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)?lái)激光雷達(dá)與無(wú)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(lái)致力于機(jī)器人導(dǎo)航與控制的技術(shù)研究，曾完成過(guò)包括國(guó)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(wú)人機(jī)以及已經(jīng)上路測(cè)試的無(wú)人駕駛汽車(chē)中都能看到激光雷達(dá)的身影。尤其是無(wú)人駕駛領(lǐng)域，因?yàn)楣雀锜o(wú)人駕駛汽車(chē)率先采用了Velodyne 64線(xiàn)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(lái)了自己的高光時(shí)刻，有業(yè)內(nèi)人士稱(chēng)，激光雷達(dá)已經(jīng)是無(wú)人駕駛汽車(chē)的標(biāo)配。
那么激光雷達(dá)是如何讓機(jī)器看見(jiàn)世界的？應(yīng)用于無(wú)人駕駛汽車(chē)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(lái)看看速騰聚創(chuàng)CEO邱純鑫帶來(lái)的分享！
幾百和幾十萬(wàn)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(lèi)是視覺(jué)方式，另外一類(lèi)就是激光雷達(dá)?？梢哉f(shuō)這兩種技術(shù)是各有優(yōu)缺點(diǎn)，二者的應(yīng)用場(chǎng)景也有很大的差異。
利用視覺(jué)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(cè)量距離近(一般不會(huì)超過(guò)10米)。
視覺(jué)測(cè)量可以分為單目+結(jié)構(gòu)光及雙目測(cè)量方式。例如，大疆用的是雙目視覺(jué)的方式進(jìn)行測(cè)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(cè)量方式幾乎與視覺(jué)方式形成了互補(bǔ)，它的優(yōu)勢(shì)在于測(cè)量精度高、測(cè)量距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定且對(duì)周?chē)h(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，所以激光雷達(dá)非常適合在室外誠(chéng)使用。不過(guò)任何一種方案都不是完美的，激光雷達(dá)也存在無(wú)法感知無(wú)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(chǎng)景有很多。而針對(duì)不同的應(yīng)用誠(chéng)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(lèi)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(xiàn)或者多層激光雷達(dá)，是通過(guò)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(chǎng)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(wú)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(wú)人駕駛汽車(chē)車(chē)頂上的“大塊頭”卻要幾十萬(wàn)，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(chǎng)景就多，而這些場(chǎng)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(cè)量距離近(5-6米)，精度要求不高，測(cè)量速率低。一般都是幾千個(gè)點(diǎn)每秒。廠(chǎng)商一般采取的是三角測(cè)距的方案，這種技術(shù)的門(mén)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(wú)人駕駛對(duì)激光雷達(dá)的要求非?？量?，首先，需要測(cè)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(cè)速要求也高，單個(gè)激光發(fā)射的速率要達(dá)到幾萬(wàn)個(gè)點(diǎn)每秒，通過(guò)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(cè)距方式。相比三角測(cè)距方案，它的成本會(huì)要高得多，開(kāi)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(cè)量距離100米，測(cè)距精度達(dá)到毫米級(jí)，單個(gè)激光頭達(dá)到幾萬(wàn)次測(cè)量，采用的就是這種方案。
無(wú)人駕駛汽車(chē)的“眼睛”
記者：以無(wú)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(cè)量距離、測(cè)量精度、測(cè)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(wú)人駕駛汽車(chē)這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)激光雷達(dá)的探測(cè)距離是有要求的。比如說(shuō)高速公路上要能夠檢測(cè)到前方車(chē)輛，還有在十字路口上，要能夠觀測(cè)馬路對(duì)面的汽車(chē)。
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(cè)及定位，如果精度太差就無(wú)法達(dá)到以上目的；但是，精度太好也有問(wèn)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(cè)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(cè)距精度也就失去意義了。
記者：搭載激光雷達(dá)的無(wú)人駕駛汽車(chē)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(wú)人駕駛汽車(chē)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(chē)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(lái)就要指導(dǎo)無(wú)人駕駛汽車(chē)，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(guò)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(lèi)，一般都是通過(guò)計(jì)算相鄰兩個(gè)激光點(diǎn)間的距離來(lái)決定是否屬于同一類(lèi)。聚類(lèi)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(wú)人駕駛汽車(chē)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(wú)人駕駛上的多線(xiàn)激光雷達(dá)，一秒出點(diǎn)數(shù)兩百多萬(wàn)，算起來(lái)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(chē)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(cè)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(wú)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(chǎng)小，但測(cè)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(chē)用激光雷達(dá)體積很大，價(jià)格又昂貴，所以有些廠(chǎng)商才用了降低線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(shì)所趨。
不過(guò)，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(guó)外主流的激光雷達(dá)生產(chǎn)廠(chǎng)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(guò)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(cè)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(shuō)個(gè)事情，發(fā)出去的激光本身是沒(méi)有編碼的。所以接收器自己本身是沒(méi)辦法識(shí)別到底這束光線(xiàn)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(chē)輛、行人的信號(hào)，反饋給激光雷達(dá)造成周?chē)嬖谡系K物假象的攻擊手法。最終會(huì)導(dǎo)致汽車(chē)被強(qiáng)制減速或者剎車(chē)。
對(duì)激光雷達(dá)廠(chǎng)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(guò)算法做一些錯(cuò)誤判斷，參考之前幾頻數(shù)據(jù)過(guò)濾掉干擾數(shù)據(jù)。
無(wú)人駕駛汽車(chē)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(jiǎn)稱(chēng)：GAIR)。想了解下，您對(duì)無(wú)人駕駛的趨勢(shì)怎么看？
大家基本都有統(tǒng)一的意見(jiàn)，首先是技術(shù)要繼續(xù)完善，其次是成本問(wèn)題(特別是激光雷達(dá))，最后是政策問(wèn)題。國(guó)際車(chē)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(chē)。更多的車(chē)企及互聯(lián)網(wǎng)巨頭參與進(jìn)來(lái)，會(huì)更大加快商用、量產(chǎn)的速度。
精彩問(wèn)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(xiàn)數(shù)需求。理論上線(xiàn)數(shù)越多，體積越大。功耗上應(yīng)該可以做到10W以?xún)?nèi)，這個(gè)也是跟線(xiàn)數(shù)有關(guān)，比視覺(jué)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(cè)在水平方向及垂直方向都是通過(guò)電子方式實(shí)現(xiàn)。
主流的激光雷達(dá)是通過(guò)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(guò)機(jī)械旋轉(zhuǎn)達(dá)到全范圍探測(cè)。
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