作者 | 七七沫沫

小編 | 吃不飽

隨著智能駕駛領(lǐng)域的快速發(fā)展與普及，激光雷達(dá)的輕量化、電子化和芯片化也逐漸成為趨勢。由于激光雷達(dá)不受光線影響、分辨力高、支持3D立體，點云還支持AI算法訓(xùn)練等優(yōu)點，一些主流車型在L3級別的智駕功能應(yīng)用上搭載了激光雷達(dá)，從而完成更可靠和準(zhǔn)確的目標(biāo)探測。
在L2+或L3級以上的智駕功能應(yīng)用中，激光雷達(dá)可提供更高精度的融合定位和目標(biāo)識別能力，也可基于豐富的點云信息完成高精地圖的繪制。激光雷達(dá)發(fā)送和反射的追蹤光線可通過不同材質(zhì)的反射率可以識別到更加豐富的目標(biāo)類型。
但是，在實驗室環(huán)境下的智能駕駛HiL仿真測試階段，采用真實激光雷達(dá)無法獲取動態(tài)的環(huán)境信息，需要通過場景軟件來進(jìn)行動態(tài)場景仿真，從而完成周邊感知環(huán)境信息的構(gòu)建，此時需要進(jìn)行激光雷達(dá)模型搭建和點云仿真。本文將介紹激光雷達(dá)的基礎(chǔ)原理及仿真測試流程，希望能幫助應(yīng)用者更好的理解激光點云的仿真過程。01什么是激光雷達(dá)
在討論所有問題之前，需先了解激光雷達(dá)的基本組成結(jié)構(gòu)，激光雷達(dá)主要由激光發(fā)射器、激光接收器以及激光計算單元組成。激光雷達(dá)的分類很多。常見的有機械旋轉(zhuǎn)式、MEMS、轉(zhuǎn)鏡式、Flash等等。以機械式激光雷達(dá)來簡要說明其工作原理。激光雷達(dá)通過激光發(fā)射器將生成的激光光束向外發(fā)出，通過伺服電機與反光鏡后，激光光束將被反射到各個方向，反射到周圍環(huán)境中的激光會一直往前飛行，當(dāng)激光在飛行途中與障礙物相交時，會觸發(fā)激光產(chǎn)生折射或反射等現(xiàn)象，而反射的部分激光會原路返回至雷達(dá)的激光接收模塊，最后通過計算單元解析生成點云數(shù)據(jù)。
圖 1激光雷達(dá)工作基本原理圖
在智能駕駛輔助車輛廣泛應(yīng)用毫米波和超聲波雷達(dá)等傳感器進(jìn)行目標(biāo)感知的前提下，為什么還要使用激光雷達(dá)呢？

激光雷達(dá)的廣泛應(yīng)用

（1）對于其他傳感器來說，由于激光的傳播速度為光速，因此這讓激光雷達(dá)有很好的靜態(tài)和動態(tài)探測能力。（2）其豐富的點云信息可勾勒出目標(biāo)輪廓，也可用于目標(biāo)距離、方位、高度、速度和姿態(tài)信息的探測。相比于其他傳感器，激光雷達(dá)探測精度和抗干擾能力更好，且能夠比傳統(tǒng)毫米波多探測一個高度的信息。（3）在日益復(fù)雜和多元化的交通環(huán)境下，需要用到多傳感器融合來感知自駕車輛周邊環(huán)境，激光雷達(dá)可與其他傳感器（如攝像頭、毫米波雷達(dá)等）進(jìn)行融合定位以提供更精確的環(huán)境感知。（4）在一些L3級智駕功能策略及應(yīng)用場景上，激光雷達(dá)目標(biāo)設(shè)備優(yōu)先級比較高，如Camera識別到目標(biāo)但Lidar沒識別到，感知算法融合后會判定沒有目標(biāo)，此時會極大影響后續(xù)的規(guī)劃控制算法，從而影響智駕功能。所以，在車輛高速環(huán)境下對靜態(tài)物體的識別、遠(yuǎn)距離場景對行人及其他交通環(huán)境目標(biāo)的識別，需要更加準(zhǔn)確和類別化，激光雷達(dá)在高級智能駕駛的應(yīng)用變得尤為重要。
在當(dāng)前L2+ 和L3及以上智駕場景中，激光雷達(dá)由于產(chǎn)品芯片量產(chǎn)和技術(shù)的提高，價格也逐漸親民化，因此在一些典型的中高端車型中逐漸趨向量產(chǎn)化。02激光雷達(dá)如何仿真
了解了激光雷達(dá)的基本工作原理后，可按照此原理來對激光雷達(dá)進(jìn)行仿真，真實的激光雷達(dá)光線其實是從傳感器發(fā)出到最后返回到傳感器。那么在實際工程實踐中，有沒有一種方法來實現(xiàn)光線發(fā)射及反射來回過程的仿真呢？其實是有的——光線追蹤（Optix）。

光線追蹤

什么是光線追蹤？在現(xiàn)實生活中，看到物體的完整光路歷程如下圖2所示。首先光源發(fā)出光線，光線在飛行過程中遇到障礙物后發(fā)生反射，反射的部分光線被人眼接收，最后在視網(wǎng)膜上生成圖像。而光線追蹤就是將這個過程反過來，光線由眼睛發(fā)出，最后通過復(fù)雜的光路歷程回到光源處，這就是光線追蹤。

光線追蹤步驟

1、創(chuàng)建從環(huán)境到傳感器光路的相反路徑。2、光線擊中目標(biāo)對象。3、計算光線屬性。4、將光線屬性寫入緩存。圖 2光線追蹤原理圖
使用NVIDIA的OptiX API來完成上述工作，OptiX是一個在GPU上實現(xiàn)高性能光線追蹤的應(yīng)用程序框架，它提供了一套完整靈活的光線追蹤算法。
圖 3 Optix處理的基本邏輯如圖3，在知道基本的仿真邏輯以及明確了仿真數(shù)據(jù)之后，就可以編譯相應(yīng)的激光雷達(dá)模型了，編寫完之后的激光雷達(dá)模型將會同仿真一起完成一系列復(fù)雜的計算過程，經(jīng)過創(chuàng)建及配置光線、運算光線追蹤算法和數(shù)據(jù)處理，最終輸出需要的點云數(shù)據(jù)。

點云數(shù)據(jù)

想要知道點云數(shù)據(jù)具體包含的內(nèi)容，首先需要解釋一下點云是什么。點云就是某個坐標(biāo)系下所有點的數(shù)據(jù)集群。而點云數(shù)據(jù)就是表示包含三維坐標(biāo)XYZ、顏色、強度值等的數(shù)據(jù)集群。既然點云數(shù)據(jù)包含的點是三維坐標(biāo)，然么激光雷達(dá)光線的出射方向該如何實現(xiàn)仿真呢？為了使仿真的激光雷達(dá)光線的出射方向與真實激光雷達(dá)保持一致，需要將真實的激光雷達(dá)光線的出射角度轉(zhuǎn)換成三維方向坐標(biāo)后打包生成dat數(shù)據(jù)文件，在編譯激光雷達(dá)模型時引入此dat文件作為入?yún)?，即可實現(xiàn)非均勻打點方式的仿真了。
圖 4非均布打點激光雷達(dá)掃描場景
通過對OptiX過程以及點云數(shù)據(jù)的理解，可以根據(jù)實際需求來仿真激光雷達(dá)，編輯相關(guān)的激光雷達(dá)仿真模型。最后，通過Optix支持對光線緩存結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)寫入與傳出支持。在激光點云仿真過程中，可以編輯光線緩存結(jié)構(gòu)來定義需要的點云數(shù)據(jù)。03點云數(shù)據(jù)處理
了解了點云數(shù)據(jù)之后，通過搭建仿真場景以及加載編譯好的激光雷達(dá)模型，就可以進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的處理了。點云數(shù)據(jù)的處理是根據(jù)不同激光雷達(dá)產(chǎn)品的通信協(xié)議來說的，如圖5為一個簡單的示例。
圖 5簡易的雷達(dá)協(xié)議結(jié)構(gòu)
不同的激光雷達(dá)產(chǎn)品可能在通信協(xié)議或組包結(jié)構(gòu)上都各不相同，需要依據(jù)實際情況對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)組包。為了更方便的處理這些點云數(shù)據(jù)以及后期整體工程的管理，在后續(xù)工作中使用CANoe來完成組包的工作。激光雷達(dá)的雷達(dá)協(xié)議大致包含包頭信息、設(shè)備信息、時間戳，測距信息等等。有關(guān)包頭、設(shè)備信息等信息，可通過產(chǎn)品說明書對其進(jìn)行確定。而測距信息里面存放的就是仿真的點云數(shù)據(jù)，一般激光雷達(dá)協(xié)議中的點云數(shù)據(jù)有固定的排列方式，這部分就需要按照不同激光雷達(dá)產(chǎn)品的通信協(xié)議來確定。由于點云數(shù)據(jù)量龐大，對點云數(shù)據(jù)的處理組包，可以通過CANoe的總線仿真功能來完成這部分工作。CANoe支持多種數(shù)據(jù)的解析，可以使用其內(nèi)置的函數(shù)對來完成點云數(shù)據(jù)組包工作。
CANoe提供了良好的管理平臺和豐富的內(nèi)置函數(shù)來輔助完成這部分工作：

1.首先，在CANoe中建立接收的套接字和發(fā)送的套接字，此時可以拿到仿真的點云數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析以進(jìn)一步進(jìn)行后處理。

2.在解析完點云數(shù)據(jù)之后，可按照真實激光雷達(dá)的UDP組包協(xié)議來將解析完成的點云數(shù)據(jù)填充至相應(yīng)的UDP結(jié)構(gòu)內(nèi)，同時將部分信息保存至系統(tǒng)變量，以便后期實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)相關(guān)的故障仿真等等。

3.最后，在將一幀的完整點云數(shù)據(jù)組包完成之后，通過建立的套接字來將數(shù)據(jù)發(fā)送至目標(biāo)IP或激光雷達(dá)的上位機進(jìn)行驗證。

至此，即可完成激光雷達(dá)的基本仿真流程。圖 6仿真環(huán)境（上圖）仿真激光雷達(dá)（下圖）在智駕HiL應(yīng)用階段，激光點云數(shù)據(jù)在實現(xiàn)L2+或L3級功能測試的過程中尤為重要，在獲取到激光雷達(dá)仿真的點云數(shù)據(jù)后，可使用CANoe進(jìn)行智駕域控制器的閉環(huán)驗證。

1.比如獲取仿真的激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)、毫米波數(shù)據(jù)和視頻流數(shù)據(jù)等，驗證域控制器的感知融合算法；

2.使用激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)與其他仿真數(shù)據(jù)，通過CANoe將不同的總線協(xié)議信號一起注入給智駕域控制器，實現(xiàn)ACC、AEB等規(guī)控功能的驗證；

3.通過CANoe直接處理的點云數(shù)據(jù)，也可實現(xiàn)對激光雷達(dá)進(jìn)行通道故障、點云丟失、幀數(shù)據(jù)不同步等仿真，從而驗證域控制器的功能安全機制。

04總結(jié)
至此，激光雷達(dá)基礎(chǔ)介紹與仿真測試流程到這里就正式結(jié)束了。北匯信息作為Vector的技術(shù)合作伙伴，覆蓋智能駕駛系統(tǒng)MiL/HiL/ViL測試、車聯(lián)網(wǎng)測試，傳感感知測試等，為客戶提供優(yōu)質(zhì)的智駕測試解決方案、測試集成系統(tǒng)和服務(wù)，助力智能駕駛仿真測試系統(tǒng)的快速驗證和測試。