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內(nèi)容摘要
激光雷達的設(shè)計必須堅固可靠，以確保在各種車速下的安全性和系統(tǒng)性能。這對于高速公路駕駛來說尤為關(guān)鍵。在本白皮書中，將探討合適的激光雷達設(shè)計對于L3級自動駕駛汽車在高速公路行駛時安全駕駛的重要性。分析了諸如水平和垂直視場、水平和垂直分辨率、探測范圍、幀率以及反射率響應(yīng)等參數(shù)的要求。 對于自動駕駛汽車而言，最大的挑戰(zhàn)之一在于，在高速公路上行駛時，要在遠距離檢測到諸如輪胎這類尺寸小、反射率極低的物體。
為了確保安全制動并避免碰撞，需要在多個方面進行權(quán)衡取舍。這一安全事件應(yīng)用案例闡明了對遠距離探測的要求，以及對盡可能高的分辨率和幀率的需求，以確保在高速行駛時能夠檢測到物體和障礙物。 除了這些參數(shù)之外，自動駕駛系統(tǒng)還必須考慮各種天氣、光照和道路狀況（包括坡度和彎道）的影響。它還必須考慮在高速公路速度下駕駛所需的制動時間。所有這些因素都對自動駕駛系統(tǒng)提出了更高的要求，以便在任何駕駛條件下都能達到關(guān)鍵性能指標。 激光雷達在車輛中的安裝位置對激光雷達的設(shè)計和車輛的設(shè)計都有著重大影響，因為L3級自動駕駛所使用的激光雷達不應(yīng)過于突兀。汽車的設(shè)計很容易決定激光雷達的設(shè)計。工程師們必須適應(yīng)由汽車設(shè)計所決定的工程要求。 考慮到這些要求，并基于在InnovizOne產(chǎn)品上積累的經(jīng)驗，Innoviz公司開發(fā)了下一代高性能激光雷達InnovizTwo。在本白皮書中，將介紹InnovizTwo，其設(shè)計旨在確保在各種情況下，尤其是在高速公路行駛時，實現(xiàn)安全舒適的駕駛體驗。
引言
每年，全球有超過130萬人死于交通事故 ，多達5000萬人遭受與道路相關(guān)的傷害。人為失誤在所有事故的可能原因中占比80%至90%，在所有致命事故中占比94% 。由于交通是我們生活的一部分，因此應(yīng)采用最佳的工程實踐方法，以最大程度地減少人為失誤的可能性。 自動駕駛是我們這個時代最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)之一。為了設(shè)計出 “完美的” 自動駕駛汽車，不同汽車公司的數(shù)千名工程師致力于描述各種不同的駕駛場景和應(yīng)用案例，在這些場景和案例中，汽車必須能夠安全地實現(xiàn)自動駕駛。 對交通事故的帕累托分析表明，道路上的大多數(shù)死亡事故發(fā)生在高速公路和城市的直道上，主要原因是駕駛員注意力不集中。盡管高速公路自動駕駛簡化了駕駛決策軟件的工作，但它對激光雷達傳感器提出了更多要求，這使得汽車制造商在選擇激光雷達時面臨更大的困難。在高速公路上行駛時車速較高，這就需要更長的制動時間，同時也對自動駕駛系統(tǒng)提出了更高的要求。在傳感器層面上增加探測范圍，可以為軟件系統(tǒng)提供更長的響應(yīng)時間。
定義激光雷達的要求
在設(shè)計自動駕駛功能時，必須考慮許多參數(shù)，包括汽車自動駕駛的速度、車輛位置、天氣狀況等等。這些參數(shù)被用于計算對激光雷達、攝像頭和毫米波雷達的抽象要求。 感知參數(shù)（例如確定檢測或識別人的距離、允許的延遲時間、誤報率或誤檢情況）會在各種不同的傳感器之間進行分配，以彌補不同傳感器的局限性。激光雷達、攝像頭和毫米波雷達所提供的關(guān)鍵性能指標（KPI）相互補充，并提供冗余信息，因為用于傳感器融合的域控制器會對這三個關(guān)鍵性能指標進行比較。 激光雷達的感知輸出必須滿足汽車制造商為做出駕駛決策所定義的所有關(guān)鍵性能指標。在可用處理能力和允許的延遲時間限制內(nèi)滿足這些關(guān)鍵性能指標，將決定激光雷達的設(shè)計，以及將激光雷達的原始點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為用于傳感器融合的處理數(shù)據(jù)的感知軟件的設(shè)計。
美國汽車工程師學(xué)會（SAE）自動駕駛等級 L3級自動駕駛，也被稱為 “有條件的駕駛自動化”，根據(jù)美國汽車工程師學(xué)會（SAE）的J3016-2021標準的描述，指的是車輛能夠在汽車原始設(shè)備制造商（OEM）所規(guī)定的有限條件下進行自動駕駛，且無需人類監(jiān)督。要求 “駕駛員” 在足夠的時間內(nèi)對系統(tǒng)（車輛）發(fā)出的要求其重新接管控制權(quán)的請求做出響應(yīng)。 與如今的L2+系統(tǒng)（這是介于L2級和L3級之間的非官方混合等級）相比，L3級系統(tǒng)對完全冗余的要求是一個質(zhì)的飛躍。L2+系統(tǒng)仍然需要人類對系統(tǒng)進行監(jiān)督，駕駛員不能將視線從道路上移開，也不能將手從方向盤上拿開。雖然L3級自動駕駛很可能主要在高速公路上實現(xiàn)，但當車輛駛離高速公路并行駛在當?shù)氐缆飞蠒r，仍需要人類集中注意力，為L2+等級的駕駛提供必要的監(jiān)督。
為了達到L3級或更高的自動駕駛等級，工程師們需要證明自動駕駛系統(tǒng)符合汽車行業(yè)國際標準化組織（ISO）26262標準中功能安全等級的最高級別——汽車安全完整性等級D（ASIL D），該等級對應(yīng)著汽車領(lǐng)域的最高危險等級。這一等級要求對不同的駕駛應(yīng)用場景進行分析，并證明在任何可能的情況下，汽車都能確保車內(nèi)和車外人員的安全，即便系統(tǒng)中的某一個部件出現(xiàn)單點故障或性能下降的情況也是如此。 這種分析需涵蓋整個平臺，針對各種不同的駕駛場景、溫度、天氣狀況以及其他內(nèi)部或外部因素來展開。
平衡安全性與舒適性
雖然安全性至關(guān)重要，但如果自動駕駛系統(tǒng)的運行方式讓駕駛員感到 “不舒服”，駕駛員就會對自動化系統(tǒng)失去信心，進而不再使用它。這里所說的 “舒服” 是指汽車在決策時不會拖延，因此不會做出 “最后一刻” 的決策，比如緊急制動和突然轉(zhuǎn)向等操作。該系統(tǒng)應(yīng)確保駕駛過程平穩(wěn)，這源于對路況的完美感知，以及對本車前方物體做出快速、正確的決策。
L2+自動駕駛的風險與潛力
許多駕駛員將自動駕駛與諸如 “自動輔助駕駛（Autopilot）” 之類的功能混淆。駕駛員認為開啟自動輔助駕駛功能后，他們就可以將視線從道路上移開，把手從方向盤上拿開。以下列出了當前L2+等級車輛的現(xiàn)狀，以及激光雷達能為L2+等級車輛帶來的好處：
1. L2+等級的自動駕駛平臺正變得越來越受歡迎。
2. 這個非官方的美國汽車工程師學(xué)會（SAE）混合等級（也被稱為 “自動輔助駕駛”）仍然需要人類進行監(jiān)督。
3. 大多數(shù)事故發(fā)生在直道上，原因是駕駛員對路況過于自信。
4. 沒有配備激光雷達的L2+等級自動駕駛會給人一種錯誤的信心，從而導(dǎo)致致命事故。
5. 研究表明，當啟用自動輔助駕駛功能時，駕駛員會變得注意力不集中。
6. 沒有配備激光雷達的L2+等級自動駕駛給自動駕駛技術(shù)帶來了不良聲譽。
7. 由未配備激光雷達的L2+等級車輛引發(fā)的事故，延緩了自動駕駛汽車的普及以及更安全出行方式的推廣。
8. 根據(jù)國際標準化組織（ISO）26262標準，只有不依賴攝像頭進行檢測的激光雷達才能提供冗余功能。
9. 配備激光雷達的L2+等級自動駕駛為客戶提供了更安全的平臺。
10. 汽車制造商可以利用配備激光雷達的L2+等級自動駕駛，在現(xiàn)實生活條件下進行眾包數(shù)據(jù)收集，并驗證該平臺的安全性。
11. 在L2+等級自動駕駛中使用激光雷達可以挽救客戶的生命，加快開發(fā)進程，節(jié)省數(shù)據(jù)收集成本，并且能讓汽車制造商更有信心地推出L3級自動駕駛服務(wù)，從而降低風險。
12. 使用激光雷達并通過空中下載（OTA）軟件升級的L2+等級自動駕駛，可以逐步提高車輛的安全性，并且在不更換激光雷達硬件的情況下達到L3級自動駕駛水平。
L3級自動駕駛是自動駕駛領(lǐng)域的最小可行產(chǎn)品（MVP）
如同在任何新市場中一樣，對于最小可行產(chǎn)品（MVP）需要有一個清晰的定義。這樣一個最小可行產(chǎn)品的定義可以轉(zhuǎn)化為減少與各種城市場景、十字路口相關(guān)的顯著復(fù)雜性，以及降低道路中間出現(xiàn)諸如行人、騎自行車的人這類道路弱勢群體（VRU）的高可能性。 對交通事故的帕累托分析表明，道路上的大多數(shù)死亡事故發(fā)生在高速公路和城市的直道上，主要原因是駕駛員注意力不集中。將L3級自動駕駛車輛主要限制在高速公路上行駛，將簡化整個自動駕駛系統(tǒng)的要求和成本，消除我們生活中巨大的日常風險，并減少人們每天對汽車進行數(shù)小時人工操控的需求。 盡管高速公路駕駛簡化了駕駛決策軟件的工作，但它對激光雷達傳感器提出了更多要求，這使得汽車制造商在選擇激光雷達時面臨更大的困難。在高速公路上行駛時車速較高，這就需要更長的制動時間，同時也對自動駕駛系統(tǒng)提出了更高的要求。在傳感器層面上增加探測范圍，可以為軟件系統(tǒng)提供更長的響應(yīng)時間。
在第3部分，將討論傳感器融合問題，并對攝像頭、毫米波雷達和激光雷達進行比較。在第4部分，我們會探討激光雷達的技術(shù)規(guī)格，并指出激光雷達制造商的宣傳可能存在誤導(dǎo)性，必須仔細評估。在第5部分，會展示一個高速公路安全事件的應(yīng)用案例，以及為確保安全駕駛所需達到的性能要求。 在第6部分，將介紹InnovizTwo激光雷達，它是基于與汽車行業(yè)技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者進行數(shù)千小時面對面討論后所明確的各項需求而研發(fā)的。
傳感器融合
在車輛的駕駛決策過程中，對各種類型傳感器的運用被定義為 “傳感器融合”。大多數(shù)L2級智能輔助駕駛車輛使用攝像頭和毫米波雷達作為做出駕駛決策（車輛速度和行駛軌跡的改變）的傳感器。攝像頭和毫米波雷達無法相互提供冗余功能，也無法滿足功能安全要求。為了符合國際標準化組織（ISO）26262標準中汽車安全完整性等級D（ASIL D）的要求，駕駛員被定義為冗余傳感器，通過觀察道路情況，并對攝像頭或毫米波雷達的任何錯誤檢測提供備份。因此，要求駕駛員將視線始終放在道路上，手放在方向盤上，以便在車輛的駕駛決策系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤時能夠接管車輛。在L2級和L2+智能駕駛系統(tǒng)中，一旦發(fā)生事故，駕駛員需承擔責任。 在美國汽車工程師學(xué)會（SAE）J3016-2021標準中，對于L3級到L5級的自動駕駛車輛，汽車原始設(shè)備制造商（OEM）被定義為在指定的運行設(shè)計域（ODD）內(nèi)的法定駕駛員。因此，在自動駕駛系統(tǒng)完全接管全部駕駛?cè)蝿?wù)的情況下，無論是在規(guī)定的應(yīng)用場景（L3級到L4級）還是所有應(yīng)用場景（L5級）中，只要符合ISO 26262標準中ASIL D等級的要求，汽車原始設(shè)備制造商就要對所發(fā)生的一切負全部責任。這旨在確保故障發(fā)生的概率足夠低，使得汽車制造商、消費者和監(jiān)管機構(gòu)都認可車輛能夠在特定區(qū)域和特定時間內(nèi)無需人類駕駛員的監(jiān)督即可進行駕駛操作。 傳感器套件被視為自動駕駛系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。如果不能準確了解車輛周圍的環(huán)境，就無法做出正確的駕駛決策。符合ISO 26262標準中ASIL D等級要求的系統(tǒng)需要關(guān)鍵部件具備 “智能” 冗余功能?！爸悄堋?冗余是指混合使用不同類型的傳感器，而不是簡單地使用多個相同類型的傳感器（即攝像頭、毫米波雷達或激光雷達）來在傳感器發(fā)生故障時提供備份。 由于所有類型的傳感器都存在局限性，混合使用多種傳感器可以提高在任何給定情況下總有一個傳感器能夠良好工作的可能性。每個傳感器必須獨立工作，它們之間不能有任何相互干擾。這樣一來，無論對于某種特定類型的傳感器來說駕駛條件多么具有挑戰(zhàn)性，都始終能夠做出正確的駕駛決策。每種類型的傳感器還必須配備其獨立的感知軟件，以確保不僅在硬件上具備冗余功能，在軟件上也具備冗余功能。 由于每種傳感器都有其優(yōu)缺點，因此有必要同時使用攝像頭、雷達和激光雷達，它們相互補充，并提供ISO 26262標準所要求的冗余功能。
圖6：激光雷達、攝像頭和毫米波雷達在不同維度上的性能表現(xiàn)
攝像頭
攝像頭是一種很好的傳感設(shè)備，是如今用于實現(xiàn)對場景理解的基礎(chǔ)傳感器。攝像頭屬于被動傳感器，依賴外部光源（太陽、汽車前燈、街道照明等）。然而，在光線較暗的條件下、強光導(dǎo)致的飽和狀態(tài)下，以及諸如鏡頭上有水漬導(dǎo)致圖像模糊的天氣條件下，攝像頭的性能會大幅下降。ISO 26262標準要求由不同類型的傳感器提供冗余功能。不能通過使用另一個攝像頭傳感器來使攝像頭具備冗余功能，因為另一個攝像頭也很有可能出現(xiàn)類似的故障。
除了受到環(huán)境因素的影響之外，攝像頭傳感器的二維特性在某些物體被遮擋或僅部分被捕捉的場景中，限制了物體檢測的真陽性率（TPR）。物體檢測依賴于機器視覺，這需要事先使用足夠的數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練。對于不同類型可能出現(xiàn)的物體的邊緣情況，需要對訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中未包含的物體進行實時檢測。在不同的性能下降模式下，攝像頭很難滿足這樣的要求。
圖7：在低光條件下攝像頭與激光雷達的對比
圖8：在有霧/下雨天氣條件下攝像頭與激光雷達的對比
毫米波雷達
毫米波雷達在確定沿徑向方向移動的物體的位置和速度方面表現(xiàn)出色。毫米波雷達傳感器可以根據(jù)其工作距離范圍進行分類：短程毫米波雷達（SRR）的工作距離范圍為0.2米至30米，中程毫米波雷達（MRR）的工作距離范圍為30米至80米，遠程毫米波雷達（LRR）的工作距離范圍為80米至超過200米。 毫米波雷達是一種能夠降低對環(huán)境因素敏感度的優(yōu)良傳感器類型；然而，即使是目前正在研發(fā)的最先進的 “下一代” 毫米波雷達，由于其分辨率較低，也無法提供足夠的場景信息。此外，毫米波雷達在檢測靜止物體或垂直于徑向方向移動的物體時存在困難。它們也無法準確確定物體的形狀或小型物體的大小。因此，如今的毫米波雷達無法為攝像頭提供全面的冗余功能，以實現(xiàn)對場景的精確理解。
激光雷達
僅使用攝像頭和毫米波雷達的L2/L2+自動駕駛平臺需要人類進行監(jiān)督。因此，它們不符合L3級自動駕駛根據(jù)ISO 26262標準所要求的進行全面冗余分析的規(guī)定。目前，只有激光雷達能夠保證為攝像頭和毫米波雷達提供冗余功能。 激光雷達是自動駕駛汽車（AV）中的一個關(guān)鍵組成部分，其具備的傳感能力是毫米波雷達和攝像頭都無法比擬的。激光雷達在夜間運行時表現(xiàn)卓越，因為它不像攝像頭那樣依賴環(huán)境光。在惡劣的天氣條件下，激光雷達在物體檢測方面也比攝像頭更具優(yōu)勢。與攝像頭相比，激光雷達更不容易受到直射陽光或迎面而來的汽車前燈的強光干擾。此外，激光雷達的分辨率比毫米波雷達高得多，能夠更好地識別物體。
圖9：在直射陽光下攝像頭與激光雷達的對比激光雷達能夠提供高分辨率、精確的三維世界圖像，感知軟件層最容易利用它來創(chuàng)建對現(xiàn)實物理世界有價值的呈現(xiàn)。激光雷達系統(tǒng)使用脈沖激光束發(fā)射光線，這些光線從環(huán)境中的物體上反射（反彈）回來，在返回時被激光雷達的傳感器檢測到。通過返回時間的差異來計算物體與激光雷達之間的精確距離。這與攝像頭不同，攝像頭是估算物體到傳感器的距離。 從激光雷達掃描返回的光點由激光雷達的處理單元收集和處理，以創(chuàng)建點云，即便是在光線較暗的條件下，也能形成對環(huán)境的三維（3D）呈現(xiàn)。點云可以從多個視角（即俯視、駕駛員視角、第三人稱視角等）展示環(huán)境。隨著時間推移，每個激光雷達點都反映出完整的X、Y和Z軸反射率數(shù)據(jù)。 當從多個視角查看時，這些數(shù)據(jù)點會被識別并歸類為不同的物體。關(guān)于物體的其他信息，比如其位置、大小、速度、方向和反射率等，都可以從信號中確定。 雖然激光雷達有很多種類型，但由于在性能、成本、可靠性和尺寸方面存在較高的要求標準，大多數(shù)激光雷達無法滿足三級自動駕駛在高速公路行駛時的不同需求。以下分析基于攝像頭和毫米波雷達存在不足的駕駛場景和事件，提出了L3級自動駕駛激光雷達必須具備的不同屬性。
L3級自動駕駛激光雷達的規(guī)格和性能
由于駕駛是一種動態(tài)的體驗，激光雷達的設(shè)計必須使其能夠在廣泛的條件和情況下實現(xiàn)最佳性能。由于性能參數(shù)之間是相互關(guān)聯(lián)的，為了適應(yīng)標準駕駛條件和特殊情況，需要在很多方面進行權(quán)衡取舍。 在考慮最佳性能時，應(yīng)結(jié)合安全性和舒適性的要求。安全性（或緊急情況）方面的要求，源于對檢測與碰撞相關(guān)事件的需求，這些事件涉及到移動的物體、不能從上面碾壓過去的物體以及不能從下面穿行的物體。舒適性對于用戶體驗來說也是一個重要因素，應(yīng)避免出現(xiàn)突然停車、急轉(zhuǎn)彎或任何其他意外動作。當把性能因素考慮在內(nèi)時，舒適性和安全性的結(jié)合就形成了一系列細致入微的要求。自動駕駛汽車的設(shè)計行駛速度越快，在高速公路自動駕駛時對相應(yīng)的分辨率、探測范圍和幀率的要求也就越高。不過，需要注意的是，這種更高的性能只在一個較小的感興趣區(qū)域（ROI）內(nèi)是必需的，這個區(qū)域也就是用于遠距離探測的視場（FOV）中心部分。
圖10：駕駛中舒適性與安全性要求的對比
以下表格列出了對于理解L3級自動駕駛激光雷達規(guī)格和性能最為重要的參數(shù)。 在本節(jié)中，將闡述高速公路駕駛的相關(guān)要求，這是L3級自動駕駛激光雷達的主要應(yīng)用場景。會探究那些決定激光雷達設(shè)計和性能的要求及考量因素，同時權(quán)衡舒適性與安全性。在本節(jié)結(jié)尾，會展示一個頗具挑戰(zhàn)性的、并非罕見的應(yīng)用案例，而該案例已導(dǎo)致多起備受關(guān)注的涉及開啟自動輔助駕駛功能的L2+車輛的事故。
激光雷達的安裝位置
人們可能會認為，與L4級自動駕駛以及城市場景相比，L3級自動駕駛平臺的要求或許會有所放寬。然而，由于L3級自動駕駛的目標車輛主要是私家車，在很多情況下，汽車的設(shè)計及其外觀會優(yōu)先于其他所有要求。 外觀決定銷量。 激光雷達在車輛中的安裝位置對激光雷達的設(shè)計和車輛的設(shè)計都有著重大影響。汽車的設(shè)計很容易決定激光雷達的設(shè)計。
諸如安裝在格柵處、車頂上、擋風玻璃后面，或者與前大燈安裝在一起等安裝位置，會顯著影響以下方面：- 視場FOV - 尺寸和縱橫比 - 環(huán)境條件和氣流 - 車窗的傾斜度、顏色，以及抵御碎石撞擊和各種道路污垢的能力 - 清潔系統(tǒng)的設(shè)計
由于上述原因，L3級自動駕駛汽車對激光雷達設(shè)計師的要求，比如今的L4級自動駕駛穿梭巴士或自動駕駛出租車更為苛刻，因為L3級自動駕駛所使用的激光雷達不應(yīng)過于突兀。遺憾的是，汽車設(shè)計師并不總是認為激光雷達是最具價值的設(shè)計元素。在某些情況下，汽車的設(shè)計在所有技術(shù)要求都確定之前就已經(jīng)完成，而且這些技術(shù)要求并未得到充分考慮。由于汽車設(shè)計在汽車制造商的層級體系中處于較高的優(yōu)先級，工程師們必須適應(yīng)由設(shè)計所決定的工程要求，而這在很多情況下會迫使激光雷達做出重大的設(shè)計變更。
用于高速公路駕駛的激光雷達配置
前視激光雷達由于不存在交叉路口、交通信號燈，也沒有包括行人和騎自行車的人在內(nèi)的復(fù)雜城市場景，L3級自動駕駛在高速公路上行駛的要求得以簡化。這意味著，可能僅需對行駛車輛的前方視野提供冗余功能。因此，假設(shè)一輛車配備的激光雷達能夠滿足所有設(shè)計要求，那么這輛車可能只需要一個激光雷達。如果需要額外的冗余功能，多個激光雷達會有所幫助。 這個感興趣區(qū)域定義了視場、分辨率、幀率和探測范圍，即便以犧牲乘客的舒適性為代價，也要確保乘客的安全。我們將其稱為 “安全視場”。需要重點注意的是，由于車輛在近距離內(nèi)的反應(yīng)時間更短，因此近距離的安全視場要求比遠距離的更高。為了避免汽車不必要的制動（這會影響用戶體驗），對近距離的誤報情況制定了嚴格的要求。
視場和感興趣區(qū)域
如前所述，對于視場的不同區(qū)域，分辨率和探測范圍的要求是不同的。將這些要求劃分到兩個不同的區(qū)域，這兩個區(qū)域共同構(gòu)成了所有的要求。不出所料，視場中心的要求更高，因為通常假設(shè)激光雷達安裝在汽車的中心位置，且正對著汽車行駛的方向。 可以增加視場中選定區(qū)域（即感興趣區(qū)域）的探測范圍和分辨率。感興趣區(qū)域是指汽車應(yīng)在遠距離檢測到危險，并在足夠的時間內(nèi)避免發(fā)生安全事故的區(qū)域。
通過在感興趣區(qū)域（ROI）內(nèi)動態(tài)聚焦激光能量，同時減少向ROI以外區(qū)域提供的激光能量，可增加探測范圍。感興趣區(qū)域可以獨立配置，并且可以位于視場（FOV）內(nèi)的任何位置。 激光雷達性能設(shè)計的關(guān)鍵考量因素為了理解駕駛需求，必須首先明確所考慮的規(guī)格參數(shù)。激光雷達的描述方式與相機非常相似，同時還有一些與相機無關(guān)的考量因素。
1. 水平視場（HFOV）：激光雷達在每一幀中能夠捕捉到的水平角度。
2. 垂直視場（VFOV）：激光雷達在每一幀中能夠捕捉到的垂直角度。
3. 水平分辨率（HRes）：同一行像素之間的角度間隔。
4. 垂直分辨率（VRes）：同一列像素之間的角度間隔。
5. 探測范圍：在特定光照條件下，每個像素針對特定反射率所能達到的預(yù)期最大測量范圍。
6. 幀率：所有像素每秒刷新的次數(shù)。
水平視場
- 水平視場考量因素：為了實現(xiàn)安全舒適的駕駛，需要寬闊的水平視場（HFOV）。HFOV越寬，車輛就越能更好地預(yù)測與碰撞相關(guān)的物體并對其進行跟蹤。HFOV應(yīng)能夠檢測到插隊情況，即超車車輛突然進入本車車道。檢測插隊情況所需的最小視場為120°。
圖13：水平視場（HFOV）的考量因素
該分析的假設(shè)條件如下：
1. 激光雷達安裝在汽車的格柵處。如果是安裝在車頂上，所需的視場（FOV）會更低，因為激光雷達所處的位置能夠更早地檢測到車輛插隊的情況。?2. 本車的寬度約為1.9米。更寬的車輛可能需要更寬的視場。?3. 對于高速公路場景的應(yīng)用案例，超車車輛的長度為1.6米或更長。4. 車道標線之間的距離為3.7米。汽車中心與車道標線內(nèi)側(cè)的距離為1.875米。本車側(cè)面與車道標線之間有90厘米的安全余量。?5. 當以非常低的速度行駛或在交通嚴重擁堵的情況下，汽車的超聲波傳感器能夠檢測到距離相鄰車輛側(cè)面最遠1米的范圍。?6. 超車車輛的行駛速度與本車相似或高于本車。?7. 為了高度確信地檢測和分類物體，必須檢測到相鄰車道車輛前部至少40厘米的長度。?8. 快速行駛的車輛可以以大約5°的角度進行橫向變道。在時速130公里的情況下，橫向速度為每秒3.14米。假設(shè)幀率為20幀每秒，且至少在三幀畫面中檢測到（目標車輛），在本車做出反應(yīng)之前，超車車輛可以行駛47厘米。
為了檢測到超車車輛的前部，在幀率為20幀每秒的情況下，大約需要120°的水平視場（HFOV）。如果幀率更低，就需要更大的安全余量，并且水平視場也應(yīng)該相應(yīng)增大。?圖14：激光雷達安裝在格柵處時的車輛插隊場景
如下所示，安裝在車頂上的激光雷達檢測車輛插隊情況時所需的水平視場（HFOV）較低。?
感興趣區(qū)域（ROI）的水平視場
最小的ROI視場必須能夠應(yīng)對由不同道路坡度、汽車加減速、風以及傳感器方向在線校準誤差所引起的快速變化。所有這些誤差都必須由ROI內(nèi)充足的固定視場來覆蓋，而不能通過操控激光雷達掃描來補償。對場景的最低限度理解也要求具備掃描多個車道和不同類型道路曲率的能力。此外，還需要額外的視場作為緩沖，以考慮到工廠裝配時的公差。
圖16：水平視場中感興趣區(qū)域（ROI）的考量因素
該角度（半水平感興趣區(qū)域角度，即 half HROI）是從一個通過弧長公式計算得出的角度中提取出來的。
道路曲率最小半徑（R） = 280 米
最大安全檢測范圍（A） = 100 米
偏航容差為 1.5°（安裝容差） + 0.1°（偏航校準誤差）
自車車道邊界 = 1.5 倍車道寬度 + 1 米 = -6.625 米
（偏航角度）+3.5°（車道邊界角度）～15°
感興趣區(qū)域（ROI）的水平視場角 = 2α（自車車道兩側(cè)）～30°既然已經(jīng)確定了水平視場（HFOV），并且知道了最小檢測距離為100米，那么我們就可以計算出車輛行駛的速度。我們確定該速度為每小時130公里（每小時80英里）。
請注意，道路曲率通常會限制車輛的最高速度。自動駕駛汽車架構(gòu)師可以通過考慮由最高速度得出的最大檢測范圍來調(diào)整感興趣區(qū)域的水平視場角（ROI HFOV）。 垂直視場 垂直視場相關(guān)考量 垂直視場角（VFOV）由其向下和向上的需求所定義。所需的表面檢測是由距離約3米處地面（小物體）的最低檢測要求來界定的 。
圖19：激光雷達的安裝選項
用于確定格柵安裝垂直視場角中α和β值的公式為：
為了在發(fā)現(xiàn)激光雷達的掃描角度偏離理想掃描角度時，將其掃描模式調(diào)整到正確位置，可調(diào)節(jié)的垂直視場角（VFOV）是很有必要的。掃描位置偏離正確位置可能有以下幾個原因：?- 激光雷達安裝在車身上的過程中存在安裝公差不夠精確的情況。?- 由于負載不均衡或車輛老化導(dǎo)致車輛姿態(tài)發(fā)生變化。?- 車輛在高速行駛時懸架發(fā)生變化。
上述公式僅作為一個示例。汽車制造商需要考慮他們計劃安裝激光雷達的所有車型中激光雷達的安裝位置，因為安裝位置決定了激光雷達的設(shè)計和性能。 對于安裝在格柵處、高度為50厘米的情況，垂直視場角（VFOV）的總和應(yīng)為25°至40°。垂直方向的要求是由檢測從車輛上突出的裝載貨物（高度約為1.5米）以及檢測可行駛下方的物體（如低矮橋梁）的需求所決定的。垂直視場角（VFOV）的要求也應(yīng)根據(jù)安裝高度（格柵、車頂、擋風玻璃或前大燈）來計算。車頂安裝的情況下，對垂直視場角（VFOV）的要求應(yīng)該較低，因為檢測突出物體相對更容易，而且發(fā)動機罩會阻擋向下的視野。
?感興趣區(qū)域（ROI）的垂直視場角
感興趣區(qū)域（ROI）的垂直視場角是由一個視角決定的，該視角能夠適應(yīng)不同的道路坡度，以確保在遠距離時仍能檢測到道路上的任何小物體?？偟拇怪币晥鼋牵╒FOV）大于感興趣區(qū)域（ROI）的垂直視場角，但垂直視場角（VFOV）其他部分的探測范圍和分辨率要求較低。感興趣區(qū)域（ROI）的最小視場角必須能夠應(yīng)對駕駛條件的快速變化，例如不同的道路坡度、汽車的加速和減速以及風力，還有傳感器校準中的在線誤差。感興趣區(qū)域（ROI）足夠的固定視場角必須考慮到所有這些誤差。這些誤差無法通過調(diào)整激光雷達的掃描來補償，因為它們往往變化迅速且無法預(yù)測，因此只能通過更大的垂直視場角（VFOV）來補償。 對于掃描式激光雷達來說，10°的垂直視場角足以消除可能導(dǎo)致有效垂直視場角發(fā)生變化的因素，例如裝配公差、底盤老化、車輛載重等。這些因素是具有足夠動態(tài)范圍的掃描式激光雷達能夠補償?shù)摹?/p>
圖20：垂直視場角（VFOV）的感興趣區(qū)域（ROI）
足夠的垂直視場角（VFOV）對于消除掃描線之間的間隙來說是必要的。需要一個密集的感興趣區(qū)域（ROI），以便汽車能夠檢測到那些車輛無法安全駛過的物體，因為這些物體可能會損壞汽車，甚至可能會傷害車內(nèi)的乘客。任何高度超過14厘米（這是標準乘用車的懸架長度或底盤高度）的物體都可能損壞汽車。如果掃描線之間存在間隙，汽車就無法判斷某個物體是否超過了在一定速度下行駛時可能會損壞汽車的高度。因此，一旦識別出這樣的物體，就有必要讓汽車在安全距離處停下。 閃光式激光雷達（無法調(diào)整其光束方向）將需要額外增加5°的感興趣區(qū)域（垂直視場角，總共為15°）。
圖21：可調(diào)節(jié)的垂直視場角（VFOV）
分辨率
感興趣區(qū)域（ROI）之外的分辨率
感知軟件檢測目標的能力取決于為了能夠?qū)δ繕诉M行高可信度的識別和分類而需要在目標上檢測到的最少像素數(shù)量。距離越近，所需的分辨率就越低。在150米的距離處，分辨率為0.05°時，每個像素的高度為13厘米。而在50米的距離處，則需要0.15°的分辨率才能達到相同的像素尺寸。
圖22：感興趣區(qū)域（ROI）之外的分辨率
然而，只要分辨率足夠高，檢測人的所需像素數(shù)量可能是相同的，無論他們距離多遠。這是基于這樣一個假設(shè)，即感知層在安全區(qū)域內(nèi)對物體進行分類和識別的能力應(yīng)保持相同水平的置信度。至少需要 2x4（水平×垂直）個像素才能檢測并識別人。
圖23：感知層對不同距離處人的識別情況
如果沒有足夠數(shù)量的像素，一名行人將會被識別為一個移動物體，而不會被識別為行人。
圖24：行人分類要求?為了實現(xiàn)良好的軌跡預(yù)測，分類是很重要的。 感興趣區(qū)域（ROI）內(nèi)的水平分辨率 為了在遠距離時更有可能對易受傷害道路使用者（VRUs）進行正確的識別和分類，就需要更高的水平分辨率。假設(shè)在150米處有一名寬度約為40厘米的行人，使用0.07°的分辨率能夠在水平方向上檢測到2至3個像素。
圖25：水平分辨率的考量因素 感興趣區(qū)域（ROI）內(nèi)的垂直分辨率 感興趣區(qū)域（ROI）內(nèi)所需的分辨率是由這樣一種物體的高度決定的：該物體在一定速度下可能會損壞汽車或?qū)е缕嚪?。由于標準乘用車的懸架長度或底盤高度為14厘米，所以任何高度超過14厘米的物體，如果汽車從上面駛過，都可能會損壞汽車。
圖26：垂直分辨率
需要一個密集的感興趣區(qū)域（ROI），以便汽車能夠檢測到那些無法從上面駛過的物體，因為它們可能會損壞汽車，并有可能傷害車內(nèi)的人員。如果掃描線之間存在間隙，汽車就無法判斷一個超過一定高度的物體可能會損壞汽車。因此，一旦識別出這樣的物體，就必須讓汽車在安全距離處停下。 為了避免在車輛可行駛區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)誤報，并在檢測時達到足夠的置信度，在多個幀中必須至少檢測到兩個垂直像素。在大約100米的距離處，需要0.05°的分辨率，以確保能夠檢測到一個高度為14厘米的目標上的兩個連續(xù)像素。這就將在干燥路面上的L3級自動駕駛速度限制在130公里/小時。具體解釋見下文。 分辨率和檢測距離的重要性再怎么強調(diào)都不為過。單個被檢測到的像素所代表的物體大小，會根據(jù)激光雷達的檢測距離和角分辨率而有所不同。例如，在200米的距離處，一個由分辨率為0.05°的激光雷達檢測到的像素，可能是一個高度為1厘米、反光性很強的物體，汽車可以忽略它；也可能是一個高度為17厘米、反光性較弱的物體，汽車不能忽略它。即使激光雷達能夠在500米的距離處檢測到一個像素，也需要足夠的分辨率來確定汽車應(yīng)做出的反應(yīng)。
圖 27：一個像素內(nèi)物體的高度模糊性感興趣區(qū)域（ROI）的垂直尺寸由一個視角決定，該視角能夠適應(yīng)不同的道路坡度，以確保道路上的任何小物體在遠距離時都能被檢測到。雖然總的垂直視場角（VFOV）大于感興趣區(qū)域（ROI）的垂直視場角，但垂直視場角（VFOV）的其余部分對探測范圍和分辨率的要求較低。
探測距離
感興趣區(qū)域（ROI）內(nèi)的探測距離
激光雷達的探測距離由幾個影響其性能的參數(shù)決定，例如物體的反射率、激光雷達的靈敏度，以及它對環(huán)境噪聲和環(huán)境條件的適應(yīng)能力。
假設(shè)激光雷達具有足夠的分辨率，隨著檢測距離的增加，汽車的反應(yīng)會更加平穩(wěn)。以 80 英里每小時（130 公里每小時）的速度舒適駕駛，要求汽車能夠識別至少 200 米外的易受傷害道路使用者（VRUs）。由于激光雷達在其使用期限內(nèi)可能出現(xiàn)性能下降，或者受到天氣條件的影響，建議探測距離超過 200 米。
圖 28：影響感興趣區(qū)域（ROI）探測距離能力的因素
由于檢測到的物體由多個像素組成，應(yīng)以 95%-97% 的真陽性率（TPR）檢測到物體。在足夠的分辨率下，若物體能被檢測到 6 個或更多像素，總 TPR 可超過 99.9999%（假設(shè)每個像素的檢測概率為 0.5 且像素間獨立）。
感興趣區(qū)域（ROI）外的探測距離
遠距離和短距離檢測需考慮不同因素。一般而言，探測器的原生分辨率越高，每個像素收集的光量越少，這會降低探測距離能力。這種權(quán)衡在檢測大型深色物體（如黑色車輛）時尤為明顯 —— 這類物體更容易被低原生分辨率的激光雷達檢測到。
大多數(shù)激光雷達方案需要在提高分辨率和降低每像素靈敏度（從而導(dǎo)致探測距離縮短）之間權(quán)衡。例如：黑色金屬車輛因尾部存在逆向反射器（如車牌或尾燈上的塑料透鏡），可在 150 米距離以 10% 反射率被檢測。相鄰車道行駛的黑色金屬車輛在 50 米距離需以 1% 反射率檢測。
圖29：感興趣區(qū)域（ROI）外的探測距離
幀率
幀率的定義是每秒內(nèi)所有像素被完全刷新的次數(shù)。每秒20幀（FPS）意味著每1/20秒激光雷達會提供一個新的幀，其中所有像素的測量均不依賴前一幀的數(shù)據(jù)。更高的幀率能帶來更長的反應(yīng)時間和更快的運動檢測能力。通過連續(xù)采集多幀可以提升性能。例如，采用“7幀中4幀”（4-out-of-7, 4oo7）的最佳實踐（即連續(xù)7幀中有4幀檢測到目標）可確保足夠的檢測置信度和真陽性率（TPR），從而實現(xiàn)對物體的準確檢測。
圖30：幀率的考量因素
同時實現(xiàn)高分辨率、高幀率與大垂直視場角（VFOV）的挑戰(zhàn)
在前文中，分別討論了激光雷達的各項性能參數(shù)。盡管激光雷達的規(guī)格參數(shù)在數(shù)據(jù)表中獨立定義，但某些參數(shù)的上限通常是單獨測量的，而非在同時滿足所有其他參數(shù)的條件下測得。然而，激光雷達必須能夠在實際運行中同時滿足所有參數(shù)的要求。在評估激光雷達時，需綜合考慮各項規(guī)格和參數(shù)之間的相互制約關(guān)系，因為優(yōu)化單一參數(shù)往往需要犧牲其他性能。由于參數(shù)間存在依賴關(guān)系，必須避免因調(diào)整某一參數(shù)而導(dǎo)致其他參數(shù)性能下降。 ?示例：幀率、分辨率與垂直視場角（VFOV）的相互制約，假設(shè)某激光雷達的工作幀率為10FPS（每秒10幀），且支持每秒640線的掃描能力，則每幀最多可覆蓋64線。若需在10FPS下實現(xiàn)0.05°的分辨率，其垂直視場角（VFOV）僅能覆蓋3.2°（計算方式：64線 × 0.05°/線 = 3.2°）。若進一步提高幀率（例如增加至20FPS），在相同掃描線數(shù)下，垂直視場角（VFOV）將進一步縮小。這一案例表明，分辨率、幀率與VFOV之間存在嚴格的資源分配矛盾。在實際設(shè)計中，需通過系統(tǒng)級權(quán)衡（如掃描模式優(yōu)化、多傳感器融合）來突破單一參數(shù)的限制，以滿足自動駕駛對感知性能的綜合需求。
圖31：配置權(quán)衡-反射率響應(yīng)
反射率數(shù)據(jù)是通過測量每個像素收集到的光量生成的。通過根據(jù)測量距離對該值進行歸一化處理，可以提取出物體的反射率。這一信息有助于識別車道標線，并提升對車輛和行人的分類準確性。 ?反射率的定義與測量原理是物體的反射率定義為實際收集到的光量與理想白色朗伯表面（所有光線以朗伯方式散射且不吸收任何光）預(yù)期散射回的光量之間的比值。反射率范圍可在0%至數(shù)百百分比之間，其中100%反射率對應(yīng)理想白色物體（以朗伯方式全反射）。朗伯表面被定義為一種"理想無光澤表面"，無論觀察者的視角如何，其接收到的光量均相同。
圖32：反射率的考量因素
漫反射表面會均勻散射光線，而鏡面（類似鏡子）物體則沿特定方向反射光線?；谶@一現(xiàn)象，主動傳感器需要以接近法線的入射角來檢測鏡面表面的反射。這一特性被逆反射器所利用：通過將多個鏡面排列組合，使得從寬角度范圍進入的光線在多次反射后沿入射方向返回。這種設(shè)計可使反射光強度達到理想漫反射表面的數(shù)倍。此外，高透射表面（透明材料，如玻璃）反射的光極少，且其反射光通常為鏡面反射。這導(dǎo)致當入射角從銳角變?yōu)榇怪睍r，表面會突然“顯現(xiàn)”。如黑色金屬車輛因兼具深色與金屬（類鏡面）特性，反射率極低。以下是不同物體及其預(yù)期反射率的示例。
圖33：不同反射率水平的物體
自動駕駛面臨的挑戰(zhàn)?應(yīng)對高速公路安全事件
自動駕駛平臺由功能安全工程師設(shè)計，這些工程師會分析所有可能的駕駛場景。系統(tǒng)必須通過必要的冗余措施來降低每一個可預(yù)見的風險。工程師們會分析數(shù)百個這樣的場景，然后將其轉(zhuǎn)化為對系統(tǒng)和激光雷達的要求。以下是一個邊緣案例場景，它有助于確定激光雷達的設(shè)計要求。該場景描述了一輛以130公里/小時（80英里/小時）行駛的車輛（“后車”）跟隨著一輛以相近速度行駛的前車。后車行駛在相鄰車道的兩輛車之間，無法變道。前車遮擋住了一個位于前方100米處、高度略高于14厘米的物體。
前車在最后一刻變道，露出了一個在120米處的物體。（此時）后車無法判斷該物體是否可以從上面駛過。
由于水平和垂直方向上感興趣區(qū)域（ROI）的視野范圍較大，即便道路存在坡度或彎道，當后車開始變道時，也能立刻檢測到該物體。又因為具備較高的水平分辨率，即使物體部分被遮擋，也能夠被檢測到。
該系統(tǒng)需要在7幀圖像中有4幀檢測到危險情況，以便在實施緊急制動時具備足夠的置信度。在垂直分辨率為0.05°的情況下，后車在距離120米處無法確定那個14厘米高的物體是否可以從上面駛過。只有在距離100米處，后車才能以高置信度在7幀圖像中檢測到4幀存在該危險物體的情況。
圖37：以高真陽性率（TPR）檢測到“7幀中4幀”（4oo7）的情況
圖38：以高真陽性率（TPR）檢測到“7幀中4幀”（4oo7）的情況?在幀率為20幀每秒（20FPS）的情況下，以130公里每小時行駛的后車在0.35秒內(nèi)會行駛12.5米。在那個距離下，它會實施緊急制動，而制動系統(tǒng)的完全機械延遲約為0.5秒，在此期間車輛會再行駛18米。車輛只有在距離目標70米時才會開始減速。通過非常強力且會讓駕乘人員感到不適的制動，車輛會在距離物體4.5米處停下。 ?以下對那些能夠改善反應(yīng)時間并增加制動距離的參數(shù)進行的敏感性分析表明，與探測距離或幀率相比，垂直分辨率提升100%所帶來的效益是最大的。
雖然上述例子是一個極端場景，但從這個用例中我們可以得出以下幾點結(jié)論：
1. 如果后車在距離物體小于95米時才檢測到它，那就無法避免碰撞。假設(shè)在最糟糕的情況下，當車輛以130公里每小時的速度行駛時，需要有100米的清晰視線范圍。
2. 如果路面是濕滑的，所需的制動時間會更長，因為汽車應(yīng)該減速行駛。始終考慮不同的路面狀況是至關(guān)重要的。
3. 上述例子假設(shè)幀率為20幀每秒（20FPS）。如果幀率更低，就需要更長的清晰視線范圍。
4. 即使系統(tǒng)能夠在500米的范圍內(nèi)進行檢測，也只有在具備足夠的分辨率和幀率的情況下，才能檢測到物體。
5. 在這種情況下，一些駕駛決策措施可能會有所幫助，例如當檢測到前車變道時自動減速。
6. 在定義緊急制動場景下的激光雷達性能要求時，必須考慮每輛車的懸架高度和制動能力。
InnovizTwo為高速公路自動駕駛駕駛優(yōu)化的設(shè)計旨在確保安全且舒適的駕駛體驗。它具備前所未有的分辨率、幀率和探測范圍。高垂直分辨率使得它能夠在遠距離檢測到小型物體。其設(shè)計基于從 InnovizOne 中獲得的寶貴經(jīng)驗，InnovizOne 被應(yīng)用于寶馬的第一代自動駕駛汽車中。它的設(shè)計還得益于與領(lǐng)先的汽車原始設(shè)備制造商（OEM）數(shù)千小時的需求探討。 ?InnovizTwo 采用了與 InnovizOne 相同的經(jīng)濟高效的 905 納米激光技術(shù)和專有專用集成電路（ASIC），此外還配備了一個具有更高光子探測效率的探測器和下一代掃描器。其硬件設(shè)計得到了簡化，組件更少。它的性能比 InnovizOne 更高，而且預(yù)計成本將降低 70%。InnovizTwo 支持 -40°C 至 +85°C 的溫度范圍，配備千兆以太網(wǎng)硬件接口，以及與車輛域控制器的直接軟件接口。它還包含可通過空中下載（OTA）進行升級的固件，這使得可以進行遠程功能更新，并在無需更換任何硬件的情況下將車輛從 L2+ 級別升級到 L3 級別。系統(tǒng)軟件從一開始就按照汽車軟件過程改進及能力測定（ASPICE）、ISO 26262 和汽車工業(yè)軟件可靠性協(xié)會（MISRA）的汽車軟件開發(fā)標準進行設(shè)計。 ?這款激光雷達將具備完整的網(wǎng)絡(luò)安全防護。
