Quels sont les avantages et les inconvénients? Triangulation et analyse lidar TOF!
En tant que capteur principal de nombreux appareils intelligents, le lidar a été largement utilisé. Aujourd'hui, nous pouvons fréquemment voir du lidar dans des véhicules sans pilote, des robots de service, des chariots élévateurs AGV, une administration et un transport intelligents des routes et des lignes de production automatisées, ce qui suffit à montrer sa position indispensable dans la chaîne de l'industrie de l'intelligence artificielle.
En ce qui concerne les produits lidar courants sur le marché, les radars utilisés pour la détection environnementale et la construction de cartes peuvent être grossièrement divisés en deux catégories selon les voies techniques. L'un est le radar TOF (Time of Flight) et l'autre est un radar de télémétrie triangulaire. Je pense que beaucoup de gens connaissent ces deux termes, mais si vous voulez dire si ces deux solutions sont meilleures ou pires en termes de principe, de performances, de coût et d'application, ainsi que les raisons qui les sous-tendent, peut-être que tout le monde en a plus ou Moins. Doute. Aujourd'hui, l'éditeur donnera quelques suggestions et analysera ces problèmes.
1. Principe
Le principe de la méthode de triangulation est illustré dans la figure ci-dessous. Le laser émet une lumière laser. Après avoir irradié l'objet, la lumière réfléchie est reçue par le CCD linéaire. Comme le laser et le détecteur sont séparés d'une certaine distance, des objets à différentes distances seront imagés sur le CCD en fonction du chemin optique. Différents endroits. En calculant selon la formule trigonométrique, la distance de l'objet mesuré peut être dérivée.
Regardez simplement le principe, pensez-vous que c'est&assez simple?
Figure 1. Le principe de la triangulation allant
Cependant, le principe du TOF est plus simple. Comme le montre la figure 2, le laser émet une impulsion laser, et l'heure d'émission est enregistrée par la minuterie, la lumière de retour est reçue par le récepteur et l'heure de retour est enregistrée par la minuterie. Les deux temps sont soustraits pour obtenir le temps de vol" de la lumière, et la vitesse de la lumière est constante, de sorte que la distance peut être facilement calculée une fois que la vitesse et le temps sont connus.
Figure 2. Principe de télémétrie TOF
Il est dommage que si tout est aussi simple que de se souvenir, le monde sera merveilleux. Ces deux schémas auront leurs propres défis dans la mise en œuvre spécifique, mais en comparaison, TOF a évidemment plus de difficultés à surmonter.
Les principales difficultés dans la réalisation du radar TOF sont:
Le premier est la question du timing. Dans le schéma TOF, la mesure de distance dépend de la mesure du temps. Mais la vitesse de la lumière est trop rapide, donc pour obtenir une distance précise, les exigences du système de chronométrage deviennent très élevées. Une donnée est que le lidar doit mesurer une distance de 1 cm et que l'intervalle de temps correspondant est d'environ 65 ps. Les étudiants qui connaissent un peu les caractéristiques électriques devraient savoir ce que cela signifie derrière le système de circuits.
Le second est le traitement des signaux impulsionnels. Il y a deux parties:
L'un est le laser: dans le radar delta, il n'y a presque aucune exigence pour la conduite laser. Comme la mesure dépend de la position de l'écho laser, une seule lumière continue est nécessaire pour émettre. Mais TOF ne fonctionne pas. Non seulement il nécessite un laser pulsé, mais la qualité n'est pas trop mauvaise. À l'heure actuelle, la largeur d'impulsion de la lumière sortante du radar TOF est d'environ quelques nanosecondes, et le front montant doit être aussi rapide que possible. Par conséquent, le schéma de pilotage laser de chaque produit Il existe également des points hauts et bas.
L'autre est le récepteur. D'une manière générale, l'identification du temps d'écho est en fait l'identification temporelle du front montant. Par conséquent, lors du traitement du signal d'écho, il est nécessaire de s'assurer que le signal n'est pas déformé autant que possible. De plus, même si le signal n'est pas déformé, puisque le signal d'écho ne peut pas être une onde carrée idéale, la mesure de différents objets à la même distance entraînera également un changement du bord avant. Par exemple, la mesure du papier blanc et du papier noir à la même position peut obtenir deux signaux d'écho comme le montre la figure ci-dessous, et le système de mesure du temps doit mesurer que les deux bords avant sont en même temps (car la distance est la même distance), ce qui nécessite un traitement spécial.
Figure 3. La différence des signaux d'écho avec une réflectivité différente
De plus, l'extrémité de réception est également confrontée à des problèmes tels que la saturation du signal et le traitement du bruit de fond, qui peuvent être considérés comme difficiles.
Deuxièmement, la performance PK, connaître la raison, savoir pourquoi?
Cela dit, en fait, du point de vue des utilisateurs en aval, vous ne vous souciez pas de savoir si elle est facile ou difficile à mettre en œuvre. Les utilisateurs ne se soucient que de deux points: les performances et le prix. Permettez-moi d'abord de parler de la performance. Si la plupart des gens qui connaissent cette industrie savent que le radar TOF est meilleur que le radar triangulaire en termes de performances. Mais quels sont les aspects spécifiques et les raisons derrière cela?
Mesurer la distance
En principe, le radar TOF peut mesurer de plus longues distances. En fait, dans certaines occasions qui nécessitent une mesure de distance, comme les applications de voiture sans conducteur, presque tous les radars TOF. Il y a plusieurs raisons pour lesquelles le radar de triangulation ne peut pas mesurer loin. Premièrement, il est limité en principe. En fait, il n'est pas difficile d'observer attentivement la figure 1. Plus l'objet mesuré par le radar de triangulation est éloigné, plus la différence de position sur le CCD est petite. Après avoir dépassé une certaine distance, le CCD peut à peine distinguer. La seconde est que le radar triangulaire ne peut pas obtenir un rapport signal / bruit plus élevé comme le radar TOF. TOF utilise un échantillonnage laser pulsé et peut contrôler strictement le champ de vision pour réduire l'impact de la lumière ambiante. Telles sont les conditions préalables à la mesure à longue distance.
Bien entendu, la distance ne signifie pas la qualité absolue, elle dépend des scénarios d'utilisation spécifiques.
Taux d'échantillonnage
Lorsque Lidar représente l'environnement, il génère une image de nuage de points. Le nombre de mesures de nuages de points pouvant être effectuées par seconde est le taux d'échantillonnage. Dans le cas d'une vitesse fixe, la fréquence d'échantillonnage détermine le nombre de nuages de points dans chaque trame d'image et la résolution angulaire des nuages de points. Plus la résolution angulaire est élevée et plus le nombre de nuages de points est élevé, plus l'image représente l'environnement environnant de manière détaillée.
En ce qui concerne les produits du marché, le taux d'échantillonnage du radar de triangulation est généralement inférieur à 20k, tandis que le radar TOF peut atteindre plus haut (par exemple, le radar TOF étoile-seconde PAVO peut atteindre un taux d'échantillonnage allant jusqu'à 100k ). La raison en est que TOF n'a besoin que d'une seule impulsion lumineuse pour effectuer une mesure et que l'analyse en temps réel peut également réagir rapidement. Mais trois
À
Le processus de calcul requis pour le radar angulaire est plus long.
Figure 4. Effets d'imagerie de différents taux d'échantillonnage pour des objets au même endroit
(A): motif de nuage de points à faible taux d'échantillonnage; (B): motif de nuage de points à taux d'échantillonnage élevé (PAVO)
Précision
Le lidar est essentiellement un appareil de mesure de distance, donc la précision de la mesure de distance est sans aucun doute l'indicateur principal. À ce stade, la précision de la trigonométrie est très élevée à des distances proches, mais à mesure que la distance s’éloigne de plus en plus, la précision de sa mesure s’aggravera de plus en plus. En effet, la mesure de la trigonométrie est liée à l'angle, et avec l'augmentation de la distance, la différence d'angle deviendra de plus en plus petite. Par conséquent, le radar triangulaire utilise généralement le marquage en pourcentage lors du marquage de la précision (courant comme 1%), l'erreur maximale à une distance de 20 m est de 20 cm. Le radar TOF repose sur le temps de vol et la précision de la mesure du temps ne change pas de manière significative avec l'augmentation de la longueur. Par conséquent, la plupart des radars TOF peuvent maintenir une précision de plusieurs centimètres dans une plage de mesure de plusieurs dizaines de mètres.
Vitesse (fréquence d'images)
Dans le radar mécanique, la fréquence d'images est déterminée par la vitesse du moteur. En ce qui concerne le lidar bidimensionnel actuellement sur le marché, la vitesse maximale du radar triangulaire est généralement inférieure à 20 Hz, tandis que le radar TOF peut atteindre environ 30 Hz à 50 Hz. En général, le radar triangulaire adopte généralement la structure des corps divisés supérieur et inférieur, c'est-à-dire que la partie supérieure est responsable de l'émission, de la réception et de la collecte du laser, et la partie inférieure est responsable de l'entraînement du moteur et de l'alimentation. Les composants de mouvement excessivement lourds limitent une vitesse plus élevée. Le radar TOF adopte généralement une structure semi-solide intégrée et le moteur n'a besoin que de piloter le miroir, de sorte que la consommation d'énergie du moteur est faible et la vitesse qui peut être prise en charge est également plus élevée.
Bien entendu, la différence de vitesse mentionnée ici n'est qu'une analyse objective des produits existants. En fait, il n'y a pas de lien essentiel entre la vitesse et le radar adoptant le TOF ou la méthode de triangulation. Le radar TOF multiligne grand public adopte également la structure divisée supérieure et inférieure. Après tout, la conception optique de la structure coaxiale est soumise à de nombreuses restrictions. La vitesse du radar TOF multiligne est généralement inférieure à 20 Hz.
Cependant, une vitesse élevée (ou une fréquence d'images élevée) est significative pour l'imagerie de nuages de points. La fréquence d'images élevée est plus propice à la capture d'objets en mouvement à grande vitesse, tels que les véhicules circulant sur les autoroutes. De plus, lors de la construction d'une carte par elle-même, la carte radar en mouvement sera déformée (par exemple, si un radar stationnaire balaie un cercle comme un cercle, alors lorsque le radar se déplace en ligne droite, l'image numérisée devient une ellipse). Évidemment, une vitesse élevée peut mieux réduire l'influence de ce type de distorsion.
3. Coût
Si vous ne regardez que la comparaison des performances, il semble que les performances du radar TOF submergent complètement le radar triangulaire. Cependant, la concurrence des produits n'est pas seulement une concurrence de paramètres de performance, les utilisateurs se soucient également du prix, de la stabilité et du service.
Au moins en termes de coût, le coût actuel du radar triangulaire est inférieur à celui du radar TOF, et le coût du radar triangulaire à courte portée est déjà au niveau de 100 yuans. À l'heure actuelle, le prix du radar TOF importé est supérieur à 10 000 yuans. On peut dire que le prix élevé est un facteur important limitant l'expansion des applications lidar TOF.
Cependant, avec la montée en puissance des fabricants nationaux de radars TOF ces dernières années, le coût des radars TOF a été considérablement réduit. Par rapport aux marques importées, le prix des produits radar TOF nationaux est devenu assez compétitif. À l'avenir, avec l'amélioration de la technologie de production et l'augmentation supplémentaire des expéditions, on pense que le coût du radar TOF sera encore comprimé et qu'il n'est pas impossible de tomber à un niveau similaire à celui du radar triangulaire.
Quatre, scénarios d'application
La scène du radar triangulaire est principalement utilisée dans les applications à courte distance en intérieur, et la scène la plus typique est le robot de balayage. Dans les scènes avec une large plage de détection (comme les centres commerciaux, les aéroports ou les gares), ainsi que dans les scènes en extérieur, TOF est plus largement utilisé. De plus, il convient de mentionner que le radar delta, qui est exposé et en rotation, rend ses produits très fragiles en termes de résistance à la poussière et à l'eau. Dans certaines applications spéciales, comme l'atelier où travaille la voiture AVG, il y a souvent beaucoup de poussière. Dans l'environnement, le moteur du radar triangulaire est très facile à endommager. En revanche, la conception semi-solide adoptée par le radar TOF peut offrir une meilleure protection et une durée de vie plus longue.
Figure 5. Lidar TOF étoile-seconde
À l'heure actuelle, le radar TOF domestique se développe rapidement. Le scanner laser de sécurité 2D lancé par cyndar peut atteindre une distance de mesure de 20 m, un taux de nuage de points de 100 kHz, une résolution angulaire maximale de 0,036 ° et un niveau de protection IP65. Son application a impliqué la conduite sans pilote, la robotique, l'AGV, la sécurité, l'administration routière et de nombreux autres domaines sont d'excellents représentants du radar TOF de Chine GG.
