La prima definizione di lidar è LIDAR, l'inglese è Light DeteaTIon and Ranging, cinese che significa" rilevamento della luce e range" ;.
In effetti, una definizione più accurata è LADAR: LAser DetecTIon and Ranging, ovvero" rilevamento laser e range" ;. Questa è una definizione proposta nel 2004, che è più in linea con il concetto di lidar.
Lidar è in realtà una sorta di radar che funziona nella banda ottica (banda speciale) e i suoi vantaggi sono molto evidenti:
1. Risoluzione estremamente elevata: Lidar funziona nella banda ottica e la frequenza è da 2 a 3 ordini di grandezza superiore rispetto al microonde. Pertanto, rispetto al radar a microonde, lidar ha una risoluzione estremamente elevata, una risoluzione angolare e una risoluzione della velocità
2. Forte capacità anti-interferenza: la lunghezza d'onda del laser è breve, può emettere un raggio laser con un angolo di divergenza molto piccolo (nell'ordine di μrad), l'effetto multi-percorso è piccolo (non formerà emissione direzionale e genererà effetti multi-percorso con microonde o onde millimetriche), rilevabili target a bassa altitudine / ultra bassa altitudine;
3. La quantità di informazioni ottenute è ricca: la distanza, l'angolo, l'intensità della riflessione, la velocità e altre informazioni sul bersaglio possono essere ottenute direttamente per generare l'immagine multidimensionale del bersaglio;
4. Può funzionare tutto il giorno: rilevamento laser attivo, non dipende dalle condizioni di illuminazione esterna o dalle caratteristiche di radiazione del bersaglio stesso. Deve solo emettere il proprio raggio laser e ottenere informazioni sull'obiettivo rilevando il segnale di eco del raggio laser emesso.
Ma il più grande svantaggio di lidar è che è facilmente influenzato dalle condizioni atmosferiche e dal fumo dell'ambiente di lavoro. È molto difficile ottenere un ambiente di lavoro per tutte le stagioni.
Classificazione Lidar
Se la classificazione del lidar è suddivisa in sistemi, ci sono principalmente lidar a rilevamento diretto e lidar a rilevamento coerente. In effetti, ciò che abbiamo menzionato al momento, tra cui la guida automatica, i robot e il lidar utilizzati per il rilevamento e la mappatura, fondamentalmente appartengono a questo tipo di lidar a rilevamento diretto. Alcuni radar speciali, come la misurazione del vento e della velocità, utilizzano generalmente un sistema coerente. Se la classificazione del lidar è suddivisa in sistemi, ci sono principalmente lidar a rilevamento diretto e lidar a rilevamento coerente. In effetti, ciò che abbiamo menzionato al momento, tra cui la guida automatica, i robot e il lidar utilizzati per il rilevamento e la mappatura, fondamentalmente appartengono a questo tipo di lidar a rilevamento diretto. Alcuni radar speciali, come la misurazione del vento e della velocità, utilizzano generalmente un sistema coerente.
Secondo la classificazione dell'applicazione, possiamo dividere di più, come ad esempio: telemetro laser, radar di imaging tridimensionale laser, radar di misurazione della velocità laser, radar di rilevamento atmosferico laser e così via.
Che si tratti di lidar a linea singola, lidar a più righe o lidar di rilevamento, possiamo sostanzialmente dividerlo nella categoria del radar per imaging tridimensionale laser.
Un radar per imaging tridimensionale laser, infatti, deve ottenere due informazioni fondamentali: informazioni sulla distanza target e informazioni sull'angolo target.
Se determiniamo il suo standard di seduta tridimensionale, dobbiamo ottenere le informazioni sulla distanza, sull'azimut e sull'angolo di inclinazione. Quindi calcoliamo il punto di coordinate tridimensionali del bersaglio in base alle tre informazioni di distanza, angolo azimutale e angolo di inclinazione.
In generale, la tecnica per ottenere informazioni sull'angolo misurando l'encoder è molto matura. Siamo più preoccupati su come ottenere le informazioni sulla distanza del lidar.
Il radar per imaging tridimensionale laser può ottenere i dati tridimensionali della nuvola di punti del bersaglio attraverso la tecnologia di misurazione dell'angolo diretto e dell'angolo diretto, e i dati ottenuti sono essi stessi dati tridimensionali. Non richiede una grande quantità di calcoli ed elaborazioni per generare l'immagine tridimensionale target e la gamma laser ha una precisione molto elevata.
Pertanto, il radar per imaging tridimensionale laser è attualmente il sensore più efficiente in grado di ottenere immagini di una vasta gamma di scene tridimensionali ed è anche il sensore che può attualmente ottenere la massima precisione delle scene tridimensionali.
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Metodo di raggio laser
Al momento, i metodi di misurazione della distanza che di solito possiamo vedere possono essere suddivisi in grandi categorie: metodo del tempo di volo laser (TIme of Fly, TOF) e metodo di triangolazione.
Il metodo del tempo di volo del laser può essere diviso in due categorie, una è la modulazione dell'impulso (tecnologia di intervallo di impulsi) e l'altra è la modulazione di fase della modulazione dell'intensità dell'onda continua laser, che misura le informazioni sulla distanza attraverso la differenza di fase.
I telemetri che possiamo vedere sul mercato, o lidar a linea singola e multilinea, utilizzano fondamentalmente questi tre tipi di metodi di misurazione.
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Tecnologia laser ad impulsi
Il principio della tecnologia della gamma di impulsi laser è molto semplice: ottenere le informazioni sulla distanza del target misurando il tempo di volo dell'impulso laser tra il radar e il target. Qui viene utilizzato un punto di riferimento, ovvero la velocità della luce. Tutte le misurazioni devono avere un dato. Per un laser, ci sono due riferimenti: velocità e frequenza (i due riferimenti più precisi), poiché il dato utilizzato per TOF è la velocità di volo del laser.
Tra i tre metodi di misurazione sopra menzionati, penso che il problema tecnico più difficile sia il metodo di misurazione delle pulsazioni. Ma i vantaggi che ne derivano sono evidenti: la velocità di misurazione è molto veloce. Poiché la misurazione viene eseguita da un laser con un valore di picco elevato, la sua capacità anti-jamming è molto forte.
Lo svantaggio è che è difficile migliorare la risoluzione del raggio d'azione e che il circuito di rilevamento è difficile. Ad esempio, se vogliamo ottenere una risoluzione di 1,5 millimetri per l'intervallo di fase, dobbiamo ottenere una risoluzione del clock di 10 picosecondi, che equivale a una larghezza di banda di 100G. Questa è una tecnica molto difficile.
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Gamma di fase laser
La gamma di fasi laser, come il comune telemetro laser portatile, utilizza la gamma di fasi. Ottiene principalmente informazioni sulla distanza misurando la differenza di fase generata dal segnale laser ad onda continua modulato in intensità che vola avanti e indietro tra il radar e il bersaglio.
Il più grande vantaggio di questa tecnologia: la risoluzione della gamma è molto alta. Allo stato attuale, il telemetro di fase sul mercato generale può raggiungere una risoluzione a livello di millimetro.
Lo svantaggio è che la velocità di misurazione è più lenta dell'intervallo di impulsi. Dopotutto, dobbiamo calibrare una differenza di fase di almeno decine o addirittura centinaia di cicli. In effetti, equivale ad allungare il tempo di misurazione in fase, quindi la velocità di misurazione relativamente bassa. Inoltre, la sua precisione di misurazione è relativamente suscettibile al movimento della forma target. Se nel punto luminoso misurato, i due target sono in tandem, le informazioni specifiche effettivamente misurate sono una media della distanza tra i due target, non le informazioni target precedenti o le informazioni target successive.
Ma nella gamma di impulsi, è facile separare tali informazioni. Ad esempio, per un impulso laser, se siamo in grado di raggiungere una larghezza di impulso di 10 nanosecondi, possiamo distinguere un obiettivo che è di 30 centimetri da davanti a dietro con più echi.
È difficile distinguere questo metodo nella fase. Perché nel processo di misurazione, il suo tempo sarà più lungo e le informazioni sulla distanza introdotte dal movimento target vengono introdotte nel valore misurato. In realtà, misura un'informazione sulla distanza media, non informazioni in tempo reale. Ma la gamma di impulsi laser è in realtà informazioni in tempo reale sulla posizione corrente.
Questo è il motivo per cui il lidar per veicoli o robot utilizza spesso la tecnologia di intervallo di impulsi laser anziché la tecnologia di intervallo di fase.
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Triangolazione
La misurazione della distanza di triangolazione serve per ottenere informazioni sulla distanza misurando la posizione di imaging del punto di irradiazione laser nella telecamera. Il più grande vantaggio del metodo di triangolazione è che la difficoltà tecnica è bassa, il costo è anche molto basso e anche l'accuratezza della distanza ravvicinata è molto elevata. Ad esempio, l'uso industriale può raggiungere una precisione di intervallo di 100 micron.
Ma lo svantaggio è che la sua precisione si deteriorerà gradualmente con l'aumentare della distanza e sostanzialmente non può essere confrontata con la gamma di impulsi e la fase.
Un altro punto, poiché la telecamera CMOS deve utilizzare un laser continuo per illuminare in modo sincrono, la sua potenza media è relativamente bassa e la sua capacità anti-interferenza sarà molto forte. Questo metodo di gamma è generalmente adatto per lavori ravvicinati in interni, ma non adatto per lavori con sfondo di riflesso esterno o sfondo di riflesso interno.
La misurazione della distanza di triangolazione è più adatta per scene con requisiti di bassa prestazione come i robot. Oltre al costo relativamente elevato e alla difficoltà tecnica, la gamma di impulsi ha prestazioni eccellenti in altri aspetti. Naturalmente, la precisione della sua gamma sarà leggermente inferiore a quella della fase. Ma questo tipo di precisione, secondo la tecnologia attuale, possiamo sostanzialmente raggiungere l'accuratezza della misurazione della distanza nell'ordine dei centimetri, o anche di pochi millimetri, che può sostanzialmente soddisfare i requisiti del nostro uso in molte occasioni.
La nostra direzione principale è quella di utilizzare la gamma di impulsi per fare un radar a linea singola, incluso il radar a più linee.
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Che cos'è il lidar a linea singola
Il lidar a linea singola è in realtà un telemetro laser ad impulsi ad alta frequenza, oltre a una scansione di rotazione unidimensionale. Caratteristiche del lidar a linea singola:
1. C'è solo un modo per trasmettere e un modo per ricevere, la struttura è relativamente semplice e facile da usare;
2. Alta velocità di scansione e alta risoluzione angolare;
3. Basso volume, peso e consumo energetico;
4. Maggiore affidabilità;
5. Basso costo;
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Cosa può fare il lidar a linea singola?
Nel campo della guida autonoma, vediamo sostanzialmente lidar multilinea, laser a linea singola
Cosa può fare il radar?
Come mostrato nella figura sopra, la prima auto a partecipare al DARPA Autopilot Challenge negli Stati Uniti è l'auto di Stanford del 2005 di nome Stanly. Questa è l'auto che ha vinto il campionato quell'anno. L'altra è l'auto della Carnegie Mellon University.
A quel tempo stavano praticamente usando il lidar a linea singola. Soprattutto per l'auto da competizione della Stanford University, ci sono cinque lidar installati appena sopra, possiamo pensarlo come l'originatore di lidar multilinea, ma utilizza cinque lidar a linea singola per ottenere la funzione lidar multilinea.
Dopo che Velodyne ha lanciato il lidar a 64 linee nel 2007, molti veicoli a guida autonoma hanno sostanzialmente utilizzato i prodotti Velodyne. Ma questo significa che il lidar a linea singola non ha mercato nella guida assistita o autonoma? Non penso' non credo. Poiché il lidar a linea singola ha le sue caratteristiche, ad esempio, è difficile per il lidar a linea singola ottenere gli stessi indicatori tecnici ad alta frequenza di ripetizione e alta risoluzione angolare. In termini di rilevamento dei pedoni, rilevamento degli ostacoli (rilevamento di piccoli bersagli) e rilevamento degli ostacoli anteriori, i laser a linea singola presentano numerosi vantaggi rispetto ai lidar multilinea, poiché i radar laser a linea singola possono avere una risoluzione angolare maggiore rispetto ai lidar multilinea. Questo è molto utile per rilevare piccoli oggetti o pedoni. Questa tecnologia è molto utile in robot intelligenti e robot di servizio, e anche questo è un campo caldo.
Molte persone possono porre una domanda, perché utilizzare il lidar per il rilevamento di corsie anziché una telecamera.' l'algoritmo ADAS non è molto maturo? Perché devo usare lidar?
Questo perché la fotocamera è particolarmente suscettibile alle interferenze della luce di fondo o della luce intensa. Ad esempio, quando camminiamo su un viale alberato, se l'ombra degli alberi cade in punti e poi si combina con le corsie bianche, è molto difficile riconoscere le corsie e la probabilità di riconoscimento è sotto illuminazione complessa o condizioni di luce intensa. La sua probabilità di riconoscimento è molto, molto bassa e l'algoritmo è molto complicato.
Quindi, quali sono i vantaggi dell'utilizzo di lidar per il rilevamento delle corsie? Innanzitutto, stiamo utilizzando laser a infrarossi, che hanno una radiazione molto più bassa nella banda infrarossa rispetto alla luce visibile. In secondo luogo, aggiungeremo un filtro molto stretto per filtrare direttamente la forte luce di sfondo. Quindi utilizziamo la luce infrarossa per rilevarla. In questo modo, possiamo ottenere un'immagine di altissima qualità della linea di corsia e, attraverso la scala di grigi dell'immagine, è molto facile rilevare la linea di corsia. In altre parole, usando il lidar per il rilevamento della linea di corsia, le sue prestazioni saranno superiori rispetto alla telecamera.
L'applicazione del lidar a linea singola nella guida assistita è il rilevamento dei pedoni. In realtà, questa è anche un'applicazione per la prevenzione delle collisioni in avanti, che è sostanzialmente simile alla prevenzione delle collisioni automobilistiche. Poiché la risoluzione angolare del lidar a linea singola può essere superiore a quella del lidar a linea singola, i pedoni possono essere rilevati in anticipo a una distanza maggiore, lasciando più tempo di preavviso per il sistema di controllo o il conducente.
