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解析機(jī)器人激光雷達(dá)的兩大類型

發(fā)布時間:2020-06-05 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】如今,激光雷達(dá)已被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、無人駕駛、AR/VR、3D 打印等多個領(lǐng)域,根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同,激光雷達(dá)的類型也存在一定差異,機(jī)器人是目前激光雷達(dá)應(yīng)用最為火熱的領(lǐng)域之一,按照不同的技術(shù)路線,可將機(jī)器人激光雷達(dá)分為 TOF 激光雷達(dá)及三角測距激光雷達(dá)兩大類型。
   
如今,激光雷達(dá)已被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、無人駕駛、AR/VR、3D 打印等多個領(lǐng)域,根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同,激光雷達(dá)的類型也存在一定差異,機(jī)器人是目前激光雷達(dá)應(yīng)用最為火熱的領(lǐng)域之一,按照不同的技術(shù)路線,可將機(jī)器人激光雷達(dá)分為 TOF 激光雷達(dá)及三角測距激光雷達(dá)兩大類型。
 
TOF 激光雷達(dá)
TOF 激光雷達(dá)是一種進(jìn)行光飛行的時間的測量方法,顧名思義就是發(fā)射出一道激光,然后會有一種二極管來進(jìn)行激光的回波檢測,再使用一個很高精度的計時器去測量光波發(fā)射到目標(biāo)物引起反饋再回來的時間差,而光速具有不變性,再將時間差乘以光速便可得到目標(biāo)物體的距離。
 
對于 TOF 的測距原理,如果再加以細(xì)分,還可再分為脈沖式及相位式兩種。
 
脈沖式比較簡單直接,就是發(fā)出一道激光的脈沖,然后再檢測激光的相關(guān)信息。這個是目前 TOF 激光雷達(dá)采用的主流方式。
 
相位式則是連續(xù)的發(fā)射激光。但是接收到的回波信號會由于光速傳播的特性,相位上會有差距。當(dāng)檢查相位時就可以轉(zhuǎn)過來處理這個距離。這種方式的優(yōu)勢在于成本相對更低,但其主要問題是測量的速度沒法提高。
 
 解析機(jī)器人激光雷達(dá)的兩大類型
 
現(xiàn)下較熱的 RPLIDAR S1 激光雷達(dá)便采用了脈沖式 TOF 測距原理,其配合思嵐科技研發(fā)的高速激光采集處理機(jī)構(gòu),能進(jìn)行每秒 9200 次的測距動作,在測距過程中,RPLIDAR S1 將發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的紅外激光信號,該激光信號在照射到目標(biāo)物體后產(chǎn)生的反光將被 RPLIDAR S1 的激光采集系統(tǒng)接收,然后經(jīng)過嵌入在 RPLIDAR S1 內(nèi)部的 DSP 處理器實(shí)時解算,被照射到的目標(biāo)物體與 RPLIDAR S1 的距離值以及當(dāng)前的角度信息將從通訊接口中輸出。
 
 解析機(jī)器人激光雷達(dá)的兩大類型
 
基于 TOF 原理的 RPLIDAR S1 激光雷達(dá),目前可實(shí)現(xiàn) 40 米的測距距離,同時也是業(yè)內(nèi)體積最小的激光雷達(dá)之一,即使在遠(yuǎn)距離物體條件下,這款 TOF 激光雷達(dá)也能保證測量的精度不發(fā)生改變,同時在室外及更大場景中,其性能依舊穩(wěn)定。
 
三角測距激光雷達(dá)
三角測距激光雷達(dá)是一種基于圖像處理的方法,就像我們給人拍照,人距離相機(jī)的遠(yuǎn)近會決定 TA 在成像里的大小,這就是三角測距的一種原理應(yīng)用。像 connect 體感攝像頭,Intel 研發(fā)的 RealSense 都會使用到三角測距法,三角測距法采用了一種特制的攝像頭,能拍攝出激光的光斑的特性,從而能反推出距離。
 
相比 TOF 激光雷達(dá),三角測距激光雷達(dá)的成本會有很大降低,本質(zhì)上來說就是一個攝像頭加一個處理芯片。當(dāng)然三角測距激光雷達(dá)也有一些缺點(diǎn),它會有分辨率的限制,如分辨率不高,物體又較遠(yuǎn),可能會出現(xiàn)看不清的情況,同理,三角測距法對于遠(yuǎn)距離的物體來說,便會看的不是很清楚,所以對算法具有很高挑戰(zhàn)。如果算法不夠優(yōu)秀,即使測量四五米開外的物體就會出現(xiàn)問題。
 
 解析機(jī)器人激光雷達(dá)的兩大類型
上表是詳細(xì)對比,實(shí)際上來說,TOF(Time of Flight)方法在性能上比較占優(yōu),但成本相對更高。而三角測距法則相反,在成本上,它是一種非常占優(yōu)的方案。但是其缺點(diǎn)在于如果軟件的復(fù)雜度不夠高,在進(jìn)行遠(yuǎn)距離的測量的時候,性能就會下降得特別快。
 
下圖可作為具體解釋:
 
 解析機(jī)器人激光雷達(dá)的兩大類型
 
我們看到,在這個畫面中,右邊這張圖顯示的就是,算法寫的不好或者是說比較傳統(tǒng)的激光雷達(dá),它在測量遠(yuǎn)距離的物體時,明明應(yīng)該是一個筆直的墻體,但是它掃描出來的效果就會有很多類似鋸齒狀的馬賽克的感覺,給后期的算法處理上帶來了很多障礙。
 
而左圖是思嵐科技使用的算法。該算法能使激光在遠(yuǎn)距離情況下依舊做的非常遠(yuǎn),實(shí)際上三角測距的激光雷達(dá)存在的一個主要的制約技術(shù)門檻,就在于算法的優(yōu)秀性。經(jīng)過長時間的迭代優(yōu)化,目前思嵐科技的 RPLIDAR A3 三角測距激光雷達(dá)已能達(dá)到 25 米的測距范圍,突破了曾經(jīng)業(yè)內(nèi)曾認(rèn)為三角測距雷達(dá)因?yàn)樽陨碓黼y以突破 20 米以上的實(shí)用化測距。另外,在實(shí)現(xiàn)了 25 米范圍的實(shí)用化測距的同時,還能做到每秒高達(dá) 16,000 的采樣頻率,及 0.33°(15hz 情況)的角度分辨率。
 
 
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