shí)時(shí)性要求高、精度要求不高的領(lǐng)域，一般情況下精度做到厘米級(jí)就可以了。
記者：很好奇，應(yīng)用與掃地機(jī)器人的激光雷達(dá)方案可以做到幾百元人民幣，而無人駕駛汽車車頂上的“大塊頭”卻要幾十萬，同是激光雷達(dá)它們的區(qū)別在哪？
激光雷達(dá)本身應(yīng)用場景就多，而這些場景對(duì)產(chǎn)品的性能也有不同的需求，所以使用的方案原理也是大相徑庭。
掃地機(jī)器人采用的激光雷達(dá)測量距離近(5-6米)，精度要求不高，測量速率低。一般都是幾千個(gè)點(diǎn)每秒。廠商一般采取的是三角測距的方案，這種技術(shù)的門檻不高，硬件成本也低，這就是為什么它的價(jià)格會(huì)相對(duì)較便宜。
無人駕駛對(duì)激光雷達(dá)的要求非?？量?，首先，需要測量距離足夠遠(yuǎn)，通常情況下要達(dá)到100-120米，精度則在厘米級(jí)；其次，測速要求也高，單個(gè)激光發(fā)射的速率要達(dá)到幾萬個(gè)點(diǎn)每秒，通過多個(gè)激光發(fā)射器達(dá)到實(shí)時(shí)環(huán)境感知的目的。這種激光雷達(dá)屬于脈沖測距方式。相比三角測距方案，它的成本會(huì)要高得多，開發(fā)難度也大。像速騰現(xiàn)在應(yīng)用在建筑、橋梁領(lǐng)域上的SEEKER系列，測量距離100米，測距精度達(dá)到毫米級(jí)，單個(gè)激光頭達(dá)到幾萬次測量，采用的就是這種方案。
無人駕駛汽車的“眼睛”
記者：以無人駕駛為例，評(píng)價(jià)激光雷達(dá)性能好壞有哪些參數(shù)指標(biāo)？這些分別影響哪些性能？
測量距離、測量精度、測量速率、角度分辨率是決定三維激光雷達(dá)性能的幾個(gè)重要指標(biāo)。
例如，在無人駕駛汽車這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)激光雷達(dá)的探測距離是有要求的。比如說高速公路上要能夠檢測到前方車輛，還有在十字路口上，要能夠觀測馬路對(duì)面的汽車。
有趣的是，精度不是越高越好。激光雷達(dá)獲取的的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行障礙物識(shí)別、動(dòng)態(tài)物體檢測及定位，如果精度太差就無法達(dá)到以上目的；但是，精度太好也有問題，高精度對(duì)激光雷達(dá)的硬件提出很大的要求，計(jì)算量會(huì)非常大，成本也會(huì)非常高。所以精度應(yīng)該是適中就好。
還有一點(diǎn)不能忽視的是角分辨率，角分辨率決定打出去后的兩個(gè)激光點(diǎn)之間的距離。單點(diǎn)測距精度達(dá)到后，如果打到物體表面兩點(diǎn)間距離(點(diǎn)位)太遠(yuǎn)，測距精度也就失去意義了。
記者：搭載激光雷達(dá)的無人駕駛汽車是怎么判別行人及其它障礙物的呢？識(shí)別之后如何實(shí)現(xiàn)壁障功能？
無人駕駛汽車之所以不需要駕駛員其操作，就是因?yàn)樗茏詣?dòng)識(shí)別道路信息和行人并且能夠自動(dòng)控制汽車完成壁障等功能。實(shí)現(xiàn)這些的前提是利用激光雷達(dá)獲取到的環(huán)境信息，接下來就要指導(dǎo)無人駕駛汽車，實(shí)現(xiàn)輔助駕駛或自動(dòng)駕駛。這其中的關(guān)鍵技術(shù)是激光點(diǎn)云后處理算法。
首先，通過激光雷達(dá)獲取到三維點(diǎn)去數(shù)據(jù)后。進(jìn)行點(diǎn)云分離，然后進(jìn)行聚類，一般都是通過計(jì)算相鄰兩個(gè)激光點(diǎn)間的距離來決定是否屬于同一類。聚類完之后進(jìn)行障礙物識(shí)別。識(shí)別也障礙物之后，進(jìn)行前后兩頻對(duì)比，可以識(shí)別是靜態(tài)障礙物還是動(dòng)態(tài)障礙物。動(dòng)態(tài)障礙物也可以計(jì)算出運(yùn)動(dòng)速度等。
結(jié)合無人駕駛汽車當(dāng)前的位置信息，計(jì)算出避障所需的最小安全距離，達(dá)到壁障功能。
如果按現(xiàn)在用在無人駕駛上的多線激光雷達(dá)，一秒出點(diǎn)數(shù)兩百多萬，算起來就有幾十MB數(shù)據(jù)量，這些數(shù)據(jù)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，對(duì)硬件及算法提出了很高的要求。
挑戰(zhàn)在哪？
記者：其實(shí)，車用激光雷達(dá)其實(shí)也有一些自身的局限性，如在雨雪天氣中的測距范圍和精度都會(huì)受到一些影響，針對(duì)這一點(diǎn)有什么對(duì)策？
因?yàn)榧す饫走_(dá)自身穿透性較差，所以如果在惡劣的環(huán)境下，性能會(huì)大打折扣。但這并不是一個(gè)無解的難題，我們可以采用多傳感器融合技術(shù)。如將激光雷達(dá)配合毫米波雷達(dá)，雖然毫米波雷達(dá)精度不高、視場小，但測量距離遠(yuǎn)，可以達(dá)到200米，也可以在雨天及下雪天氣使用。激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)融合剛好彌補(bǔ)了各自的短板。
記者：主流的車用激光雷達(dá)體積很大，價(jià)格又昂貴，所以有些廠商才用了降低線束和改用固態(tài)雷達(dá)的方案，這會(huì)不會(huì)影響到產(chǎn)品的穩(wěn)定性？
實(shí)際上，降低線數(shù)或者固態(tài)雷達(dá)不會(huì)影響到穩(wěn)定性，相反固態(tài)雷達(dá)會(huì)提高產(chǎn)品穩(wěn)定性。降低線數(shù)雖然體積減少，但會(huì)減少在垂直方向的感知范圍或者減弱垂直方向的分辨率。因態(tài)激光雷達(dá)則減少了水平方向的感知范圍。小型化、低成本、提高穩(wěn)定性是大勢所趨。
不過，最佳的解決方案應(yīng)該是走小型化、低成本而又不減弱性能的方向。比如混合固態(tài)或者多個(gè)固態(tài)配合使用等都是不錯(cuò)的解決方案。
目前國外主流的激光雷達(dá)生產(chǎn)廠家，Velodyne采取的是激光發(fā)射、接收一起旋轉(zhuǎn)的方式；IBEO采取的是固定激光光源，通過內(nèi)部玻璃片旋轉(zhuǎn)的方式改變激光光束方向，實(shí)現(xiàn)多角度檢測的需要；Quanergy采取相控陣技術(shù)，內(nèi)部不存在任何旋轉(zhuǎn)部件。
記者：激光雷達(dá)有什么防御黑客攻擊的手段？
先跟大家說個(gè)事情，發(fā)出去的激光本身是沒有編碼的。所以接收器自己本身是沒辦法識(shí)別到底這束光線是它隔壁發(fā)射器發(fā)射出去的還是干擾信號(hào)。
黑客攻擊指的是采取模擬車輛、行人的信號(hào)，反饋給激光雷達(dá)造成周圍存在障礙物假象的攻擊手法。最終會(huì)導(dǎo)致汽車被強(qiáng)制減速或者剎車。
對(duì)激光雷達(dá)廠商而言，可以從兩個(gè)角度去抵御黑客的攻擊。
如果提高激光發(fā)射頻率，高速激光發(fā)射頻率在幾個(gè)微秒，黑客的模擬信號(hào)就很難選擇什么時(shí)候去發(fā)射干擾信號(hào)為接收器接收。另外，通過算法做一些錯(cuò)誤判斷，參考之前幾頻數(shù)據(jù)過濾掉干擾數(shù)據(jù)。
無人駕駛汽車離我們還有多遠(yuǎn)？
記者：今年8月，雷鋒網(wǎng)將在深圳舉辦“全球人工智能與機(jī)器人創(chuàng)新大會(huì)”(簡稱：GAIR)。想了解下，您對(duì)無人駕駛的趨勢怎么看？
大家基本都有統(tǒng)一的意見，首先是技術(shù)要繼續(xù)完善，其次是成本問題(特別是激光雷達(dá))，最后是政策問題。國際車企普遍計(jì)劃在2020年左右量產(chǎn)可在高速公路等特定路況下的自動(dòng)駕駛汽車。更多的車企及互聯(lián)網(wǎng)巨頭參與進(jìn)來，會(huì)更大加快商用、量產(chǎn)的速度。
精彩問答
曲曉峰@港理工：激光雷達(dá)體積最小的極限在多少，功耗最低在多少？
嘉賓：其實(shí)現(xiàn)在看velodyne或者我們速騰自己做的產(chǎn)品，還是有很多提升空間的，特別是體積。
我想做到手掌心大小，甚至更小應(yīng)該是有希望的。當(dāng)然還得結(jié)合需求，看線數(shù)需求。理論上線數(shù)越多，體積越大。功耗上應(yīng)該可以做到10W以內(nèi)，這個(gè)也是跟線數(shù)有關(guān)，比視覺方式當(dāng)然要高得多。
戴志文@鐳神：想了解下固態(tài)激光雷達(dá)的工作原理，和現(xiàn)在的主流的激光雷達(dá)有啥區(qū)別？
嘉賓：Quanergy現(xiàn)在提出的固態(tài)激光雷達(dá)，采取相控陣技術(shù)，內(nèi)部不存在任何旋轉(zhuǎn)部件。
相控陣激光雷達(dá)的所有激光探測在水平方向及垂直方向都是通過電子方式實(shí)現(xiàn)。
主流的激光雷達(dá)是通過激光器單點(diǎn)發(fā)射脈沖光束，接收器接收到光束后計(jì)算距離。通過機(jī)械旋轉(zhuǎn)達(dá)到全范圍探測。
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