Was sind die Vor- und Nachteile? Triangulation und TOF-LIDAR-Analyse!
Als Kernsensor vieler intelligenter Geräte ist LIDAR weit verbreitet. Heute sehen wir häufig LIDAR in unbemannten Fahrzeugen, Servicerobotern, AGV-Staplern, intelligenter Straßenverwaltung und -transport sowie automatisierten Produktionslinien, was ausreicht, um seine unverzichtbare Position in der Industriekette der künstlichen Intelligenz zu zeigen.
Was die gängigen LIDAR-Produkte auf dem Markt betrifft, so lassen sich die für die Umwelterkennung und Kartenbau verwendeten Radare grob in zwei Kategorien nach technischen Routen einteilen. Das eine ist TOF (Time of Flight) Radar und das andere ist Es ist ein dreieckiges Bereich Radar. Ich glaube, viele Menschen kennen diese beiden Begriffe, aber wenn Sie sagen wollen, ob diese beiden Lösungen in Bezug auf Prinzip, Leistung, Kosten und Anwendung sowie die Gründe dafür besser oder schlechter sind, hat vielleicht jeder mehr oder weniger. Bezweifelte. Heute wird der Herausgeber einige Vorschläge geben und diese Probleme analysieren.
1. Prinzip
Das Prinzip der Triangulationsmethode ist in der abbildung unten dargestellt. Der Laser emittiert Laserlicht. Nach der Bestrahlung des Objekts wird das reflektierte Licht von der linearen CCD empfangen. Da Der Laser und der Detektor durch einen bestimmten Abstand voneinander getrennt sind, werden Objekte in unterschiedlichen Entfernungen auf der CCD entsprechend dem optischen Pfad abgebildet. Verschiedene Standorte. Berechnet nach der trigonometrischen Formel kann der Abstand des gemessenen Objekts abgeleitet werden.
Schauen Sie sich nur das Prinzip an, denken Sie, dass es ganz einfach ist?
Abbildung 1. Das Prinzip der Triangulation
Das Prinzip der TOF ist jedoch einfacher. Wie in Abbildung 2 dargestellt, gibt der Laser einen Laserpuls aus, und die Emissionszeit wird vom Timer aufgezeichnet, das Rücklicht wird vom Empfänger empfangen und die Rücklaufzeit wird vom Timer aufgezeichnet. Die beiden Male werden subtrahiert, um die "Zeit des Fluges" des Lichts zu erhalten, und die Lichtgeschwindigkeit ist konstant, so dass die Entfernung leicht berechnet werden kann, nachdem die Geschwindigkeit und die Zeit bekannt sind.
Abbildung 2. TOF-Ranging-Prinzip
Es ist schade, dass, wenn alles so einfach ist wie das Erinnern, die Welt wunderbar sein wird. Diese beiden Systeme werden ihre eigenen Herausforderungen bei der spezifischen Umsetzung haben, aber im Vergleich dazu hat TOF offensichtlich mehr Schwierigkeiten zu überwinden.
Die Hauptschwierigkeiten bei der Realisierung des TOF-Radars sind:
Der erste ist das Timing-Problem. Im TOF-Schema hängt die Entfernungsmessung von der Zeitmessung ab. Aber die Lichtgeschwindigkeit ist zu schnell, so dass die Anforderungen an das Timing-System sehr hoch werden, um einen genauen Abstand zu erhalten. Ein Datenelement ist, dass der LIDAR einen Abstand von 1cm messen muss, und die entsprechende Zeitspanne beträgt etwa 65ps. Schüler, die mit elektrischen Eigenschaften wenig vertraut sind, sollten wissen, was dies hinter dem Schaltkreissystem bedeutet.
Die zweite ist die Verarbeitung von Impulssignalen. Es gibt zwei Teile:
Einer davon ist der Laser: Im Deltaradar gibt es fast keine Notwendigkeit für Laserfahren. Da die Messung von der Position des Laserechos abhängt, ist nur ein kontinuierliches Licht erforderlich, um auszusenden. Aber TOF funktioniert nicht. Es erfordert nicht nur einen gepulsten Laser, sondern die Qualität ist nicht zu schlecht. Derzeit beträgt die Pulsbreite des Ausgehens des TOF-Radars etwa ein paar Nanosekunden, und die steigende Flanke muss so schnell wie möglich sein. Daher ist das Laser-Fahrschema jedes Produkts Es gibt auch Höhen und Tiefen.
Der andere ist der Empfänger. Im Allgemeinen ist die Echozeitidentifikation eigentlich die Zeitidentifikation der steigenden Kante. Daher ist bei der Verarbeitung des Echosignals sicherzustellen, dass das Signal nicht so stark wie möglich verzerrt wird. Darüber hinaus, auch wenn das Signal nicht verzerrt ist, da das Echosignal keine ideale quadratische Welle sein kann, wird die Messung verschiedener Objekte im gleichen Abstand auch dazu führen, dass sich die Vorderkante ändert. Beispielsweise kann die Messung von weißem Papier und schwarzem Papier an der gleichen Position zwei Echosignale erhalten, wie in der Abbildung unten gezeigt, und das Zeitmesssystem muss messen, dass die beiden Vorderen Kanten gleichzeitig sind (weil der Abstand der gleiche Abstand ist), was eine besondere Behandlung erfordert.
Abbildung 3. Der Unterschied von Echosignalen mit unterschiedlicher Reflektivität
Darüber hinaus steht das Empfangsende auch vor Problemen wie Signalsättigung und Geräuschbodenbearbeitung, die als schwierig bezeichnet werden können.
Zweitens, die Leistung PK, wissend, den Grund, wissen, warum?
Allerdings ist es aus Sicht der nachgeschalteten Anwender egal, ob es einfach oder schwierig ist, dies zu implementieren. Die Benutzer kümmern sich um nichts anderes als zwei Punkte: Leistung und Preis. Lassen Sie mich zuerst über Leistung sprechen. Wenn die meisten Menschen, die diese Branche kennen, wissen, dass TOF-Radar besser ist als Dreiecksradar in der Leistung. Aber was sind die spezifischen Aspekte und die Gründe dafür?
Messabstand
Grundsätzlich kann das TOF-Radar längere Entfernungen messen. In der Tat, in einigen Fällen, die Entfernungsmessung erfordern, wie fahrerlose Autoanwendungen, fast alle TOF-Radare. Es gibt mehrere Gründe, warum das Triangulationsradar nicht weit messen kann. Erstens ist sie grundsätzlich begrenzt. In der Tat ist es nicht schwierig, Abbildung 1 sorgfältig zu beobachten. Je weiter das Objekt durch das Triangulationsradar gemessen wird, desto kleiner ist der Positionsunterschied auf der CCD. Nach Überschreitung einer gewissen Distanz kann der CCD kaum unterscheiden. Die zweite ist, dass das Dreiecksradar kein höheres Signal-Rausch-Verhältnis wie das TOF-Radar erhalten kann. TOF verwendet gepulste Laserproben und kann das Sichtfeld streng steuern, um die Auswirkungen von Umgebungslicht zu reduzieren. Dies sind die Voraussetzungen für die Fernmessung.
Natürlich bedeutet der Abstand nicht absolute Qualität, sondern hängt von den spezifischen Nutzungsszenarien ab.
Abtastrate
Wenn LiDAR die Umgebung darstellt, gibt sie ein Punktwolkenbild aus. Die Anzahl der Punktwolkenmessungen, die pro Sekunde abgeschlossen werden können, ist die Abtastrate. Bei einer festen Geschwindigkeit bestimmt die Abtastrate die Anzahl der Punktwolken in jedem Bildbildbild und die Winkelauflösung der Punktwolken. Je höher die Winkelauflösung und je größer die Anzahl der Punktwolken, desto detaillierter zeigt das Bild die Umgebung.
Was die auf dem Markt stehenden Produkte betrifft, so liegt die Abtastrate des Triangulationsradars im Allgemeinen unter 20k, während das TOF-Radar höher erreichen kann (z. B. kann das Sternsekunden-TOF-Radar PAVO eine Abtastrate von bis zu 100 k erreichen). Der Grund dafür ist, dass TOF nur einen Lichtimpuls benötigt, um eine Messung durchzuführen, und echtzeit-echtzeitanalysen können auch schnell reagieren. Aber drei
An
Der für das Winkelradar erforderliche Berechnungsprozess ist länger.
Abbildung 4. Bildgebende Effekte unterschiedlicher Abtastraten für Objekte am gleichen Standort
(A): Niedrige Abtastrate Punkt Wolkenmuster; (B): Punktwolkenmuster mit hoher Abtastungsrate (PAVO)
Präzision
Lidar ist im Wesentlichen ein Entfernungsmessgerät, daher ist die Genauigkeit der Entfernungsmessung zweifellos der Kernindikator. An diesem Punkt ist die Genauigkeit der Trigonometrie in engen Entfernungen sehr hoch, aber wenn die Entfernung immer weiter wird, wird die Genauigkeit ihrer Messung immer schlechter. Dies liegt daran, dass die Messung der Trigonometrie mit dem Winkel zusammenhängt, und mit der Entfernungserhöhung wird die Winkeldifferenz immer kleiner. Daher verwendet das Dreiecksradar in der Regel prozentuale Markierung bei der Markierungsgenauigkeit (häufig wie 1%), dann ist der maximale Fehler in einem Abstand von 20m 20cm. Das TOF-Radar basiert auf der Flugzeit, und die Zeitmessgenauigkeit ändert sich mit der Längenzunahme nicht wesentlich. Daher können die meisten TOF-Radare eine Genauigkeit von mehreren Zentimetern innerhalb eines Messbereichs von Zehnmetern beibehalten.
Geschwindigkeit (Bildrate)
Im mechanischen Radar wird die Bildbildrate durch die Drehzahl des Motors bestimmt. Was den derzeit auf dem Markt befindlichen zweidimensionalen LIDAR betrifft, so liegt die maximale Geschwindigkeit des Dreiecksradars in der Regel unter 20Hz, während das TOF-Radar etwa 30Hz-50Hz erreichen kann. In der Regel übernimmt das Dreiecksradar die Struktur der oberen und unteren geteilten Körper, d.h. der obere Teil ist für Laseremission, Empfang und Sammlung verantwortlich, und der untere Teil ist für das Fahren des Motors und die Stromversorgung verantwortlich. Die zu schweren Bewegungskomponenten begrenzen die höhere Geschwindigkeit. Das TOF-Radar nimmt in der Regel eine integrierte halbfeste Struktur an, und der Motor muss nur den Spiegel antreiben, so dass der Stromverbrauch des Motors gering ist, und die Geschwindigkeit, die unterstützt werden kann, ist auch höher.
Natürlich ist der hier erwähnte Geschwindigkeitsunterschied nur eine objektive Analyse bestehender Produkte. Tatsächlich gibt es keinen wesentlichen Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit und dem Radar, das TOF oder die Triangulationsmethode anwendet. Das Mainstream-Mehrlinien-TOF-Radar übernimmt auch die obere und untere Split-Struktur. Schließlich unterliegt die optische Gestaltung der Koaxialstruktur vielen Einschränkungen. Die Geschwindigkeit des mehrzeiligen TOF-Radars liegt in der Regel unter 20 Hz.
Eine hohe Geschwindigkeit (oder hohe Bildrate) ist jedoch für die Punktwolkenabbildung sinnvoll. Die hohe Bildrate ist förderlicher für die Erfassung von hochgeschwindigkeitsbewegten Objekten, wie z. B. Fahrzeugen, die auf Autobahnen fahren. Darüber hinaus wird beim Erstellen einer Karte selbst die sich bewegende Radarkarte verzerrt (z. B. wenn ein stationäres Radar einen Kreis als Kreis scannt, wird das gescannte Bild zu einer Ellipse, wenn sich das Radar in einer geraden Linie bewegt). Offensichtlich kann hohe Geschwindigkeit den Einfluss dieser Art von Verzerrung besser reduzieren.
3. Kosten
Wenn man sich nur den Leistungsvergleich anschaut, scheint es, dass die Leistung des TOF-Radars das Dreiecksradar völlig überfordert. Der Produktwettbewerb ist jedoch nicht nur ein Wettbewerb der Leistungsparameter, die Nutzer kümmern sich auch um Preis, Stabilität und Service.
Zumindest in Bezug auf die Kosten sind die aktuellen Kosten des Dreiecksradars niedriger als die des TOF-Radars, und die Kosten für das Dreiecksradar mit kurzer Reichweite liegen bereits auf dem Niveau von 100 Yuan. Derzeit liegt der Preis für importiertes TOF-Radar bei mehr als 10.000 Yuan. Man kann sagen, dass der hohe Preis ein wichtiger Faktor ist, der den weiteren Ausbau von TOF-LIDAR-Anwendungen einschränkt.
Mit dem Aufstieg der inländischen TOF-Radarhersteller in den letzten Jahren wurden die Kosten für TOF-Radar jedoch stark gesenkt. Im Vergleich zu importierten Marken ist der Preis für inländische TOF-Radarprodukte ziemlich wettbewerbsfähig geworden. In Zukunft, mit der Verbesserung der Produktionstechnologie und der weiteren Zunahme der Sendungen, wird angenommen, dass die Kosten für TOF-Radar weiter komprimiert werden, und es ist nicht unmöglich, auf ein Niveau ähnlich dem von Dreiecksradar fallen.
Vier Anwendungsszenarien
Die Szene des Dreiecksradars wird hauptsächlich in Kurzstreckenanwendungen im Innenbereich eingesetzt, und die typischste Szene ist der Kehrroboter. In Szenen mit einem großen Erfassungsbereich (z. B. Einkaufszentren, Flughäfen oder Bahnhöfe) sowie Außenszenen wird TOF weiter verbreitet. Darüber hinaus ist es erwähnenswert, dass das Delta-Radar, das exponiert und rotierend ist, seine Produkte sehr zerbrechlich in Bezug auf Staub und Wasserbeständigkeit macht. In einigen speziellen Anwendungen, wie der Werkstatt, in der das AVG-Auto arbeitet, gibt es oft viel Staub. In der Umgebung ist der Motor des Dreiecksradars sehr leicht zu beschädigen. Im Gegensatz dazu kann das vom TOF-Radar übernommene halbfeste Design einen besseren Schutz und eine längere Lebensdauer bieten.
Abbildung 5. Star-Sekunden TOF LIDAR
Derzeit entwickelt sich das heimische TOF-Radar rasant. Der von cyndar gestartete 2D-Sicherheitslaserscanner kann einen Messabstand von 20 m, eine Punktwolkenrate von 100kHz, eine maximale Winkelauflösung von 0,036° und einen SCHUTZgrad IP65 erreichen. Seine Anwendung wurde unbemanntes Fahren, Robotik, AGV, Sicherheit, Straßenverkehrsverwaltung und viele andere Bereiche sind ausgezeichnete Vertreter des chinesischen TOF-Radars beteiligt.
