La definición más antigua de lidar es LIDAR, el inglés es Light DeteaTIon and Ranging, chino significa&", detección de luz y rango GG".
De hecho, una definición más precisa es LADAR: LAser DetecTIon and Ranging, es decir,&", detección de láser y rango GG". Esta es una definición propuesta en 2004, que está más en línea con el concepto de lidar.
Lidar es en realidad un tipo de radar que funciona en la banda óptica (banda especial), y sus ventajas son muy obvias:
1. Resolución extremadamente alta: Lidar funciona en la banda óptica, y la frecuencia es de 2 a 3 órdenes de magnitud más alta que la de microondas. Por lo tanto, en comparación con el radar de microondas, lidar tiene una resolución de rango extremadamente alta, resolución angular y resolución de velocidad
2. Fuerte capacidad antiinterferente: la longitud de onda del láser es corta, puede emitir un rayo láser con un ángulo de divergencia muy pequeño (del orden de μrad), el efecto de trayectoria múltiple es pequeño (no formará emisión direccional y generará efectos multitrayecto con microondas u ondas milimétricas), objetivos detectables de baja altitud / ultra baja altitud;
3. La cantidad de información obtenida es rica: la distancia, el ángulo, la intensidad de reflexión, la velocidad y otra información del objetivo se pueden obtener directamente para generar la imagen multidimensional del objetivo;
4. Puede funcionar todo el día: la detección activa por láser no depende de las condiciones de iluminación externa ni de las características de radiación del objetivo en sí. Solo necesita emitir su propio rayo láser y obtener información del objetivo mediante la detección de la señal de eco del rayo láser emitido.
Pero la mayor desventaja de lidar es que se ve fácilmente afectado por las condiciones atmosféricas y el humo del ambiente de trabajo. Es muy difícil lograr un ambiente de trabajo para todo clima.
Clasificación Lidar
Si la clasificación de lidar se divide en sistemas, existen principalmente lidar de detección directa y lidar de detección coherente. De hecho, lo que hemos mencionado en la actualidad, incluida la conducción automática, los robots y el LIDAR utilizados para topografía y mapeo, básicamente pertenecen a este tipo de LIDAR de detección directa. Algunos radares especiales, como la medición del viento y la velocidad, generalmente usan un sistema coherente. Si la clasificación de lidar se divide en sistemas, existen principalmente lidar de detección directa y lidar de detección coherente. De hecho, lo que hemos mencionado en la actualidad, incluida la conducción automática, los robots y el LIDAR utilizados para topografía y mapeo, básicamente pertenecen a este tipo de LIDAR de detección directa. Algunos radares especiales, como la medición del viento y la velocidad, generalmente usan un sistema coherente.
De acuerdo con la clasificación de la aplicación, podemos dividir más, como: telémetro láser, radar láser de imágenes tridimensionales, radar de medición de velocidad láser, radar láser de detección atmosférica, etc.
Ya sea lidar de una sola línea, lidar de varias líneas o lidar topográfico, básicamente podemos dividirlo en la categoría de radar láser de imágenes tridimensionales.
Un radar láser de imagen tridimensional, de hecho, necesita obtener dos datos centrales: información de distancia objetivo e información de ángulo objetivo.
Si determinamos su estándar de sentado tridimensional, necesitamos obtener su información de distancia, acimut y ángulo de inclinación. Luego calculamos el punto de coordenadas tridimensionales del objetivo en función de la información de distancia, ángulo de acimut y ángulo de inclinación.
En términos generales, la técnica de obtener información de ángulo midiendo el codificador es muy madura. Nos preocupa más cómo obtener la información de distancia del lidar.
El radar láser de imágenes tridimensionales puede obtener los datos tridimensionales de la nube de puntos del objetivo a través de la tecnología de medición de ángulo directo y rango directo, y los datos obtenidos son en sí mismos datos tridimensionales. No requiere una gran cantidad de cálculo y procesamiento para generar la imagen tridimensional objetivo, y el alcance del láser tiene una precisión muy alta.
Por lo tanto, el radar láser de imágenes tridimensionales es actualmente el sensor más eficiente que puede obtener imágenes de una amplia gama de escenas tridimensionales, y también es el sensor que actualmente puede obtener la mayor precisión de las escenas tridimensionales.
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Método de rango láser
En la actualidad, los métodos de medición de distancia que generalmente podemos ver se pueden dividir en categorías amplias: método de tiempo de vuelo láser (Tiempo de vuelo, TOF) y método de triangulación.
El método de tiempo de vuelo del láser se puede dividir en dos categorías, una es la modulación de pulso (tecnología de rango de pulso) y la otra es la modulación de fase de la modulación de intensidad de onda continua del láser, que mide la información de distancia a través de la diferencia de fase.
Los telémetros que podemos ver en el mercado, o los lidares de una o varias líneas, básicamente usan estos tres tipos de métodos de rango.
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Tecnología de rango de pulso láser
El principio de la tecnología de medición de pulso láser es muy simple: obtenga la información de distancia del objetivo midiendo el tiempo de vuelo del pulso láser entre el radar y el objetivo. Aquí se usa un punto de referencia, que es la velocidad de la luz. Todas las medidas deben tener un dato. Para un láser, hay dos datos: velocidad y frecuencia (los dos datos más precisos), porque el dato utilizado para TOF es la velocidad de vuelo del láser.
Entre los tres métodos de rango mencionados anteriormente, creo que el problema técnico más difícil es el método de rango de pulso. Pero las ventajas que trae son obvias: la velocidad de medición es muy rápida. Dado que la medición es realizada por un láser con un valor de pico alto, su capacidad antiinterferencia es muy fuerte.
La desventaja es que es difícil mejorar la resolución de alcance y el circuito de detección es difícil. Por ejemplo, si queremos lograr una resolución de 1.5 milímetros para el rango de fase, necesitamos lograr una resolución de reloj de tiempo de 10 picosegundos, que es equivalente a un ancho de banda de 100G. Esta es una técnica muy difícil.
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Rango de fase láser
El rango de fase láser, como el buscador de rango láser de mano común, utiliza el rango de fase. Principalmente obtiene información de distancia midiendo la diferencia de fase generada por la señal de láser de onda continua de intensidad modulada que vuela de un lado a otro entre el radar y el objetivo.
La mayor ventaja de esta tecnología: la resolución del rango es muy alta. En la actualidad, el buscador de rango de fase en el mercado general puede lograr una resolución de nivel milimétrico.
La desventaja es que la velocidad de medición es más lenta que el rango de pulso. Después de todo, necesitamos calibrar una diferencia de fase de al menos decenas o incluso cientos de ciclos. De hecho, es equivalente a alargar su tiempo de medición en fase, luego su velocidad de medición Relativamente baja. Además, su precisión de medición es relativamente susceptible al movimiento de la forma del objetivo. Si en el punto de luz medido, los dos objetivos están en tándem, la información específica que realmente midió es un promedio de la distancia entre los dos objetivos, no la información del objetivo anterior o la siguiente información del objetivo.
Pero en el rango de pulso, es fácil separar dicha información. Por ejemplo, para un pulso láser, si podemos lograr un ancho de pulso de 10 nanosegundos, entonces podemos distinguir un objetivo que está a 30 centímetros de adelante hacia atrás mediante múltiples ecos.
Es difícil distinguir este método en el rango de fase. Porque en el proceso de medición, su tiempo será más largo, y la información de distancia introducida por el movimiento objetivo se introduce en el valor medido. De hecho, mide una información de distancia promedio, no información en tiempo real. Pero el rango del pulso láser es en realidad información en tiempo real sobre la posición actual.
Esta es la razón por la cual el LIDAR para vehículos o robots a menudo usa tecnología de medición de pulso láser en lugar de tecnología de medición de fase.
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Triangulación
La medición de la distancia de triangulación es obtener información de la distancia midiendo la posición de imagen del punto de irradiación láser en la cámara. La mayor ventaja del método de triangulación es que la dificultad técnica es baja, el costo también es muy bajo y la precisión del rango a corta distancia también es muy alta. Por ejemplo, el uso industrial puede lograr una precisión de alcance de 100 micras.
Pero la desventaja es que su precisión se deteriorará gradualmente con el aumento de la distancia, y básicamente no se puede comparar con el rango de pulso y el rango de fase.
Otro punto, debido a que la cámara CMOS debe usar un láser continuo para iluminar sincrónicamente, su potencia promedio es relativamente baja y su capacidad antiinterferente será muy fuerte. Este método de rango es generalmente adecuado para el trabajo en primer plano en interiores, pero no es adecuado para el trabajo bajo fondo de deslumbramiento al aire libre o fondo de deslumbramiento en interiores.
La medición de la distancia de triangulación es más adecuada para escenas con requisitos de bajo rendimiento, como los robots. Además del costo relativamente alto y la dificultad técnica, el rango de pulso tiene un excelente rendimiento en otros aspectos. Por supuesto, su precisión de rango será ligeramente menor que la del rango de fase. Pero este tipo de precisión, de acuerdo con la tecnología actual, básicamente podemos alcanzar la precisión de medición de distancia en el orden de centímetros, o incluso unos pocos milímetros, que básicamente puede cumplir con los requisitos de nuestro uso en muchas ocasiones.
Nuestra dirección principal es utilizar el rango de pulso para hacer un radar de una sola línea, incluido el radar de varias líneas.
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¿Qué es el LIDAR de una sola línea?
El lidar de una sola línea es en realidad un telémetro láser de pulso de alta frecuencia, más un escaneo de rotación unidimensional. Características de lidar de una sola línea:
1. Solo hay una forma de transmitir y una forma de recibir, la estructura es relativamente simple y fácil de usar;
2. Alta velocidad de escaneo y alta resolución angular;
3. Bajo volumen, peso y consumo de energía;
4. Mayor confiabilidad;
5. Bajo costo;
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¿Qué puede hacer LIDAR de una sola línea?
En el campo de la conducción autónoma, básicamente vemos lidar de líneas múltiples, láser de línea única
¿Qué puede hacer el radar?
Como se muestra en la figura anterior, el primer automóvil en participar en el DARPA Autopilot Challenge en los Estados Unidos es el automóvil Stanford 2005 llamado Stanly. Este es el auto que ganó el campeonato ese año. El otro es el automóvil de la Universidad Carnegie Mellon.
En ese momento, básicamente usaban lidar de una sola línea. Especialmente para el auto de competición de la Universidad de Stanford, hay cinco lidares instalados justo arriba, podemos considerarlo como el creador del lidar de varias líneas, pero utiliza cinco lidares de una sola línea para lograr la función de lidar de varias líneas.
Después de que Velodyne lanzó el lidar de 64 líneas en 2007, muchos vehículos autónomos utilizaron básicamente productos Velodyne. Pero, ¿significa esto que el lidar de una sola línea no tiene mercado para la conducción asistida o autónoma? No uso' creo que sí. Debido a que el lidar de una sola línea tiene sus características, por ejemplo, es difícil para el lidar de varias líneas lograr los mismos indicadores técnicos con una alta tasa de repetición y una alta resolución angular. En términos de detección de peatones, detección de obstáculos (detección de objetivos pequeños) y detección de obstáculos frontales, los láseres de una sola línea tienen muchas ventajas sobre los lidares de varias líneas, porque los radares láser de una sola línea pueden tener una resolución angular mayor que los lidales de varias líneas. Esto es muy útil para detectar objetos pequeños o peatones. Esta tecnología es muy útil en robots inteligentes y robots de servicio, y este también es un campo activo.
Muchas personas pueden hacer una pregunta, ¿por qué usar lidar para la detección de carriles en lugar de una cámara? ¿No es' t el algoritmo ADAS muy maduro? ¿Por qué debo usar lidar?
Esto se debe a que la cámara es particularmente susceptible a la interferencia de la luz de fondo o la luz intensa. Por ejemplo, cuando caminamos por una avenida arbolada, si la sombra de los árboles cae en puntos y luego se combina con las líneas blancas de los carriles, es muy difícil reconocer las líneas de los carriles, y la probabilidad de reconocimiento está bajo iluminación compleja o Condiciones de luz fuerte. Su probabilidad de reconocimiento es muy, muy baja, y el algoritmo es muy complicado.
Entonces, ¿cuáles son los beneficios de usar lidar para la detección de carriles? Primero, estamos utilizando láseres infrarrojos, que tienen una radiación mucho menor en la banda infrarroja que la luz visible. En segundo lugar, agregaremos un filtro muy estrecho para filtrar directamente la fuerte luz de fondo. Luego usamos luz infrarroja para detectarlo. De esta manera, podemos obtener una imagen de muy alta calidad de la línea del carril y, a través de la escala de grises de la imagen, es muy fácil detectar la línea del carril. En otras palabras, el uso de lidar para la detección de línea de carril, su rendimiento será mayor que la cámara.
La aplicación de lidar de una sola línea en la conducción asistida es la detección de peatones. De hecho, esta también es una aplicación de prevención de colisión frontal, que es básicamente similar a la prevención de colisión de automóviles. Debido a que la resolución angular del lidar de una sola línea puede ser mayor que la del lidar de varias líneas, los peatones pueden detectarse por adelantado a una distancia mayor, dejando más tiempo de advertencia para el sistema de control o el conductor.
