มีข้อดีข้อเสียอย่างไร? Triangulation และ TOF lidar analysis!
ในฐานะที่เป็นเซ็นเซอร์หลักของอุปกรณ์อัจฉริยะจำนวนมากจึงมีการใช้ lidar กันอย่างแพร่หลาย วันนี้เราสามารถพบเห็นลิดาร์ได้บ่อยในรถยนต์ไร้คนขับหุ่นยนต์บริการรถยก AGV การบริหารถนนอัจฉริยะและการขนส่งและสายการผลิตอัตโนมัติซึ่งเพียงพอที่จะแสดงตำแหน่งที่ขาดไม่ได้ในห่วงโซ่อุตสาหกรรมปัญญาประดิษฐ์
เท่าที่ผลิตภัณฑ์ Lidar กระแสหลักในตลาดเกี่ยวข้องเรดาร์ที่ใช้ในการตรวจจับสิ่งแวดล้อมและการสร้างแผนที่สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทโดยคร่าวๆตามเส้นทางทางเทคนิค หนึ่งคือเรดาร์ TOF (Time of Flight) และอีกอันคือเรดาร์แบบสามเหลี่ยม ฉันเชื่อว่าหลายคนคุ้นเคยกับคำศัพท์ทั้งสองนี้ แต่ถ้าคุณต้องการบอกว่าโซลูชันทั้งสองนี้ดีกว่าหรือแย่กว่าในแง่ของหลักการประสิทธิภาพค่าใช้จ่ายและการใช้งานรวมถึงเหตุผลเบื้องหลังบางทีทุกคนอาจมีมากกว่านี้หรือ น้อยกว่า สงสัย. วันนี้บรรณาธิการจะให้คำแนะนำและวิเคราะห์ปัญหาเหล่านี้
1. หลักการ
หลักการของวิธีการหาสามเหลี่ยมแสดงไว้ในรูปด้านล่าง เลเซอร์จะปล่อยแสงเลเซอร์ หลังจากฉายรังสีวัตถุแล้ว CCD เชิงเส้นจะได้รับแสงสะท้อน เนื่องจากเลเซอร์และเครื่องตรวจจับอยู่ห่างกันตามระยะทางหนึ่งวัตถุที่อยู่ในระยะต่างกันจะถูกถ่ายภาพบน CCD ตามเส้นทางแสง สถานที่ต่างๆ การคำนวณตามสูตรตรีโกณมิติสามารถหาระยะทางของวัตถุที่วัดได้
แค่ดูหลักการคุณคิดว่า&# 39 ค่อนข้างง่ายหรือไม่?
รูปที่ 1. หลักการของรูปสามเหลี่ยมตั้งแต่
อย่างไรก็ตามหลักการของ TOF นั้นง่ายกว่า ดังแสดงในรูปที่ 2 เลเซอร์จะปล่อยพัลส์เลเซอร์และเวลาในการปล่อยจะถูกบันทึกโดยตัวจับเวลาเครื่องรับจะรับแสงย้อนกลับและเวลาส่งคืนจะถูกบันทึกโดยตัวจับเวลา สองครั้งจะถูกลบเพื่อให้ได้" เวลาบิน" ของแสงและความเร็วของแสงคงที่ดังนั้นจึงสามารถคำนวณระยะทางได้อย่างง่ายดายหลังจากทราบความเร็วและเวลาแล้ว
รูปที่ 2. หลักการตั้งแต่ TOF
เป็นที่น่าเสียดายว่าหากทุกอย่างเรียบง่ายเหมือนจำโลกจะต้องมหัศจรรย์ แผนทั้งสองนี้จะมีความท้าทายในการนำไปใช้งานเฉพาะ แต่เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว TOF มีความยากมากกว่าที่จะเอาชนะ
ปัญหาหลักในการใช้เรดาร์ TOF คือ:
ประการแรกคือปัญหาเรื่องเวลา ในโครงการ TOF การวัดระยะทางขึ้นอยู่กับการวัดเวลา แต่ความเร็วของแสงเร็วเกินไปดังนั้นเพื่อให้ได้ระยะทางที่แม่นยำข้อกำหนดสำหรับระบบจับเวลาจึงสูงมาก ข้อมูลชิ้นเดียวคือ lidar ต้องวัดระยะทาง 1 ซม. และช่วงเวลาที่ตรงกันคือประมาณ 65ps นักเรียนที่คุ้นเคยกับลักษณะทางไฟฟ้าเพียงเล็กน้อยควรรู้ว่าสิ่งนี้หมายถึงอะไรที่อยู่เบื้องหลังระบบวงจร
ประการที่สองคือการประมวลผลสัญญาณพัลส์ มีสองส่วน:
หนึ่งคือเลเซอร์: ในเดลต้าเรดาร์แทบไม่มีข้อกำหนดสำหรับการขับด้วยเลเซอร์ เนื่องจากการวัดขึ้นอยู่กับตำแหน่งของการสะท้อนเลเซอร์จึงจำเป็นต้องเปล่งแสงต่อเนื่องเพียงครั้งเดียว แต่ TOF ไม่ทำงาน ไม่เพียง แต่ต้องใช้เลเซอร์พัลซิ่งเท่านั้น แต่คุณภาพก็ไม่เลวร้ายเกินไป ปัจจุบันความกว้างพัลส์ของแสงขาออกของเรดาร์ TOF อยู่ที่ประมาณสองสามนาโนวินาทีและขอบที่เพิ่มขึ้นจะต้องเร็วที่สุด ดังนั้นรูปแบบการขับเลเซอร์ของแต่ละผลิตภัณฑ์นอกจากนี้ยังมีจุดสูงและต่ำ
อีกตัวคือตัวรับ โดยทั่วไปแล้วการระบุเวลาสะท้อนคือการระบุเวลาของขอบที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นเมื่อประมวลผลสัญญาณสะท้อนจึงจำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าสัญญาณไม่ผิดเพี้ยนให้มากที่สุด นอกจากนี้แม้ว่าสัญญาณจะไม่ผิดเพี้ยนเนื่องจากสัญญาณสะท้อนไม่สามารถเป็นคลื่นสี่เหลี่ยมในอุดมคติได้การวัดวัตถุที่แตกต่างกันในระยะทางเดียวกันจะทำให้ขอบด้านหน้าเปลี่ยนไปด้วย ตัวอย่างเช่นการวัดกระดาษสีขาวและกระดาษสีดำที่ตำแหน่งเดียวกันอาจได้รับสัญญาณสะท้อนสองแบบดังแสดงในรูปด้านล่างและระบบการวัดเวลาต้องวัดว่าขอบด้านหน้าสองด้านพร้อมกัน (เนื่องจากระยะห่างคือ ระยะทางเดียวกัน) ซึ่งต้องได้รับการดูแลเป็นพิเศษ
รูปที่ 3 ความแตกต่างของสัญญาณสะท้อนที่มีการสะท้อนแสงต่างกัน
นอกจากนี้ปลายรับยังประสบปัญหาเช่นความอิ่มตัวของสัญญาณและการประมวลผลพื้นเสียงซึ่งอาจกล่าวได้ว่าเป็นเรื่องยาก
ประการที่สองประสิทธิภาพ PK รู้เหตุผลรู้ว่าทำไม?
ต้องบอกว่าในความเป็นจริงจากมุมมองของผู้ใช้ปลายน้ำคุณไม่สนใจว่าจะใช้งานง่ายหรือยาก ผู้ใช้ไม่สนใจอะไรมากไปกว่าสองจุด: ประสิทธิภาพและราคา ผมขอพูดถึงประสิทธิภาพก่อน ถ้าคนส่วนใหญ่ที่รู้จักอุตสาหกรรมนี้รู้ว่าเรดาร์ TOF ดีกว่าเรดาร์สามเหลี่ยมในด้านประสิทธิภาพ แต่อะไรคือแง่มุมที่เฉพาะเจาะจงและเหตุผลเบื้องหลัง?
การวัดระยะทาง
ตามหลักการแล้วเรดาร์ TOF สามารถวัดระยะทางได้ไกลกว่า ในความเป็นจริงในบางโอกาสที่ต้องใช้การวัดระยะทางเช่นการใช้งานรถยนต์ที่ไม่มีคนขับเรดาร์ TOF เกือบทั้งหมด มีสาเหตุหลายประการที่ทำให้เรดาร์สามเหลี่ยมไม่สามารถวัดได้ไกล ประการแรกมีข้อ จำกัด ในหลักการ อันที่จริงสังเกตรูปที่ 1 อย่างละเอียดได้ไม่ยาก ยิ่งวัตถุที่วัดโดยเรดาร์สามเหลี่ยมไกลเท่าใดความแตกต่างของตำแหน่งบน CCD ก็จะยิ่งน้อยลง หลังจากผ่านไประยะหนึ่ง CCD แทบจะไม่สามารถแยกแยะได้ ประการที่สองคือเรดาร์สามเหลี่ยมไม่สามารถรับอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่สูงกว่าเช่นเรดาร์ TOF TOF ใช้การสุ่มตัวอย่างเลเซอร์แบบพัลซิ่งและสามารถควบคุมมุมมองได้อย่างเข้มงวดเพื่อลดผลกระทบของแสงโดยรอบ สิ่งเหล่านี้เป็นข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการวัดระยะทางไกล
แน่นอนว่าระยะทางไม่ได้หมายถึงคุณภาพที่แน่นอน แต่ขึ้นอยู่กับสถานการณ์การใช้งานที่เฉพาะเจาะจง
อัตราการสุ่มตัวอย่าง
เมื่อ Lidar แสดงสภาพแวดล้อมระบบจะแสดงภาพพอยต์คลาวด์ จำนวนการวัดพอยต์คลาวด์ที่สามารถทำได้ต่อวินาทีคืออัตราการสุ่มตัวอย่าง ในกรณีของความเร็วคงที่อัตราการสุ่มตัวอย่างจะกำหนดจำนวนจุดเมฆในแต่ละเฟรมของภาพและความละเอียดเชิงมุมของเมฆจุด ยิ่งความละเอียดเชิงมุมสูงและจำนวนจุดเมฆมากเท่าใดภาพก็จะแสดงสภาพแวดล้อมโดยรอบได้ละเอียด
เท่าที่ผลิตภัณฑ์ในตลาดเกี่ยวข้องอัตราการสุ่มตัวอย่างของเรดาร์สามเหลี่ยมโดยทั่วไปจะต่ำกว่า 20k ในขณะที่เรดาร์ TOF สามารถบรรลุได้สูงกว่า (ตัวอย่างเช่นเรดาร์ TOF ที่สองดาวสามารถเข้าถึงอัตราการสุ่มตัวอย่างสูงถึง 100k ). เหตุผลก็คือ TOF ต้องการชีพจรเบาเพียงครั้งเดียวเพื่อทำการวัดให้เสร็จสมบูรณ์และการวิเคราะห์ตามเวลาจริงก็สามารถตอบสนองได้อย่างรวดเร็ว แต่สาม
ถึง
กระบวนการคำนวณที่จำเป็นสำหรับเรดาร์เชิงมุมนั้นยาวกว่า
รูปที่ 4. เอฟเฟกต์การถ่ายภาพของอัตราการสุ่มตัวอย่างที่แตกต่างกันสำหรับวัตถุในตำแหน่งเดียวกัน
(A): รูปแบบเมฆจุดสุ่มตัวอย่างต่ำ (B): รูปแบบเมฆจุดสุ่มตัวอย่างสูง (PAVO)
ความแม่นยำ
Lidar เป็นอุปกรณ์วัดระยะทางดังนั้นความแม่นยำในการวัดระยะทางจึงเป็นตัวบ่งชี้หลักอย่างไม่ต้องสงสัย ณ จุดนี้ความแม่นยำของตรีโกณมิตินั้นสูงมากในระยะใกล้ แต่เมื่อระยะทางไกลขึ้นและไกลขึ้นความแม่นยำของการวัดจะแย่ลงเรื่อย ๆ เนื่องจากการวัดตรีโกณมิติสัมพันธ์กับมุมและเมื่อระยะทางเพิ่มขึ้นความแตกต่างของมุมจะเล็กลงและเล็กลง ดังนั้นเรดาร์สามเหลี่ยมมักจะใช้การมาร์กเป็นเปอร์เซ็นต์เมื่อทำเครื่องหมายความแม่นยำ (ทั่วไปเช่น 1%) ดังนั้นข้อผิดพลาดสูงสุดที่ระยะ 20 เมตรคือ 20 ซม. เรดาร์ TOF ขึ้นอยู่กับเวลาบินและความแม่นยำในการวัดเวลาไม่เปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเพิ่มความยาว ดังนั้นเรดาร์ TOF ส่วนใหญ่สามารถรักษาความแม่นยำได้หลายเซนติเมตรภายในช่วงการวัดหลายสิบเมตร
ความเร็ว (อัตราเฟรม)
ในเรดาร์เชิงกลอัตราเฟรมภาพจะถูกกำหนดโดยความเร็วของมอเตอร์ เท่าที่มีความกังวลเกี่ยวกับ lidar สองมิติในตลาดในปัจจุบันความเร็วสูงสุดของเรดาร์สามเหลี่ยมมักจะต่ำกว่า 20Hz ในขณะที่เรดาร์ TOF สามารถบรรลุได้ประมาณ 30Hz-50Hz โดยทั่วไปแล้วเรดาร์รูปสามเหลี่ยมมักใช้โครงสร้างของตัวแยกส่วนบนและส่วนล่างนั่นคือส่วนบนมีหน้าที่ในการปล่อยแสงเลเซอร์การรับและการเก็บรวบรวมและส่วนล่างมีหน้าที่ในการขับเคลื่อนมอเตอร์และแหล่งจ่ายไฟ ส่วนประกอบที่เคลื่อนไหวหนักเกินไปจะ จำกัด ความเร็วที่สูงขึ้น โดยปกติแล้วเรดาร์ TOF จะใช้โครงสร้างกึ่งแข็งแบบบูรณาการและมอเตอร์จำเป็นต้องขับเคลื่อนกระจกเท่านั้นดังนั้นการใช้พลังงานของมอเตอร์จึงมีขนาดเล็กและความเร็วที่รองรับก็สูงขึ้นเช่นกัน
แน่นอนความแตกต่างของความเร็วที่กล่าวถึงนี้เป็นเพียงการวิเคราะห์วัตถุประสงค์ของผลิตภัณฑ์ที่มีอยู่ ในความเป็นจริงไม่มีการเชื่อมต่อที่สำคัญระหว่างความเร็วและเรดาร์ที่ใช้ TOF หรือวิธีการสามเหลี่ยม เรดาร์ TOF หลายบรรทัดหลักยังใช้โครงสร้างแยกส่วนบนและส่วนล่าง ท้ายที่สุดแล้วการออกแบบออปติคอลของโครงสร้างโคแอกเซียลอยู่ภายใต้ข้อ จำกัด หลายประการ ความเร็วของเรดาร์ TOF แบบหลายบรรทัดโดยทั่วไปต่ำกว่า 20 Hz
อย่างไรก็ตามความเร็วสูง (หรืออัตราเฟรมสูง) มีความหมายสำหรับการถ่ายภาพพอยต์คลาวด์ อัตราเฟรมที่สูงนั้นเอื้อต่อการจับภาพวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงเช่นยานพาหนะที่ขับบนทางหลวง นอกจากนี้เมื่อสร้างแผนที่ด้วยตัวเองแผนที่เรดาร์เคลื่อนที่จะบิดเบี้ยว (ตัวอย่างเช่นหากเรดาร์เคลื่อนที่สแกนวงกลมเป็นวงกลมจากนั้นเมื่อเรดาร์เคลื่อนที่เป็นเส้นตรงภาพที่สแกนจะกลายเป็นวงรี) เห็นได้ชัดว่าความเร็วสูงสามารถลดอิทธิพลของการบิดเบือนประเภทนี้ได้ดีกว่า
3. ค่าใช้จ่าย
หากคุณดูเฉพาะการเปรียบเทียบประสิทธิภาพดูเหมือนว่าประสิทธิภาพของเรดาร์ TOF จะครอบงำเรดาร์สามเหลี่ยมอย่างสมบูรณ์ อย่างไรก็ตามการแข่งขันของผลิตภัณฑ์ไม่ได้เป็นเพียงแค่การแข่งขันด้านประสิทธิภาพเท่านั้น แต่ผู้ใช้ยังให้ความสำคัญกับราคาเสถียรภาพและบริการอีกด้วย
อย่างน้อยในแง่ของต้นทุนราคาปัจจุบันของเรดาร์สามเหลี่ยมต่ำกว่าเรดาร์ TOF และราคาของเรดาร์สามเหลี่ยมระยะสั้นอยู่ที่ระดับ 100 หยวนแล้ว ปัจจุบันราคาเรดาร์ TOF นำเข้ามีมูลค่ามากกว่า 10,000 หยวน กล่าวได้ว่าราคาที่สูงเป็นปัจจัยสำคัญที่ จำกัด การขยายตัวของแอปพลิเคชัน TOF lidar เพิ่มเติม
อย่างไรก็ตามด้วยการเพิ่มขึ้นของผู้ผลิตเรดาร์ TOF ในประเทศในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาต้นทุนของเรดาร์ TOF จึงลดลงอย่างมาก เมื่อเทียบกับแบรนด์ที่นำเข้าราคาของผลิตภัณฑ์เรดาร์ TOF ในประเทศมีการแข่งขันค่อนข้างสูง ในอนาคตด้วยการปรับปรุงเทคโนโลยีการผลิตและการจัดส่งที่เพิ่มขึ้นต่อไปเชื่อกันว่าต้นทุนของเรดาร์ TOF จะถูกบีบอัดต่อไปและไม่เป็นไปไม่ได้ที่จะลดลงสู่ระดับที่ใกล้เคียงกับเรดาร์สามเหลี่ยม
สี่สถานการณ์การใช้งาน
ฉากของเรดาร์สามเหลี่ยมส่วนใหญ่จะใช้ในการใช้งานระยะสั้นในร่มและฉากที่พบมากที่สุดคือหุ่นยนต์กวาด ในฉากที่มีระยะการตรวจจับขนาดใหญ่ (เช่นห้างสรรพสินค้าสนามบินหรือสถานี) รวมถึงฉากกลางแจ้ง TOF ถูกใช้กันอย่างแพร่หลาย นอกจากนี้ยังควรค่าแก่การกล่าวถึงว่าเรดาร์เดลต้าซึ่งสัมผัสและหมุนได้ทำให้ผลิตภัณฑ์มีความเปราะบางมากในแง่ของการกันฝุ่นและน้ำ ในการใช้งานพิเศษบางอย่างเช่นการประชุมเชิงปฏิบัติการที่รถ AVG ทำงานมักจะมีฝุ่นมาก ในสภาพแวดล้อมมอเตอร์ของเรดาร์สามเหลี่ยมนั้นเสียหายได้ง่ายมาก ในทางตรงกันข้ามการออกแบบกึ่งทึบที่นำมาใช้โดยเรดาร์ TOF สามารถให้การปกป้องที่ดีขึ้นและอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น
รูปที่ 5. ลิดาร์ TOF สตาร์ - วินาที
ปัจจุบันเรดาร์ TOF ในประเทศกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว เครื่องสแกนเลเซอร์นิรภัย 2 มิติที่เปิดตัวโดย cyndar สามารถเข้าถึงระยะการวัดได้ 20 เมตรอัตราคลาวด์จุด 100kHz ความละเอียดเชิงมุมสูงสุด 0.036 °และระดับการป้องกัน IP65 แอปพลิเคชันนี้เกี่ยวข้องกับการขับขี่ไร้คนขับหุ่นยนต์ AGV การรักษาความปลอดภัยการบริหารถนนและสาขาอื่น ๆ อีกมากมายเป็นตัวแทนที่ยอดเยี่ยมของเรดาร์ TOF ของ China'
