降雪環(huán)境對(duì)激光雷達(dá)性能的影響分析與試驗(yàn)研究

何俊南　姜京秀　孫朋朋

摘 要：冬季的環(huán)境條件復(fù)雜，且常伴有降雪，對(duì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的行駛安全提出了嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。本文聚焦于此，利用人工造雪的方式搭建降雪場(chǎng)景，并選取激光雷達(dá)作為研究對(duì)象，對(duì)激光雷達(dá)在不同降雪強(qiáng)度下的信號(hào)覆蓋范圍、有效分辨率和回波反射強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)駕駛汽車(chē) 激光雷達(dá) 降雪 環(huán)境適應(yīng)性

1 引言

汽車(chē)自動(dòng)駕駛技術(shù)，作為面向未來(lái)的戰(zhàn)略型技術(shù)，對(duì)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的變革和發(fā)展具有關(guān)鍵性作用。目前，隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)的自動(dòng)駕駛汽車(chē)已經(jīng)走到了一個(gè)新的階段。2021年2月，國(guó)家發(fā)改委等11部委聯(lián)合發(fā)布《智能汽車(chē)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》，標(biāo)志著中國(guó)在智能汽車(chē)領(lǐng)域發(fā)起進(jìn)攻，爭(zhēng)當(dāng)智能汽車(chē)強(qiáng)國(guó)?！吨悄芷?chē)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》指出，2025年實(shí)現(xiàn)有條件自動(dòng)駕駛的智能汽車(chē)達(dá)到規(guī)模化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)駕駛的智能汽車(chē)在特定環(huán)境下市場(chǎng)化應(yīng)用。

自動(dòng)駕駛汽車(chē)具有廣泛的使用場(chǎng)景，相關(guān)機(jī)構(gòu)如谷歌、蘋(píng)果、特斯拉、百度等已陸續(xù)在實(shí)際道路開(kāi)展測(cè)試，以對(duì)車(chē)輛進(jìn)行全面且深入的功能驗(yàn)證。冬季作為典型使用場(chǎng)景之一，環(huán)境條件復(fù)雜，且易出現(xiàn)降雪天氣，為自動(dòng)駕駛汽車(chē)的正常工作帶來(lái)了嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)[1]。針對(duì)于此，本文圍繞自動(dòng)駕駛汽車(chē)環(huán)境感知系統(tǒng)在降雪環(huán)境的性能變化，在該領(lǐng)域開(kāi)展初步的探索性工作，利用人工造雪的方式，進(jìn)行降雪環(huán)境的設(shè)計(jì)和搭建，并選取激光雷達(dá)作為主要研究對(duì)象，進(jìn)行不同降雪場(chǎng)景下的性能研究。

2 降雪對(duì)激光雷達(dá)的影響

環(huán)境感知系統(tǒng)利用外部傳感器采集道路狀況、天氣狀況、駕駛員狀態(tài)等，為自動(dòng)駕駛汽車(chē)的安全行駛提供可靠的決策依據(jù)。目前，現(xiàn)有的車(chē)載傳感器主要包括激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)和攝像頭等[1]。

激光雷達(dá)是指工作在光波頻段的雷達(dá)，它利用光波頻段的電磁波先向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)，然后將其接收到的同波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)相比較，從而獲得目標(biāo)的位置（距離、方位和高度）、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（速度、姿態(tài)）等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤和識(shí)別[2]。激光雷達(dá)探測(cè)范圍廣、分辨率高、信息量豐富，可探測(cè)路面場(chǎng)景中的其他車(chē)輛、行人和障礙物等，但不能識(shí)別交通標(biāo)志和交通信號(hào)燈，多用于行人保護(hù)系統(tǒng)、自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)、車(chē)道偏離預(yù)警系統(tǒng)、自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)等。

激光雷達(dá)的功能會(huì)因降雪天氣而受限，因?yàn)榘l(fā)射的光脈沖遇到雪花會(huì)反射回來(lái)，激光透過(guò)率隨著降雪密度以及傳輸距離的增加而下降，甚至?xí)崖湎碌难┗ㄕ`認(rèn)為是需要躲避的物體，干擾自動(dòng)駕駛汽車(chē)對(duì)周?chē)h(huán)境的正確判斷[1]。

3 降雪場(chǎng)景構(gòu)建

3.1 人工造雪技術(shù)

自然界的降雪主要是由于云中的冰晶之間或冰晶與過(guò)冷水滴之間的相互碰撞，使部分冰晶迅速增大，當(dāng)冰晶能夠克服空氣阻力和浮力時(shí)，便從空中落下，在空氣溫濕度、氣流、降落高度等因素的影響下，最終形成了各種形狀的雪花。

目前，常用且高效的造雪方法是使高壓水與空氣混合霧化結(jié)晶進(jìn)行造雪，人工造雪原理圖見(jiàn)圖1。其工作流程是：首先使來(lái)自高壓水泵的高壓水與來(lái)自空氣壓縮機(jī)的高壓空氣在噴嘴處混合，霧化形成小水滴，然后將水滴分散到空氣中，使空氣與水滴充分接觸，利用水自然蒸發(fā)和壓縮空氣體積膨脹帶走的熱量使水滴凝結(jié)成冰晶，最后在低溫環(huán)境下，使冰晶落地成雪。

3.2 降雪場(chǎng)景設(shè)計(jì)與布置

本研究的降雪場(chǎng)景構(gòu)建地點(diǎn)為中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心冬季汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)，選取的造雪機(jī)為牡丹江市安格士旅游設(shè)備廠生產(chǎn)的雪霸王造雪機(jī)，具體技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。該造雪機(jī)為三輪可移動(dòng)式設(shè)備，水平方向可旋轉(zhuǎn)360°，具備電加熱器自動(dòng)預(yù)熱控制功能，并具備多排閥門(mén)可調(diào)控降雪強(qiáng)度，設(shè)備實(shí)景圖見(jiàn)圖2。

為滿足測(cè)試要求，降雪場(chǎng)景尺寸為120m*6m，采用4臺(tái)造雪機(jī)，以滿足降雪量要求，布設(shè)方案見(jiàn)圖3。

4 試驗(yàn)方案

4.1 激光雷達(dá)選型

本研究選用Velodyne公司生產(chǎn)的型號(hào)為ULTRA Puck VLP-32的三維激光雷達(dá)，該雷達(dá)擁有32個(gè)通道，每秒能夠產(chǎn)生約120萬(wàn)個(gè)三維點(diǎn)云坐標(biāo)，并采用雙回波模式，具備200米的有效測(cè)量范圍，以及360°水平視場(chǎng)和40°的垂直視場(chǎng)，實(shí)物圖如圖4所示。為了確保試驗(yàn)過(guò)程中，激光雷達(dá)能達(dá)到最大的感知視野，將三維激光雷達(dá)安裝在試驗(yàn)車(chē)輛的頂部，并且雷達(dá)軸垂直于地面，如圖4所示。

4.2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

本研究以假人為目標(biāo)物，測(cè)試在3種不同的降雪條件下，激光雷達(dá)距離目標(biāo)物不同距離時(shí)的識(shí)別效果。圖5為降雪場(chǎng)景實(shí)際圖，包括無(wú)雪場(chǎng)景、I檔降雪場(chǎng)景和II檔降雪場(chǎng)景。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 降雪對(duì)激光雷達(dá)覆蓋范圍的影響

安裝激光雷達(dá)的測(cè)試車(chē)停在距離目標(biāo)物20m遠(yuǎn)處，實(shí)時(shí)采集無(wú)雪、I擋降雪和II擋降雪三種場(chǎng)景下的激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以反射強(qiáng)度的形式進(jìn)行編碼后，形成鳥(niǎo)瞰圖如圖6所示。由圖可見(jiàn)，隨著降雪量的增加，激光雷達(dá)的覆蓋范圍逐漸減小。

5.2 降雪對(duì)激光雷達(dá)有效分辨率的影響

隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，激光雷達(dá)周?chē)饾u被一些雪花所覆蓋，如圖7所示。雪覆蓋后的激光雷達(dá)輸出的點(diǎn)云分布圖如圖7所示。由圖可見(jiàn)，在激光雷達(dá)周?chē)a(chǎn)生了大量的噪點(diǎn)，極大降低了點(diǎn)云的有效分辨率，嚴(yán)重?fù)p害了激光雷達(dá)的性能[3]。

5.3 降雪對(duì)激光雷達(dá)回波反射強(qiáng)度的影響

安裝激光雷達(dá)的測(cè)試車(chē)停在距離目標(biāo)物30m遠(yuǎn)處，實(shí)時(shí)采集無(wú)雪、I擋降雪和II擋降雪三種場(chǎng)景下的激光雷達(dá)回波反射強(qiáng)度，如圖8所示。從“無(wú)雪”到“有雪”，激光雷達(dá)的回波反射強(qiáng)度大幅下降，且隨著降雪量的增加，回波反射強(qiáng)度持續(xù)下降，直至趨近于零。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)于車(chē)載激光雷達(dá)在降雪環(huán)境下的適應(yīng)性進(jìn)行了初步探索與嘗試，以期為相關(guān)研究提供有效參考。同時(shí)，在降雪場(chǎng)景構(gòu)建過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)了一些難點(diǎn)：如降雪強(qiáng)度和均勻度的控制受溫度、濕度和局部陣風(fēng)的影響較大；人工造雪的雪質(zhì)和落雪方式相比于自然落雪，仍存在一些差距。目前，自動(dòng)駕駛汽車(chē)在降雪場(chǎng)景下的測(cè)試還有很多未知的盲區(qū)，需要從業(yè)者繼續(xù)探索和研究，隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的迭代升級(jí)，在該類(lèi)復(fù)雜氣象環(huán)境下的測(cè)試需求定會(huì)逐漸增加。

參考文獻(xiàn)：

[1]何俊南，郭瑞玲，吳昊，殷振華.淺談自動(dòng)駕駛汽車(chē)環(huán)境感知系統(tǒng)在冬季面臨的挑戰(zhàn)[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2020，24：22-24.

[2]郝俊.自動(dòng)駕駛環(huán)境感知系統(tǒng)研究[J].時(shí)代汽車(chē)，2018，300（09）：16-17.

[3]Sun Pengpeng， Sun Chenghao， Wang Runmin， Zhao Xiangmo. Object Detection Based on Roadside LiDAR for Cooperative Driving Automation： A Review[J]. Sensors （Basel），2022，22（23）：9316.