quali sono i vantaggi e gli svantaggi? Triangolazione e analisi lidar TOF!
Essendo il sensore centrale di molti dispositivi intelligenti, il lidar è stato ampiamente utilizzato. Oggi, possiamo vedere spesso il lidar in veicoli senza pilota, robot di servizio, carrelli elevatori AGV, amministrazione e trasporto stradale intelligente e linee di produzione automatizzate, il che è sufficiente per mostrare la sua posizione indispensabile nella catena industriale dell'intelligenza artificiale.
Per quanto riguarda i principali prodotti lidar sul mercato, i radar utilizzati per il rilevamento ambientale e la costruzione di mappe possono essere approssimativamente suddivisi in due categorie a seconda dei percorsi tecnici. Uno è il radar TOF (Time of Flight) e l'altro è un radar a raggio triangolare. Credo che molte persone abbiano familiarità con questi due termini, ma se vuoi dire se queste due soluzioni sono migliori o peggiori in termini di principio, prestazioni, costo e applicazione, nonché le ragioni alla base, forse tutti ne hanno di più o Di meno. Dubbioso. Oggi l'editore darà alcuni suggerimenti e analizzerà questi problemi.
1. Principio
Il principio del metodo di triangolazione è mostrato nella figura seguente. Il laser emette luce laser. Dopo aver irradiato l'oggetto, la luce riflessa viene ricevuta dal CCD lineare. Poiché il laser e il rilevatore sono separati da una certa distanza, gli oggetti a distanze diverse verranno riprodotti sul CCD in base al percorso ottico. Luoghi diversi. Calcolando secondo la formula trigonometrica, è possibile ricavare la distanza dell'oggetto misurato.
Guarda il principio, pensi che&sia abbastanza semplice?
Figura 1. Il principio della triangolazione che va
Tuttavia, il principio di TOF è più semplice. Come mostrato nella Figura 2, il laser emette un impulso laser e il tempo di emissione viene registrato dal timer, la luce di ritorno viene ricevuta dal ricevitore e il tempo di ritorno viene registrato dal timer. I due tempi vengono sottratti per ottenere il" tempo di volo" di luce e la velocità della luce è costante, quindi la distanza può essere facilmente calcolata dopo che la velocità e il tempo sono noti.
Figura 2. Principio del range TOF
È un peccato che se tutto è semplice come ricordare, il mondo sarà meraviglioso. Questi due schemi avranno le loro sfide nell'attuazione specifica, ma in confronto, TOF ha ovviamente più difficoltà da superare.
Le principali difficoltà nella realizzazione del radar TOF sono:
Il primo è il problema del tempismo. Nello schema TOF, la misurazione della distanza dipende dalla misurazione del tempo. Ma la velocità della luce è troppo elevata, quindi per ottenere una distanza precisa, i requisiti per il sistema di cronometraggio diventano molto elevati. Un dato è che il lidar deve misurare una distanza di 1 cm e l'intervallo di tempo corrispondente è di circa 65ps. Gli studenti che hanno un po 'di familiarità con le caratteristiche elettriche dovrebbero sapere cosa significa dietro il sistema del circuito.
Il secondo è l'elaborazione dei segnali a impulsi. Ci sono due parti:
Uno è il laser: nel radar delta, non vi è quasi alcun requisito per la guida laser. Poiché la misurazione dipende dalla posizione dell'eco laser, è necessaria solo una luce continua per emettere. Ma TOF non funziona. Non solo richiede un laser pulsato, ma la qualità non è poi così male. Al momento, l'ampiezza dell'impulso della luce in uscita dal radar TOF è di circa pochi nanosecondi e il fronte di salita deve essere il più veloce possibile. Pertanto, lo schema di guida laser di ogni prodotto Ci sono anche punti alti e bassi.
L'altro è il ricevitore. In generale, l'identificazione del tempo di eco è in realtà l'identificazione del tempo del fronte di salita. Pertanto, durante l'elaborazione del segnale di eco, è necessario assicurarsi che il segnale non sia distorto il più possibile. Inoltre, anche se il segnale non è distorto, poiché il segnale di eco non può essere un'onda quadra ideale, la misurazione di oggetti diversi alla stessa distanza provocherà anche il cambiamento del bordo anteriore. Ad esempio, la misurazione di carta bianca e carta nera nella stessa posizione può ottenere due segnali di eco come mostrato nella figura sotto, e il sistema di misurazione del tempo deve misurare che i due bordi anteriori sono allo stesso tempo (perché la distanza è la stessa distanza), che richiede un trattamento speciale.
Figura 3. La differenza dei segnali di eco con diversa riflettività
Inoltre, l'estremità ricevente deve affrontare anche problemi come la saturazione del segnale e l'elaborazione del rumore di fondo, che si può dire sia difficile.
In secondo luogo, la performance PK, conoscere il motivo, sapere perché?
Detto questo, infatti, dal punto di vista degli utenti a valle, non ti interessa se è facile o difficile da implementare. Agli utenti non interessano altro che due punti: prestazioni e prezzo. Fammi parlare prima delle prestazioni. Se la maggior parte delle persone che conoscono questo settore sanno che il radar TOF è migliore del radar triangolare in termini di prestazioni. Ma quali sono gli aspetti specifici e le ragioni alla base?
Misurazione della distanza
In linea di principio, il radar TOF può misurare distanze maggiori. Infatti, in alcune occasioni che richiedono la misurazione della distanza, come le applicazioni per auto senza conducente, quasi tutti i radar TOF. Ci sono diversi motivi per cui il radar di triangolazione non può misurare lontano. In primo luogo, è limitato in linea di principio. In effetti, non è difficile osservare attentamente la Figura 1. Più lontano è l'oggetto misurato dal radar di triangolazione, minore è la differenza di posizione sul CCD. Dopo aver superato una certa distanza, il CCD difficilmente riesce a distinguere. Il secondo è che il radar triangolare non può ottenere un rapporto segnale / rumore più elevato come il radar TOF. TOF utilizza il campionamento laser pulsato e può controllare rigorosamente il campo visivo per ridurre l'impatto della luce ambientale. Questi sono i prerequisiti per la misurazione a lunga distanza.
Ovviamente la distanza non è sinonimo di qualità assoluta, dipende dagli specifici scenari di utilizzo.
Frequenza di campionamento
Quando Lidar raffigura l'ambiente, produce un'immagine della nuvola di punti. Il numero di misurazioni della nuvola di punti che possono essere completate al secondo è la frequenza di campionamento. Nel caso di una velocità fissa, la frequenza di campionamento determina il numero di nuvole di punti in ogni fotogramma dell'immagine e la risoluzione angolare delle nuvole di punti. Maggiore è la risoluzione angolare e maggiore è il numero di nuvole di punti, più dettagliata sarà l'immagine raffigurante l'ambiente circostante.
Per quanto riguarda i prodotti in commercio, la frequenza di campionamento del radar di triangolazione è generalmente inferiore a 20k, mentre il radar TOF può raggiungere valori superiori (ad esempio, il radar TOF star-second PAVO può raggiungere una frequenza di campionamento fino a 100k ). Il motivo è che TOF necessita di un solo impulso luminoso per completare una misurazione e anche l'analisi in tempo reale può rispondere rapidamente. Ma tre
Per
Il processo di calcolo richiesto per il radar angolare è più lungo.
Figura 4. Effetti di imaging di diverse velocità di campionamento per oggetti nella stessa posizione
(A): pattern della nuvola di punti a bassa velocità di campionamento; (B): pattern di nuvole di punti ad alta velocità di campionamento (PAVO)
Precisione
Lidar è essenzialmente un dispositivo di misurazione della distanza, quindi la precisione della misurazione della distanza è senza dubbio l'indicatore principale. A questo punto, l'accuratezza della trigonometria è molto alta a distanze ravvicinate, ma man mano che la distanza si allontana, l'accuratezza della sua misurazione peggiorerà sempre di più. Questo perché la misurazione della trigonometria è correlata all'angolo e con l'aumento della distanza, la differenza angolare diventerà sempre più piccola. Pertanto, il radar triangolare di solito utilizza la marcatura percentuale durante la marcatura della precisione (comune come l'1%), quindi l'errore massimo a una distanza di 20 m è di 20 cm. Il radar TOF si basa sul tempo di volo e la precisione della misurazione del tempo non cambia in modo significativo con l'aumento della lunghezza. Pertanto, la maggior parte dei radar TOF può mantenere una precisione di diversi centimetri entro un intervallo di misurazione di decine di metri.
Velocità (frame rate)
Nel radar meccanico, il frame rate dell'immagine è determinato dalla velocità del motore. Per quanto riguarda il lidar bidimensionale attualmente in commercio, la velocità massima del radar triangolare è solitamente inferiore ai 20Hz, mentre il radar TOF può raggiungere circa 30Hz-50Hz. Generalmente, il radar triangolare di solito adotta la struttura dei corpi divisi superiore e inferiore, ovvero la parte superiore è responsabile dell'emissione, ricezione e raccolta del laser e la parte inferiore è responsabile della guida del motore e dell'alimentazione. I componenti di movimento eccessivamente pesanti limitano la velocità più elevata. Il radar TOF di solito adotta una struttura semisolida integrata e il motore deve solo guidare lo specchio, quindi il consumo di energia del motore è piccolo e anche la velocità che può essere supportata è maggiore.
Naturalmente, la differenza di velocità qui menzionata è solo un'analisi oggettiva dei prodotti esistenti. Non esiste infatti alcun collegamento essenziale tra la velocità e il radar che adotta il TOF o il metodo di triangolazione. Il radar TOF multi-linea tradizionale adotta anche la struttura divisa superiore e inferiore. Dopo tutto, il design ottico della struttura coassiale è soggetto a molte restrizioni. La velocità del radar TOF multilinea è generalmente inferiore a 20 Hz.
Tuttavia, l'alta velocità (o una frequenza fotogrammi elevata) è significativa per l'imaging della nuvola di punti. L'elevato frame rate è più favorevole all'acquisizione di oggetti in movimento ad alta velocità, come i veicoli che percorrono le autostrade. Inoltre, quando si costruisce una mappa da sola, la mappa radar in movimento sarà distorta (ad esempio, se un radar fermo scansiona un cerchio come un cerchio, quando il radar si muove in linea retta, l'immagine scansionata diventa un'ellisse). Ovviamente, l'alta velocità può ridurre meglio l'influenza di questo tipo di distorsione.
3. Costo
Se guardi solo il confronto delle prestazioni, sembra che le prestazioni del radar TOF travolgono completamente il radar triangolare. Tuttavia, la concorrenza di prodotto non è solo una competizione di parametri di prestazione, gli utenti si preoccupano anche di prezzo, stabilità e servizio.
Almeno in termini di costo, il costo attuale del radar triangolare è inferiore a quello del radar TOF e il costo del radar triangolare a corto raggio è già al livello di 100 yuan. Allo stato attuale, il prezzo del radar TOF importato è di oltre 10.000 yuan. Si può affermare che il prezzo elevato è un fattore importante che limita l'ulteriore espansione delle applicazioni lidar TOF.
Tuttavia, con l'aumento dei produttori di radar TOF negli ultimi anni, il costo del radar TOF è stato notevolmente ridotto. Rispetto ai marchi importati, il prezzo dei prodotti radar TOF nazionali è diventato piuttosto competitivo. In futuro, con il miglioramento della tecnologia di produzione e l'ulteriore aumento delle spedizioni, si ritiene che il costo del radar TOF sarà ulteriormente compresso, e non è impossibile scendere a un livello simile a quello del radar triangolare.
Quattro, scenari applicativi
La scena del radar triangolare viene utilizzata principalmente nelle applicazioni interne a breve distanza e la scena più tipica è il robot spazzante. In scene con un ampio raggio di rilevamento (come centri commerciali, aeroporti o stazioni), così come scene all'aperto, TOF è più ampiamente utilizzato. Inoltre, vale la pena ricordare che il radar delta, che è esposto e rotante, rende i suoi prodotti molto fragili in termini di resistenza alla polvere e all'acqua. In alcune applicazioni speciali, come l'officina in cui lavora l'auto AVG, c'è spesso molta polvere. Nell'ambiente, il motore del radar triangolare è molto facile da danneggiare. Al contrario, il design semisolido adottato dal radar TOF può fornire una migliore protezione e una vita lavorativa più lunga.
Figura 5. Lidar TOF stella-secondi
Al momento, il radar TOF domestico si sta sviluppando rapidamente. Il laser scanner di sicurezza 2D lanciato da cyndar può raggiungere una distanza di misurazione di 20 m, una velocità della nuvola di punti di 100 kHz, una risoluzione angolare massima di 0,036 ° e un livello di protezione IP65. La sua applicazione ha coinvolto la guida senza pilota, la robotica, l'AGV, la sicurezza, l'amministrazione stradale e molti altri campi sono eccellenti rappresentanti del radar TOF della Cina GG.
