迈向智慧城市 研究人员开发出室内使用的自适应多激光雷达传感器网络

盖世汽车讯 过去几十年技术的爆炸式增长为智慧城市的发展奠定了基础，智慧城市的目的是通过各种服务为城市地区的居民提供便利。通过感知各种城市空间的内部或外部情况，智慧城市可以帮助完成路线规划、物流、交通管理和预防犯罪等任务。

然而，智慧城市所提供的能力和服务与两大应用领域紧密相关：传感和电信。科学家们目前的研究重点是在传感器网络中使用多个激光雷达设备，这些设备可以收集有关人、车辆和机器人等实体位置的实时3D数据。尽管户外使用的多激光雷达传感器网络取得了实质性进展，但室内使用的多激光雷达传感器网络仍面临着亟待解决的严峻挑战。

据外媒报道，在2023年6月22日发表在期刊《IEEE Sensors Journal》上的一项研究中，来自日本的研究人员为室内多激光雷达网络开发出创新的解决方案：在带宽有限且伴随波动的限制下运行大量传感器。这项研究由芝浦工业大学（Shibaura Institute of Technology）的博士生Kuon Akiyama、Kenta Azuma和Ryoichi Shinkuma以及大阪大学（Osaka University）的Jun Shiomi进行。

图片来源：《IEEE Sensors Journal》

为了澄清当前的问题，研究人员需了解室内多激光雷达网络通常需要比户外网络更多的传感器。在户外环境中，4到5个传感器就足以覆盖盲点，而在室内网络中，由于传感器的位置受到天花板和其它障碍物的限制，因此需要10个或更多的传感器。由于室内多激光雷达网络还依赖于每个传感器和中央边缘计算机之间的无线通信，因此如果流量激增，还可能会出现共享带宽的问题。

为了解决这个问题，该研究团队实施了能够对每个传感器发送的数据量进行自适应控制的系统。在他们的设计中，每个激光雷达单元都连接到一个传感器控制设备，该设备负责抓取、缓冲数据并将其传输到边缘计算机。而计算机则持续监控和汇总来自每个传感器的数据流，仔细检查它们的延迟和波动。

最重要的是，如果计算机检测到某个传感器出现较大的延迟（可能是由于网络或带宽问题造成），则会指示传感器调整其传输的数据量。为此，每个传感器都带有一个过滤器，可以根据3D空间中每个区域的“重要性”来增加或减少传输的点云的大小，重要性则由管理员为每个特定用例预先确定。通过从带宽受限的传感器中剔除最不重要的点，可以尽可能地保持聚合点云的质量。

研究人员在两个不同条件下的室内实验环境中测试了他们的系统。Akiyama解释道：“我们在100到200MB/s的各种负载模式下对所提出的设计进行了评估，包括每分钟大小不同的动态负载。我们发现，即使网络处于动态负载下，我们的系统也能够满足延迟要求并接收非常重要的点。这表明，无论无线通信的物理速度如何，当物体在监控区域内移动以及可用网络带宽发生变化时，我们的方法都是有效的。”

室内和户外多激光雷达传感器网络的主要用例之一是创建现实世界的虚拟副本，称为数字孪生。

Akiyama强调：“拥有大量激光雷达传感器的传感器网络可以用来构建覆盖范围很广的数字孪生。这种广泛的数字孪生可以不断实时更新，以捕捉人、车辆和移动机器人的运动，从而优化自动驾驶系统。这些优化可以提高自动驾驶的安全性和效率，同时节约成本。”

该领域的进一步研究将有助于加速智慧城市的到来，使城市空间更加宜居。