La première définition de lidar est LIDAR, l'anglais est Light DeteaTIon and Ranging, ce qui signifie en chinois&"détection de lumière et télémétrie GG".
En fait, une définition plus précise est LADAR: LAser DetecTIon and Ranging, c'est-à-dire la détection laser&et la télémétrie&'. Il s'agit d'une définition proposée en 2004, plus en phase avec le concept de lidar.
Le lidar est en fait une sorte de radar travaillant dans la bande optique (bande spéciale), et ses avantages sont très évidents:
1. Résolution extrêmement élevée: Lidar fonctionne dans la bande optique et la fréquence est de 2 à 3 ordres de grandeur supérieure à celle des micro-ondes. Par conséquent, comparé au radar à micro-ondes, le lidar a une résolution de plage, une résolution angulaire et une vitesse de résolution extrêmement élevées.
2. Forte capacité anti-interférence: la longueur d'onde laser est courte, elle peut émettre un faisceau laser avec un très petit angle de divergence (de l'ordre du μrad), l'effet multi-trajet est petit (ne formera pas d'émission directionnelle, et générera effets multi-trajets avec micro-ondes ou ondes millimétriques), cibles détectables à basse altitude / ultra basse altitude;
3. La quantité d'informations obtenues est riche: la distance, l'angle, l'intensité de réflexion, la vitesse et d'autres informations de la cible peuvent être directement obtenues pour générer l'image multidimensionnelle de la cible;
4. Peut fonctionner toute la journée: détection active du laser, ne dépend pas des conditions d'éclairage extérieur ou des caractéristiques de rayonnement de la cible elle-même. Il lui suffit d'émettre son propre faisceau laser et d'obtenir des informations sur la cible en détectant le signal d'écho du faisceau laser émis.
Mais le plus gros inconvénient du lidar est qu'il est facilement affecté par les conditions atmosphériques et la fumée de l'environnement de travail. Il est très difficile de créer un environnement de travail tout temps.
Classification Lidar
Si la classification du lidar est divisée en systèmes, il existe principalement un lidar à détection directe et un lidar à détection cohérente. En fait, ce que nous avons mentionné à l'heure actuelle, y compris la conduite automatique, les robots et le lidar utilisés pour la topographie et la cartographie, appartiennent essentiellement à ce type de lidar à détection directe. Certains radars spéciaux, tels que la mesure du vent et la mesure de la vitesse, utilisent généralement un système cohérent. Si la classification du lidar est divisée en systèmes, il existe principalement un lidar à détection directe et un lidar à détection cohérente. En fait, ce que nous avons mentionné à l'heure actuelle, y compris la conduite automatique, les robots et le lidar utilisés pour la topographie et la cartographie, appartiennent essentiellement à ce type de lidar à détection directe. Certains radars spéciaux, tels que la mesure du vent et la mesure de la vitesse, utilisent généralement un système cohérent.
Selon la classification des applications, nous pouvons diviser davantage, tels que: télémètre laser, radar d'imagerie tridimensionnelle laser, radar de mesure de vitesse laser, radar de détection atmosphérique laser, etc.
Qu'il s'agisse de lidar monoligne, de lidar multiligne ou de lidar d'arpentage, nous pouvons fondamentalement le diviser dans la catégorie des radars d'imagerie laser tridimensionnels.
Un radar laser à imagerie tridimensionnelle, en fait, doit obtenir deux informations de base: les informations de distance de la cible et les informations d'angle de la cible.
Si nous déterminons sa norme d'assise tridimensionnelle, nous devons obtenir ses informations de distance, d'azimut et d'angle de tangage. Ensuite, nous calculons le point de coordonnées tridimensionnel de la cible en fonction des trois informations de distance, d'azimut et d'angle de tangage.
D'une manière générale, la technique d'obtention des informations d'angle par mesure du codeur est très mature. Nous sommes plus préoccupés par la façon d'obtenir les informations de distance du lidar.
Le radar d'imagerie laser tridimensionnel peut obtenir les données de nuage de points tridimensionnels de la cible grâce à une technologie de télémétrie directe et de mesure d'angle directe, et les données obtenues sont elles-mêmes des données tridimensionnelles. Il ne nécessite pas une grande quantité de calcul et de traitement pour générer l'image tridimensionnelle cible, et la télémétrie laser a une très haute précision.
Par conséquent, le radar laser à imagerie tridimensionnelle est actuellement le capteur le plus efficace qui peut obtenir des images d'une large gamme de scènes tridimensionnelles, et est également le capteur qui peut actuellement obtenir la plus grande précision des scènes tridimensionnelles.
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Méthode de télémétrie laser
À l'heure actuelle, les méthodes de mesure de distance que nous pouvons habituellement voir peuvent être divisées en grandes catégories: méthode du temps de vol laser (TIme of Fly, TOF) et méthode de triangulation.
La méthode du temps de vol laser peut être divisée en deux catégories, l'une est la modulation d'impulsions (technologie de télémétrie d'impulsions) et l'autre est la modulation de phase de la modulation d'intensité à onde continue laser, qui mesure les informations de distance à travers la différence de phase.
Les télémètres que nous pouvons voir sur le marché, ou lidars monolignes et multilignes, utilisent essentiellement ces trois types de méthodes de télémétrie.
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Technologie de télémétrie des impulsions laser
Le principe de la technologie de télémétrie des impulsions laser est très simple: obtenir les informations de distance de la cible en mesurant le temps de vol de l'impulsion laser entre le radar et la cible. Un repère est utilisé ici, qui est la vitesse de la lumière. Toutes les mesures doivent avoir une donnée. Pour un laser, il existe deux références: la vitesse et la fréquence (les deux références les plus précises), car la référence utilisée pour le TOF est la vitesse de vol du laser.
Parmi les trois méthodes de télémétrie mentionnées ci-dessus, je pense que le problème technique le plus difficile est la méthode de télémétrie d'impulsions. Mais les avantages qu'il apporte sont évidents: la vitesse de mesure est très rapide. La mesure étant effectuée par un laser avec une valeur de crête élevée, sa capacité anti-brouillage est très forte.
L'inconvénient est qu'il est difficile d'améliorer la résolution de télémétrie et le circuit de détection est difficile. Par exemple, si nous voulons atteindre une résolution de 1,5 millimètre pour la plage de phase, nous devons atteindre une résolution d'horloge de synchronisation de 10 picosecondes, ce qui équivaut à une bande passante de 100G. C'est une technique très difficile.
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Gamme de phase laser
La télémétrie de phase laser, telle que le télémètre laser portable commun, utilise la télémétrie de phase. Il obtient principalement des informations de distance en mesurant la différence de phase générée par le signal laser à onde continue modulée en intensité qui va et vient entre le radar et la cible.
Le plus gros avantage de cette technologie: la résolution de la plage est très élevée. À l'heure actuelle, le télémètre de phase sur le marché général peut atteindre une résolution millimétrique.
L'inconvénient est que la vitesse de mesure est plus lente que la plage d'impulsions. Après tout, nous devons calibrer une différence de phase d'au moins des dizaines, voire des centaines de cycles. En fait, cela équivaut à allonger son temps de mesure en phase, puis sa vitesse de mesure relativement faible. De plus, sa précision de mesure est relativement sensible au mouvement de la forme de la cible. Si dans le spot lumineux mesuré, les deux cibles sont en tandem, les informations spécifiques qu'elles ont réellement mesurées sont une moyenne de la distance entre les deux cibles, et non les informations de cible précédentes ou les informations de cible suivantes.
Mais dans la plage d'impulsions, il est facile de séparer ces informations. Par exemple, pour une impulsion laser, si nous pouvons atteindre une largeur d'impulsion de 10 nanosecondes, alors nous pouvons distinguer une cible de 30 centimètres d'avant en arrière par plusieurs échos.
Il est difficile de distinguer cette méthode dans la gamme de phases. Parce que dans le processus de mesure, son temps sera plus long et les informations de distance apportées par le mouvement de la cible sont introduites dans la valeur mesurée. En fait, il mesure une information de distance moyenne, pas une information en temps réel. Mais la télémétrie des impulsions laser est en fait des informations en temps réel sur la position actuelle.
C'est pourquoi le lidar pour véhicules ou robots utilise souvent la technologie de télémétrie des impulsions laser au lieu de la technologie de télémétrie de phase.
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Triangulation
La mesure de distance de triangulation consiste à obtenir des informations de distance en mesurant la position d'imagerie du point d'irradiation laser dans la caméra. Le plus grand avantage de la méthode de triangulation est que la difficulté technique est faible, le coût est également très faible et la précision de la télémétrie à courte distance est également très élevée. Par exemple, une utilisation industrielle peut atteindre une précision de mesure de 100 microns.
Mais l'inconvénient est que sa précision se détériorera progressivement avec l'augmentation de la distance, et ne peut fondamentalement pas être comparée à la plage d'impulsions et à la plage de phase.
Autre point, car la caméra CMOS doit utiliser un laser continu pour éclairer de manière synchrone, sa puissance moyenne est relativement faible, et sa capacité anti-interférence sera très forte. Cette méthode de télémétrie convient généralement aux travaux de gros plan en intérieur, mais ne convient pas aux travaux sous un fond d'éblouissement extérieur ou un fond d'éblouissement intérieur.
La mesure de la distance de triangulation est plus adaptée aux scènes à faibles performances telles que les robots. En plus du coût relativement élevé et de la difficulté technique, la télémétrie d'impulsions a d'excellentes performances dans d'autres aspects. Bien entendu, sa précision de télémétrie sera légèrement inférieure à celle de la télémétrie de phase. Mais avec ce type de précision, selon la technologie actuelle, nous pouvons essentiellement atteindre la précision de mesure de distance de l'ordre du centimètre, voire de quelques millimètres, qui peut essentiellement répondre aux exigences de notre utilisation dans de nombreuses occasions.
Notre objectif principal est d'utiliser la télémétrie d'impulsions pour faire du radar monoligne, y compris le radar multiligne.
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Qu'est-ce que le lidar monoligne
Le lidar à une ligne est en fait un télémètre laser à impulsions haute fréquence, plus un balayage de rotation unidimensionnel. Caractéristiques du lidar à une ligne:
1. Il n'y a qu'une seule façon de transmettre et une seule façon de recevoir, la structure est relativement simple et facile à utiliser;
2. Vitesse de balayage élevée et résolution angulaire élevée;
3. Faible volume, poids et consommation d'énergie;
4. Fiabilité supérieure;
5. Faible coût;
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Que peut faire le lidar monoligne?
Dans le domaine de la conduite autonome, on voit essentiellement le lidar multiligne, le laser monoligne
Que peut faire le radar?
Comme le montre la figure ci-dessus, la première voiture à participer au DARPA Autopilot Challenge aux États-Unis est la voiture Stanford 2005 nommée Stanly. C'est la voiture qui a remporté le championnat cette année-là. L'autre est la voiture de l'Université Carnegie Mellon.
À cette époque, ils utilisaient essentiellement du lidar à une seule ligne. Surtout pour la voiture de compétition de l'Université de Stanford, il y a cinq lidars installés juste au-dessus, nous pouvons le considérer comme le créateur du lidar multi-lignes, mais il utilise cinq lidars à une ligne pour atteindre la fonction lidar multi-lignes.
Après que Velodyne a lancé le lidar 64 lignes en 2007, de nombreux véhicules autonomes utilisaient essentiellement des produits Velodyne. Mais cela signifie-t-il que le lidar monoligne n'a pas de marché dans la conduite assistée ou autonome? Je ne pense pas. Du fait que le lidar à une seule ligne a ses caractéristiques, par exemple, il est difficile pour le lidar à plusieurs lignes d'obtenir les mêmes indicateurs techniques à un taux de répétition élevé et à une résolution angulaire élevée. En termes de détection de piétons, de détection d'obstacles (détection de petites cibles) et de détection d'obstacles avant, les lasers à une seule ligne présentent de nombreux avantages par rapport aux lidars à plusieurs lignes, car les radars à laser à une ligne peuvent avoir une résolution angulaire plus élevée que les lidars à plusieurs lignes. Ceci est très utile pour détecter de petits objets ou des piétons. Cette technologie est très utile dans les robots intelligents et les robots de service, et celle-ci est également un domaine brûlant.
Beaucoup de gens peuvent se poser une question, pourquoi utiliser le lidar pour la détection de voie au lieu d'une caméra. L # 39; algorithme ADAS n # 39; est pas très mature? Pourquoi dois-je utiliser le lidar?
En effet, l'appareil photo est particulièrement sensible aux interférences dues à la lumière de fond ou à une lumière intense. Par exemple, lorsque nous marchons sur une avenue bordée d'arbres, si l'ombre des arbres tombe par endroits et se combine ensuite avec les lignes de voie blanches, il est très difficile de reconnaître les lignes de voie, et la probabilité de reconnaissance est sous un éclairage complexe ou conditions lumineuses fortes. Sa probabilité de reconnaissance est très, très faible et l'algorithme est très compliqué.
Alors, quels sont les avantages de l'utilisation du lidar pour la détection de voie? Premièrement, nous utilisons des lasers infrarouges, qui ont un rayonnement beaucoup plus faible dans la bande infrarouge que la lumière visible. Deuxièmement, nous ajouterons un filtre très étroit pour filtrer directement la forte lumière de fond. Ensuite, nous utilisons la lumière infrarouge pour le détecter. De cette manière, nous pouvons obtenir une image de très haute qualité de la ligne de voie, et grâce à l'échelle de gris de l'image, il est très facile de détecter la ligne de voie. En d'autres termes, en utilisant le lidar pour la détection de ligne de voie, ses performances seront supérieures à celles de la caméra.
L'application du lidar monoligne à la conduite assistée est la détection des piétons. En fait, il s'agit également d'une application de prévention des collisions avant, qui est fondamentalement similaire à la prévention des collisions automobiles. Étant donné que la résolution angulaire du lidar à une ligne peut être supérieure à celle du lidar à plusieurs lignes, les piétons peuvent être détectés à l'avance à une plus grande distance, laissant plus de temps d'avertissement au système de contrôle ou au conducteur.
