圖1 三角測(cè)距基本原理
單線激光雷達(dá)原理揭秘:三角測(cè)距 VS ToF測(cè)距
發(fā)布時(shí)間:2021-04-15 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】當(dāng)研發(fā)人員對(duì)機(jī)器人搭載的激光雷達(dá)進(jìn)行技術(shù)選型時(shí),往往會(huì)發(fā)現(xiàn)同樣是機(jī)械式單線雷達(dá),不同廠家的不同型號(hào)在外觀、性能參數(shù)和價(jià)格區(qū)間上差別巨大,容易產(chǎn)生疑惑,不確定哪種更適合自己的使用場(chǎng)景。
當(dāng)研發(fā)人員對(duì)機(jī)器人搭載的激光雷達(dá)進(jìn)行技術(shù)選型時(shí),往往會(huì)發(fā)現(xiàn)同樣是機(jī)械式單線雷達(dá),不同廠家的不同型號(hào)在外觀、性能參數(shù)和價(jià)格區(qū)間上差別巨大,容易產(chǎn)生疑惑,不確定哪種更適合自己的使用場(chǎng)景。
這主要是由于目前市場(chǎng)上機(jī)械式激光雷達(dá)使用了不同的測(cè)距原理,主要可分為三角測(cè)距和ToF測(cè)距兩類,使得雷達(dá)整體設(shè)計(jì)在尺寸、性能和成本上有較大差異。
接下來將為大家詳細(xì)介紹兩類測(cè)距方式的技術(shù)原理,幫助研發(fā)人員加深理解,從而選擇更適合自身場(chǎng)景的激光雷達(dá)方案。首先來看三角測(cè)距激光雷達(dá)。
這種測(cè)距方式的基本原理如圖1所示。雷達(dá)測(cè)距模塊向外發(fā)射紅外激光,入射到被測(cè)物體上之后,部分散射光經(jīng)接收透鏡匯聚到線陣圖像傳感器(CCD/CMOS)上成像。
由圖中的幾何關(guān)系可知,位于不同距離的物體,出射激光形成的光斑在線陣上成像的位置亦不相同;另一方面,測(cè)距模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)固定不變,接收透鏡的焦距f,以及發(fā)射光路光軸與接收透鏡主光軸之間的偏移(即基線距離)L這兩項(xiàng)參數(shù)都是已知的。根據(jù)三角形的相似關(guān)系,即可計(jì)算出物體的距離D如下:
圖1 三角測(cè)距基本原理
以上原理介紹為最簡(jiǎn)化的情況。在實(shí)際應(yīng)用中,為了提高距離分辨率,以及充分利用線陣圖像傳感器的像素資源,通常將發(fā)射光路光軸與接收透鏡主光軸布置為呈一定斜角(而非圖示中的平行關(guān)系),但相似三角形的基本原理并無變化。
三角測(cè)距的原理決定了使用這種測(cè)距方式的激光雷達(dá)的一些技術(shù)特點(diǎn)。
首先來看測(cè)量距離,對(duì)于三角測(cè)距激光雷達(dá)來說,這個(gè)參數(shù)和距離分辨率是緊密聯(lián)系的。所謂距離分辨率,就是對(duì)不同距離目標(biāo)的區(qū)分能力;換句話說,當(dāng)目標(biāo)的距離發(fā)生變化時(shí),變化量達(dá)到多大才能使雷達(dá)輸出的距離值發(fā)生變化,相當(dāng)于用尺子量長(zhǎng)度時(shí),使用的尺子的最小刻度是多少,三角測(cè)距的一大特點(diǎn)是這把“尺子”的刻度是不均勻的。
由圖1易知,對(duì)于比較近的距離區(qū)間,目標(biāo)距離的變化會(huì)引起成像點(diǎn)位置的顯著變化;而當(dāng)目標(biāo)位于遠(yuǎn)處時(shí),即便距離發(fā)生很大的變化,體現(xiàn)到成像點(diǎn)上只會(huì)產(chǎn)生一點(diǎn)點(diǎn)移動(dòng),也就是說,三角測(cè)距的距離分辨率會(huì)隨著距離的變遠(yuǎn)而急速下降。這就限制了三角測(cè)距的最大實(shí)用測(cè)量距離,超出了這個(gè)距離后,分辨率的下降將使得測(cè)量結(jié)果失去意義。
其次是測(cè)量速率。機(jī)械式單線激光雷達(dá)在旋轉(zhuǎn)掃描的同時(shí)對(duì)不同方向上的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距,因此測(cè)量速率直接決定了雷達(dá)能否以更快的速率掃描(對(duì)應(yīng)更高的幀率),以及在完成一周掃描時(shí)能否輸出更多的測(cè)量點(diǎn)(對(duì)應(yīng)更高的角度分辨率)。
為了達(dá)到一定的距離分辨率,三角測(cè)距激光雷達(dá)往往都會(huì)使用較高分辨率的線陣圖像傳感器,通常具有數(shù)千個(gè)像素點(diǎn),每次測(cè)距時(shí)需要將這些像素點(diǎn)的灰度值讀出并交給DSP處理,整個(gè)讀出和處理的過程需要耗費(fèi)一定時(shí)間,從而限制了三角測(cè)距激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)速率。
說完三角測(cè)距之后,接著再看ToF測(cè)距。ToF是Time of Flight的縮寫,也即飛行時(shí)間測(cè)距法,其基本原理如圖2所示:
開始測(cè)距時(shí),脈沖驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)射一個(gè)持續(xù)時(shí)間極短但瞬時(shí)功率非常高的光脈沖,同時(shí)計(jì)時(shí)單元啟動(dòng)計(jì)時(shí);
光脈沖經(jīng)發(fā)射光路出射后,到達(dá)被測(cè)物體的表面并向各方向散射。測(cè)距模塊的接收光路收到部分散射光能量,通過光電器件轉(zhuǎn)化為光電流,輸送給回波信號(hào)處理電路;
回波信號(hào)處理電路將光電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),經(jīng)過一級(jí)或數(shù)級(jí)放大并調(diào)理后,得到一個(gè)回波信號(hào)對(duì)應(yīng)的電脈沖,用于觸發(fā)計(jì)時(shí)單元停止計(jì)時(shí);
此時(shí),計(jì)時(shí)單元記錄的時(shí)間間隔就代表了激光脈沖從發(fā)射到返回的全程所用的時(shí)間,使用這個(gè)時(shí)間值乘以光速并除以2,即可得到測(cè)距單元與被測(cè)目標(biāo)之間的距離值。
圖2 ToF測(cè)距基本原理
ToF測(cè)距的原理很容易理解,但具體工程實(shí)現(xiàn)時(shí)有不少技術(shù)難點(diǎn)需要解決,這主要是由于ToF測(cè)距的工作條件比較極端,非常大(脈沖發(fā)射峰值)、非常弱(脈沖回波)和非常快(納秒/皮秒級(jí)別)的信號(hào),這就對(duì)整個(gè)電路的驅(qū)動(dòng)能力、帶寬和噪聲抑制水平提出了很高的要求。但它的優(yōu)勢(shì)在于,只要解決了上述這些問題,整個(gè)測(cè)距系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)非常高的性能。
從測(cè)量距離來看,由于ToF測(cè)距發(fā)射的是持續(xù)時(shí)間極短的激光脈沖,因此在符合人眼安全要求的前提下,可以把光脈沖的瞬時(shí)功率提到很高的水平,從而能夠探測(cè)到更遠(yuǎn)距離的目標(biāo)。
不同于三角測(cè)距基于幾何相似關(guān)系的測(cè)量原理,ToF通過測(cè)量光脈沖的飛行時(shí)間來計(jì)算目標(biāo)距離,而計(jì)時(shí)的精度不會(huì)因距離變遠(yuǎn)而發(fā)生改變,這樣在整個(gè)量程內(nèi),ToF測(cè)距的距離分辨率都不會(huì)有實(shí)質(zhì)性的變化。最后,ToF測(cè)距處理的都是高速脈沖信號(hào),由此而來的好處是整個(gè)測(cè)量過程耗時(shí)極短,可以很輕松地做到非常高的測(cè)量頻率。
說完三角測(cè)距和ToF測(cè)距的工作原理后,接下來很自然的一個(gè)問題是,哪種類型的單線激光雷達(dá)更具優(yōu)勢(shì)?答案是要根據(jù)每種雷達(dá)的特點(diǎn),結(jié)合具體的使用場(chǎng)景來看。
三角測(cè)距激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在成本上,因其設(shè)計(jì)方案成熟,批量生產(chǎn)時(shí)成本可以降到很低的水平,但由于其在實(shí)際使用過程中并不穩(wěn)定,導(dǎo)致其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用受到很大限制。
此外,因?yàn)槿菧y(cè)距使用并列布置的平行軸光路,雷達(dá)的外觀可以做得比較低矮,能夠用于機(jī)體高度受限的場(chǎng)合;這些優(yōu)勢(shì),結(jié)合三角測(cè)距近距離測(cè)量精度較高的特點(diǎn),使得三角測(cè)距激光雷達(dá)非常適合于消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品上使用,近年來逐漸普及的掃地機(jī)器人就是一個(gè)很好的例子,只要是具備導(dǎo)航功能的型號(hào),幾乎清一色地使用了三角測(cè)距激光雷達(dá)作為主傳感器方案。對(duì)于服務(wù)機(jī)器人類的產(chǎn)品,當(dāng)活動(dòng)場(chǎng)景不大,或者需要在近距離補(bǔ)盲避障時(shí),三角測(cè)距激光雷達(dá)亦有應(yīng)用案例。
ToF測(cè)距激光雷達(dá)的系統(tǒng)設(shè)計(jì),相比三角測(cè)距雷達(dá)更復(fù)雜,因此成本會(huì)高一些,但由此帶來的性能提升也是顯而易見的,目前有不少團(tuán)隊(duì)的在研ToF方案,可在保持ToF測(cè)距工業(yè)級(jí)穩(wěn)定性和高性能的基礎(chǔ)上,將整機(jī)成本降到較低的水平,從而有潛力替代三角測(cè)距激光雷達(dá)在消費(fèi)領(lǐng)域的應(yīng)用。
市面上ToF單線激光雷達(dá)的主流產(chǎn)品,其最大測(cè)量距離(針對(duì)70%反射率目標(biāo))通常10米起步,數(shù)據(jù)速率達(dá)到15 KHz或更高,掃描頻率從15 Hz到40 Hz不等,且不少型號(hào)都可以在室外使用,因此環(huán)境適應(yīng)性更好,非常適合于活動(dòng)空間大、移動(dòng)速度高、需要在較強(qiáng)環(huán)境光(例如室外)工作的移動(dòng)平臺(tái)。目前,ToF測(cè)距激光雷達(dá)在服務(wù)機(jī)器人、AGV/AMR、低速物流車都有普遍的應(yīng)用。此外,在一些靜態(tài)安裝的場(chǎng)合,例如工業(yè)安全防護(hù)、大屏互動(dòng)、安防監(jiān)控等領(lǐng)域,也常常能看到ToF測(cè)距激光雷達(dá)的使用。
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