【儀表網(wǎng) 行業(yè)應(yīng)用】3D激光雷達是一種光學(xué)感知技術(shù)，可讓機器看到世界，做出決策并導(dǎo)航。目前，激光雷達技術(shù)和市場正在迅速發(fā)展，使用激光雷達的機器范圍從小型服務(wù)機器人到大型自動駕駛汽車。
 

 

　　歷經(jīng)40余年的發(fā)展，激光雷達技術(shù)已從初的激光測距技術(shù)，逐步發(fā)展了激光跟蹤、激光測速、激光掃描成像、激光多普勒成像等技術(shù)，因此出現(xiàn)了各種不同種類的激光雷達，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。激光雷達不只為機器人和無人駕駛而生，它還被廣泛應(yīng)用于VR/AR、智慧交通、3D打印、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
 

　　1、自動駕駛
 

　　近幾年無人駕駛非常熱門，而激光雷達可謂是無人駕駛領(lǐng)域中重要的環(huán)節(jié)。無人駕駛汽車是通過車載傳感系統(tǒng)感知環(huán)境，自動規(guī)劃行車路線并控制車輛到達預(yù)定目標(biāo)的智能汽車。
 

　　在無人車領(lǐng)域，激光雷達主要以多線數(shù)為主，主要是幫助汽車自主感知道路環(huán)境，自動規(guī)劃行車路線，并控制車輛到達預(yù)定的目標(biāo)。激光雷達是怎么幫汽車識別路口與方向呢？激光雷達使用的技術(shù)是飛行時間，就是根據(jù)激光遇到障礙物后的折返時間，計算目標(biāo)與自己的相對距離。激光光束可以準(zhǔn)確測量視場中物體輪廓邊沿與設(shè)備間的相對距離，這些輪廓信息組成所謂的點云并繪制出3D環(huán)境地圖，精度可達到厘米級別，從而提高測量精度。
 

　　目前，激光雷達的應(yīng)用囊括了無人駕駛的定位、路沿/可行駛區(qū)域檢測、車道標(biāo)識線檢測、障礙物檢測、動態(tài)物體跟蹤、障礙物分類識別等功能模塊。
 

　　2、機器人
 

　　自主定位導(dǎo)航是機器人實現(xiàn)自主行走的技術(shù)，不管什么類型的機器人，只要涉及到自主移動，就需要在其行走的環(huán)境中進行導(dǎo)航定位，但傳統(tǒng)的定位導(dǎo)航方法由于智能化水平較低，沒有解決定位導(dǎo)航的問題，直至激光雷達的出現(xiàn)，在很大程度上化解了這個難題。激光雷達又被稱為機器人的眼睛。
 

　　機器人采用的定位導(dǎo)航技術(shù)是以激光雷達SLAM為基礎(chǔ)，增加視覺和慣性導(dǎo)航等多傳感器融合的方案幫助機器人實現(xiàn)自主建圖，路徑規(guī)劃、自主避障等任務(wù)，它是目前性能穩(wěn)定、可靠性強的定位導(dǎo)航方法，且使用壽命長，后期改造成本低。
 

　　掃地機器人是目前單線激光雷達應(yīng)用廣泛的領(lǐng)域，激光雷達配合slam算法，可以讓掃地機器人在房間里實現(xiàn)智能清掃，清掃的過程中繪制地圖，實時傳輸?shù)绞謾CAPP，就算用戶不在家，也可以通過手機APP查看清掃情況，以及安排其他地方清掃。
 

　　3、無人機
 

　　機載激光雷達是一種安裝在飛機上的機載激光探測和測距系統(tǒng)，可以量測地面物體的三維坐標(biāo)。上世紀(jì)七十年代，美國航天局開始研發(fā)的LiDAR測繪技術(shù)機載激光掃描，并且發(fā)展速度飛快，在20世紀(jì)末期開始商業(yè)化。
 

　　目前，激光雷達在低空飛行直升機障礙物規(guī)避方面已進入實用階段，在其他軍事應(yīng)用研究領(lǐng)域也日趨成熟。直升機在進行低空巡邏飛行時，極易與地面小山或建筑物相撞。為此，研制能規(guī)避地面障礙物的直升機機載雷達是人們夢寐以求的愿望。目前，這種雷達已在美國、德國和法國獲得了成功。
 

　　美國研制的直升機超低空飛行障礙規(guī)避系統(tǒng)，使用固體激光二極管發(fā)射機和旋轉(zhuǎn)全息掃描器可檢測直升機前很寬的空域，地面障礙物信息實時顯示在機載平視顯示器或頭盔顯示器上，為安全飛行起了很大的保障作用。
 

　　4、VR/AR
 

　　VR/AR也是近幾年火起來的，市場前景可觀。VR一體機、智能眼鏡等產(chǎn)品已經(jīng)面市，AR眼鏡、AR頭顯的應(yīng)用也是非常之廣。
 

　　在用到AR頭顯進行的游戲中，運用的空間感知定位技術(shù)里面會用到激光雷達和許多配套的光學(xué)傳感器，通過SLAM技術(shù)(即時定位與地圖構(gòu)建)，精準(zhǔn)定位自己在三維空間中的位置，增強在游戲中的真實體驗感。
 

　　5、3D打印
 

　　在3D打印里面也會有用到激光雷達的地方，如之前很火的Printoptical3D打印技術(shù)本質(zhì)上是一種“從CAD設(shè)計到光學(xué)部件”的一站式技術(shù)，其打印出來的光學(xué)部件不需要進行像拋光、研磨和著色這樣的后處理。
 

　　這種技術(shù)主要基于成熟的寬幅工業(yè)噴墨打印設(shè)備，通過紫外線固化的透明聚合物液滴噴射出來，然后被集成在打印頭上的強紫外線燈固化，終可以形成各種各樣的幾何形狀，激光雷達在這里面扮演者測量、監(jiān)控等角色。
 

　　6、智慧城市
 

　　隨著大城市人口的不斷增長，城市的智能化建設(shè)也變得越發(fā)重要。信息技術(shù)、傳感技術(shù)、通信技術(shù)等多種技術(shù)在智慧城市建設(shè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
 

　　例如用于交通管制。激光雷達可用于信號燈控制機即時感應(yīng)控制、自適應(yīng)控制和綠波帶控制，也是未來道路協(xié)同的基礎(chǔ)。
 

　　激光雷達用于港口的交通管理具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)越性,用掃描激光雷達可以描繪出港口和船只來往的高分辨率圖像,提供顯示和觀測,再把海面航道疊加在顯示器上,從而顯示出船只的來往情況。船艦上裝配有無線電通信設(shè)備,當(dāng)發(fā)現(xiàn)一只船已偏航,可能與其他船發(fā)生碰撞時,交通管理中心會向這艘船發(fā)出指令信號,使它回歸原來的航向,從而減少了海上事故的發(fā)生。
 

　　激光雷達在公路交通管理中也發(fā)揮重要作用。“遠(yuǎn)程”雷達可用于確定后面車輛的時速,在并道或拐彎時,駕駛員就可憑此判斷是否需要減速。交通管理部門已經(jīng)把這種技術(shù)應(yīng)用于高速公路的監(jiān)視中,可以借此看到公路上的車流量和擁堵情況以及行駛中的各種車輛的大小。另外,激光雷達與數(shù)字計算機相結(jié)合可應(yīng)用于空中交通管制,會提高分辨率和數(shù)據(jù)率,顯著改善機場的技術(shù)工作。
 

　　7、醫(yī)學(xué)
 

　　激光雷達技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面有很多應(yīng)用，譬如，光學(xué)低相干斷層掃描，這個技術(shù)起源于激光反射儀在眼科中研究眼睛結(jié)構(gòu)的三維復(fù)原方面的廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)對血管的三維內(nèi)窺鏡研究，擴展到多普勒三維測速儀。
 

　　再比如，美國一個國家實驗室開發(fā)出了一種集成激光和雷達系統(tǒng)的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以減輕燒傷病人的痛苦。研究人員希望這種同頻連續(xù)波激光雷達映射系統(tǒng)，可以從病人身體上去除壞死的皮膚和肌肉。這種新系統(tǒng)可以對燒傷病人的體表組織進行三維的激光雷達定位探測，以確定損害程度。利用探測定位結(jié)果，激光可以自動除去壞死的組織以利于新組織生長。
 

　　8、軍事
 

　　中國的攻擊激光雷達已經(jīng)相當(dāng)?shù)南冗M，包含著世界的五大核心技術(shù)：激光材料研究的突破、激光輻射材料物理機理及成像圖譜研究的突破、一次性快速跟蹤定位控制技術(shù)的突破、高密度能量可逆轉(zhuǎn)換載體材料的突破、激光成像技術(shù)的突破。
 

　　除此之外，在水雷探測激光雷達、化學(xué)試劑探測激光雷達、大氣監(jiān)測激光雷達、生化陸戰(zhàn)激光雷達等方面也有很大的成就。
 

　　比如氣體探測方面。激光雷達通過射向大氣中的激光與大氣中的氣溶膠及大氣分子的作用，產(chǎn)生散射，探測器接收散射波并經(jīng)分析、處理，從而可以檢測大氣的濕、溫、風(fēng)、壓等基本參數(shù)，探測紊流，實時測量風(fēng)揚起乃至大氣中的生物戰(zhàn)劑。譬如德國研制的一種連續(xù)波CO2激光器，能發(fā)出40個不同頻率的激光波，根據(jù)吸收光譜學(xué)的原理可探測和識別9m-11m波段光譜能量的化學(xué)戰(zhàn)劑。
 

　　9、海洋探索和漁業(yè)資源監(jiān)測
 

　　激光雷達與海洋生物相關(guān)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在漁業(yè)資源調(diào)查和海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測兩方面。前者常采用藍綠脈沖光作為激發(fā)光源，通過對激光回波信號的識別提取以獲得魚群分布區(qū)域和密度信息，結(jié)合偏振特征分析可對魚群種類進行識別；后者常采用海洋激光熒光雷達，通過對激光誘導(dǎo)目標(biāo)物發(fā)射的熒光等光譜信號的探測分析以獲得海洋浮游生物及葉綠素等物質(zhì)的種類和濃度分布信息。
 

　　近年來，環(huán)境問題廣受大家關(guān)注，而對海洋環(huán)境的保護已成共識，海洋激光雷達作為一種先進的海洋探索與監(jiān)測手段，已經(jīng)成為主流。
 

　　10、險情預(yù)報
 

　　激光雷達技術(shù)能夠精密測量角度和距離,且能以很高的精度確定垂線和局部垂線,因此它在測繪中非常有用。通過定位雷達設(shè)備觀測現(xiàn)有衛(wèi)星的后向發(fā)射器目標(biāo)及與地球有關(guān)的衛(wèi)星距離變化,可以監(jiān)測與地質(zhì)結(jié)構(gòu)漂移有關(guān)的地質(zhì)物理運動,進行地震預(yù)報。
 

　　不同種類的大氣顆粒物與激光發(fā)生的散射現(xiàn)象不同,利用激光雷達監(jiān)測系統(tǒng)有效區(qū)分由沙塵暴引起的沙塵顆粒物和其他大氣顆粒物,并且通過研究沙塵暴的起源、傳輸途徑、時空分布特點,能有效對沙塵暴進行預(yù)報、監(jiān)測,采取相宜的措施阻斷沙塵暴的傳播路徑,有效降低沙塵暴造成的災(zāi)害程度,同時對環(huán)境的保護提出積極的措施。