avantajları ve dezavantajları nelerdir? Nirengi ve TOF lidar analizi!
Birçok akıllı cihazın çekirdek sensörü olan lidar, yaygın olarak kullanılmaktadır. Yapay zeka endüstrisi zincirinde vazgeçilmez konumunu göstermeye yetecek kadar günümüzde insansız araçlar, servis robotları, AGV forkliftleri, akıllı yol yönetimi ve taşımacılığı ve otomatik üretim hatlarında sıklıkla karşımıza çıkan lidarı sıkça görebiliyoruz.
Piyasadaki yaygın lidar ürünleri söz konusu olduğunda, çevresel algılama ve harita yapımı için kullanılan radarlar, teknik rotalara göre kabaca iki kategoriye ayrılabilir. Biri TOF (Time of Flight) radarı, diğeri ise üçgen menzilli bir radardır. Pek çok insanın bu iki terime aşina olduğuna inanıyorum, ancak bu iki çözümün prensip, performans, maliyet ve uygulama açısından daha iyi veya daha kötü olup olmadığını ve bunların arkasındaki sebepleri söylemek isterseniz, belki herkesin daha fazla veya az. Şüpheli. Bugün editör bazı önerilerde bulunacak ve bu konuları analiz edecek.
1. İlke
Üçgenleştirme yönteminin prensibi aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Lazer, lazer ışığı yayar. Nesne ışınlandıktan sonra, yansıyan ışık doğrusal CCD tarafından alınır. Lazer ve dedektör belirli bir mesafe ile ayrıldığından, farklı mesafelerdeki nesneler optik yola göre CCD üzerinde görüntülenecektir. Farklı yerler. Trigonometrik formüle göre hesaplanarak, ölçülen nesnenin mesafesi elde edilebilir.
İlkeye bir bakın, sizce' oldukça basit mi?
Şekil 1. Üçgenleştirme ilkesi
Bununla birlikte, TOF ilkesi daha basittir. Şekil 2'de gösterildiği gibi, lazer bir lazer darbesi yayar ve emisyon zamanı zamanlayıcı tarafından kaydedilir, dönüş ışığı alıcı tarafından alınır ve geri dönüş süresi zamanlayıcı tarafından kaydedilir." uçuş süresi" ve ışık hızı sabittir, bu nedenle hız ve zaman bilindikten sonra mesafe kolayca hesaplanabilir.
Şekil 2. TOF aralığı ilkesi
Yazık ki, her şey hatırlamak kadar basitse, dünya harika olacak. Bu iki programın spesifik uygulamada kendi zorlukları olacaktır, ancak karşılaştırıldığında, TOF'un aşılması gereken daha fazla güçlüğü vardır.
TOF radarının gerçekleştirilmesindeki ana zorluklar şunlardır:
Birincisi, zamanlama meselesi. TOF şemasında, mesafe ölçümü zaman ölçümüne bağlıdır. Ancak ışığın hızı çok hızlıdır, bu nedenle kesin bir mesafe elde etmek için zamanlama sistemi gereksinimleri çok yüksektir. Bir veri parçası, lidarın 1 cm'lik bir mesafeyi ölçmesi gerektiğidir ve karşılık gelen zaman aralığı yaklaşık 65ps'dir. Elektriksel özelliklere biraz aşina olan öğrenciler, bunun devre sisteminin arkasında ne anlama geldiğini bilmelidir.
İkincisi, darbe sinyallerinin işlenmesidir. İki bölüm var:
Biri lazerdir: Delta radarında lazer sürüşe neredeyse hiç gerek yoktur. Ölçüm, lazer yankısının konumuna bağlı olduğundan, yaymak için yalnızca bir sürekli ışık gerekir. Ancak TOF çalışmıyor. Sadece darbeli lazer gerektirmekle kalmaz, kalitesi de çok kötü değildir. Şu anda, TOF radarının giden ışığının darbe genişliği yaklaşık birkaç nanosaniyedir ve yükselen kenarın olabildiğince hızlı olması gerekmektedir. Bu nedenle her ürünün lazer sürüş şemasında ayrıca yüksek ve alçak noktalar vardır.
Diğeri alıcıdır. Genel olarak, yankı zamanı tanımlaması aslında yükselen kenarın zaman tanımlamasıdır. Bu nedenle, yankı sinyalini işlerken, sinyalin mümkün olduğu kadar bozulmamasını sağlamak gerekir. Ayrıca sinyal bozulmasa bile yankı sinyali ideal bir kare dalga olamayacağından, farklı nesnelerin aynı mesafede ölçülmesi de ön kenarın değişmesine neden olacaktır. Örneğin, aynı konumda beyaz kağıt ve siyah kağıt ölçümü, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi iki eko sinyali elde edebilir ve zaman ölçüm sistemi, iki ön kenarın aynı anda olduğunu ölçmelidir (çünkü mesafe, aynı mesafe), bu da Özel işlem gerektirir.
Şekil 3. Farklı yansıtma özelliğine sahip yankı sinyallerinin farkı
Ek olarak, alıcı uç aynı zamanda, zor olduğu söylenebilecek sinyal doygunluğu ve gürültü tabanı işleme gibi sorunlarla da karşı karşıyadır.
İkincisi, performans PK, nedenini bilmek, nedenini bilmek?
Aslında, alt kullanıcılar açısından bakıldığında,' uygulamasının kolay mı zor mu olduğu umurunuzda değil. Kullanıcılar iki noktadan fazlasını umursamıyor: performans ve fiyat. Önce performanstan bahsedeyim. Bu endüstriyi tanıyan çoğu insan TOF radarının performansta üçgen radardan daha iyi olduğunu biliyorsa. Ancak belirli yönleri ve arkasındaki nedenler nelerdir?
Ölçüm mesafesi
Prensip olarak, TOF radarı daha uzun mesafeleri ölçebilir. Aslında, sürücüsüz araç uygulamaları gibi mesafe ölçümü gerektiren bazı durumlarda, neredeyse tüm TOF radarları. Nirengi radarının uzağı ölçememesinin birkaç nedeni vardır. İlk olarak, prensip olarak sınırlıdır. Aslında Şekil 1'i dikkatlice gözlemlemek zor değil. Nirengi radarı tarafından ölçülen nesne ne kadar uzakta olursa, CCD'deki konum farkı o kadar küçük olur. Belli bir mesafeyi aştıktan sonra, CCD neredeyse ayırt edemez. İkincisi, üçgen radarın TOF radarı gibi daha yüksek bir sinyal-gürültü oranı elde edememesidir. TOF, darbeli lazer örnekleme kullanır ve ortam ışığının etkisini azaltmak için görüş alanını sıkı bir şekilde kontrol edebilir. Bunlar, uzun mesafeli ölçüm için ön koşullardır.
Elbette mesafe mutlak kalite anlamına gelmez, belirli kullanım senaryolarına bağlıdır.
Örnekleme oranı
Lidar ortamı tasvir ettiğinde, bir nokta bulutu görüntüsü çıkarır. Saniyede tamamlanabilen nokta bulutu ölçümlerinin sayısı, örnekleme oranıdır. Sabit bir hız durumunda, örnekleme hızı her bir görüntü karesindeki nokta bulutlarının sayısını ve nokta bulutlarının açısal çözünürlüğünü belirler. Açısal çözünürlük ne kadar yüksek ve nokta bulutlarının sayısı ne kadar fazlaysa, görüntü çevredeki ortamı o kadar ayrıntılı gösterir.
Piyasadaki ürünler söz konusu olduğunda, nirengi radarının örnekleme oranı genellikle 20k'nin altındadır, ancak TOF radarı daha yüksek seviyeye ulaşabilir (örneğin, yıldız-saniye TOF radarı PAVO, 100k'ye kadar örnekleme hızına ulaşabilir. ). Bunun nedeni, TOF'un bir ölçümü tamamlamak için yalnızca bir ışık darbesine ihtiyaç duyması ve gerçek zamanlı analizin de hızlı yanıt verebilmesidir. Ama üç
İçin
Açısal radar için gerekli hesaplama süreci daha uzundur.
Şekil 4. Aynı konumdaki nesneler için farklı örnekleme oranlarının görüntüleme etkileri
(A): Düşük örnekleme oranı nokta bulutu şablonu; (B): Yüksek örnekleme oranı nokta bulutu şablonu (PAVO)
Hassas
Lidar esasen bir mesafe ölçüm cihazıdır, bu nedenle mesafe ölçüm hassasiyeti şüphesiz temel göstergedir. Bu noktada, trigonometrinin doğruluğu yakın mesafelerde çok yüksektir, ancak mesafe gittikçe uzaklaştıkça, ölçümünün doğruluğu daha da kötüleşecektir. Bunun nedeni, trigonometri ölçümünün açı ile ilişkili olmasıdır ve mesafe Arttıkça, açı farkı küçülür ve küçülür. Bu nedenle, üçgen radar doğruluğu işaretlerken genellikle yüzde işaretleme kullanır (% 1 gibi yaygın), bu durumda 20 m mesafedeki maksimum hata 20 cm'dir. TOF radarı, uçuş süresine dayanır ve zaman ölçümü doğruluğu, uzunluktaki artışla önemli ölçüde değişmez. Bu nedenle, çoğu TOF radarı onlarca metrelik bir ölçüm aralığında birkaç santimetrelik bir doğruluğu koruyabilir.
Hız (kare hızı)
Mekanik radarda, görüntü çerçeve hızı motorun hızı ile belirlenir. Şu anda piyasada bulunan iki boyutlu lidar söz konusu olduğunda, üçgen radarın maksimum hızı genellikle 20Hz'nin altındadır, TOF radarı ise yaklaşık 30Hz-50Hz'e ulaşabilir. Genel olarak, üçgen radar genellikle üst ve alt bölünmüş gövdelerin yapısını benimser, yani üst kısım lazer emisyonundan, alımından ve toplamadan sorumludur ve alt kısım motor sürüşünden ve güç beslemesinden sorumludur. Aşırı ağır hareket bileşenleri daha yüksek hızı sınırlar. TOF radarı genellikle entegre bir yarı katı yapı benimser ve motorun sadece aynayı sürmesi gerekir, bu nedenle motorun güç tüketimi küçüktür ve desteklenebilen hız da daha yüksektir.
Elbette burada bahsedilen hız farkı, sadece mevcut ürünlerin objektif bir analizidir. Aslında, hız ile TOF veya üçgenleme yöntemini benimseyen radar arasında temel bir bağlantı yoktur. Ana akım çok hatlı TOF radarı ayrıca üst ve alt bölünmüş yapıyı da benimser. Sonuçta, koaksiyel yapının optik tasarımı birçok kısıtlamaya tabidir. Çok hatlı TOF radarının hızı genellikle 20 Hz'nin altındadır.
Bununla birlikte, yüksek hız (veya yüksek kare hızı) nokta bulutu görüntüleme için anlamlıdır. Yüksek kare hızı, otoyollarda seyreden araçlar gibi yüksek hızlı hareket eden nesneleri yakalamak için daha elverişlidir. Ek olarak, tek başına bir harita oluştururken, hareket eden radar haritası deforme edilecektir (örneğin, sabit bir radar bir daireyi daire olarak tararsa, radar düz bir çizgide hareket ettiğinde, taranan görüntü bir elips haline gelir). Açıktır ki, yüksek hız bu tür bir distorsiyonun etkisini daha iyi azaltabilir.
3. Maliyet
Sadece performans karşılaştırmasına bakarsanız, TOF radarının performansı üçgen radarı tamamen etkiliyor gibi görünüyor. Bununla birlikte, ürün rekabeti sadece performans parametrelerinin bir rekabeti değildir, kullanıcılar aynı zamanda fiyatı, istikrarı ve hizmeti de önemsemektedir.
En azından maliyet açısından, üçgen radarın mevcut maliyeti TOF radarından daha düşüktür ve kısa menzilli üçgen radarın maliyeti zaten 100 yuan seviyesinde. Şu anda, ithal edilen TOF radarının fiyatı 10.000 yuan'dan fazla. Yüksek fiyatın, TOF lidar uygulamalarının daha da genişlemesini kısıtlayan önemli bir faktör olduğu söylenebilir.
Ancak son yıllarda yerli TOF radar üreticilerinin yükselişiyle TOF radarının maliyeti büyük ölçüde azaldı. İthal markalarla karşılaştırıldığında, yerli TOF radar ürünlerinin fiyatı oldukça rekabetçi hale geldi. Gelecekte, üretim teknolojisinin gelişmesi ve sevkiyatların daha da artması ile TOF radarının maliyetinin daha da sıkıştırılacağı ve üçgen radarınkine benzer bir seviyeye düşmesinin imkansız olmadığı düşünülmektedir.
Dört, uygulama senaryoları
Üçgen radar sahnesi, çoğunlukla kapalı mekan kısa mesafe uygulamalarında kullanılır ve en tipik sahne, süpürme robotudur. Geniş bir algılama aralığına sahip sahnelerde (alışveriş merkezleri, havaalanları veya istasyonlar gibi) ve dış mekan sahnelerinde TOF daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca açığa çıkan ve dönen delta radarın ürünlerini toz ve su direnci açısından oldukça kırılgan hale getirdiğini belirtmekte fayda var. AVG aracının çalıştığı atölye gibi bazı özel uygulamalarda, genellikle çok fazla toz vardır. Çevrede, üçgen radarın motoruna zarar vermek çok kolaydır. Buna karşılık, TOF radarının benimsediği yarı katı tasarım, daha iyi koruma ve daha uzun bir çalışma ömrü sağlayabilir.
Şekil 5. Yıldız-saniye TOF lidar
Şu anda, yerli TOF radarı hızla gelişiyor. Cyndar tarafından başlatılan 2D güvenli lazer tarayıcı, 20m'lik bir ölçüm mesafesine, 100kHz'lik bir nokta bulut oranına, maksimum 0.036 °'lik bir açısal çözünürlüğe ve bir IP65 koruma seviyesine ulaşabilir. Uygulaması insansız sürüş, robotik, AGV, güvenlik, yol idaresi ve diğer birçok alan, Çin&# 39'un TOF radarının mükemmel temsilcileridir.
