장점과 단점은 무엇입니까? 삼각 측량 및 TOF 라이더 분석!
많은 스마트 기기의 핵심 센서로 라이다가 널리 사용되고 있습니다. 오늘날 우리는 무인 차량, 서비스 로봇, AGV 지게차, 지능형 도로 관리 및 운송, 자동화 된 생산 라인에서 라이더를 자주 볼 수 있습니다.
시장에 나와있는 주류 라이더 제품에 관한 한 환경 탐지 및지도 구축에 사용되는 레이더는 기술 경로에 따라 크게 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 하나는 TOF (Time of Flight) 레이더이고 다른 하나는 삼각 거리 레이더입니다. 많은 사람들이이 두 용어에 익숙하다고 생각하지만,이 두 가지 솔루션이 원리, 성능, 비용 및 적용 측면에서 더 좋은지 더 나쁜지 그리고 그 뒤에있는 이유를 말하고 싶다면 모두가 더 많거나 적게. 의심 스럽다. 오늘 편집자는 몇 가지 제안을하고 이러한 문제를 분석합니다.
1. 원리
삼각 측량 방법의 원리는 아래 그림과 같습니다. 레이저는 레이저 광을 방출합니다. 물체를 조사한 후 반사 된 빛은 선형 CCD에 의해 수신됩니다. 레이저와 검출기가 일정한 거리를두고 떨어져 있기 때문에 광학 경로에 따라 서로 다른 거리에있는 물체가 CCD에 이미징됩니다. 다른 위치. 삼각법에 따라 계산하면 측정 대상의 거리를 도출 할 수 있습니다.
원칙을보세요.'가 아주 간단하다고 생각하세요?
그림 1. 삼각 측량 범위의 원리
그러나 TOF의 원리는 더 간단합니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 레이저는 레이저 펄스를 방출하고 방출 시간은 타이머에 의해 기록되고 반사광은 수신기에 수신되고 반환 시간은 타이머에 기록됩니다. 두 시간을 빼서" 시간" 빛의 속도와 빛의 속도가 일정하므로 속도와 시간을 알고 나면 거리를 쉽게 계산할 수 있습니다.
그림 2. TOF 범위 지정 원리
모든 것이 기억하는 것만 큼 간단하다면 세상이 멋질 것이라는 것은 유감입니다. 이 두 가지 계획은 특정 구현에서 자체적 인 문제를 가지고 있지만 비교하면 TOF는 분명히 극복해야 할 더 많은 어려움이 있습니다.
TOF 레이더 구현의 주요 어려움은 다음과 같습니다.
첫 번째는 타이밍 문제입니다. TOF 방식에서 거리 측정은 시간 측정에 따라 다릅니다. 그러나 빛의 속도가 너무 빠르기 때문에 정확한 거리를 얻기 위해 타이밍 시스템에 대한 요구 사항이 매우 높아집니다. 한 가지 데이터는 라이더가 1cm의 거리를 측정해야하고 해당 시간 범위는 약 65ps라는 것입니다. 전기적 특성에 약간 익숙한 학생들은 이것이 회로 시스템에서 무엇을 의미하는지 알아야합니다.
두 번째는 펄스 신호 처리입니다. 두 부분이 있습니다.
하나는 레이저입니다. 델타 레이더에는 레이저 구동이 거의 필요하지 않습니다. 측정은 레이저 에코의 위치에 따라 다르기 때문에 하나의 연속 빛만 방출하면됩니다. 그러나 TOF는 작동하지 않습니다. 펄스 레이저가 필요할뿐만 아니라 품질도 나쁘지 않습니다. 현재 TOF 레이더의 나가는 빛의 펄스 폭은 약 수 나노초이며 상승 에지는 가능한 한 빨라야합니다. 따라서 각 제품의 레이저 구동 방식에는 고점과 저점도 있습니다.
다른 하나는 수신자입니다. 일반적으로 에코 시간 식별은 실제로 상승 에지의 시간 식별입니다. 따라서 에코 신호를 처리 할 때 신호가 최대한 왜곡되지 않도록해야합니다. 또한 신호가 왜곡되지 않더라도 에코 신호는 이상적인 구형파가 될 수 없기 때문에 같은 거리에있는 다른 물체를 측정하면 전면 가장자리도 변경됩니다. 예를 들어, 같은 위치에서 흰 종이와 검은 종이를 측정하면 아래 그림과 같이 두 개의 에코 신호를 얻을 수 있으며 시간 측정 시스템은 두 개의 앞쪽 가장자리가 동시에 있는지 측정해야합니다 (거리가 같은 거리), 특별한 치료가 필요합니다.
그림 3. 반사율이 다른 에코 신호의 차이
또한 수신단은 신호 포화 및 노이즈 플로어 처리와 같은 문제에 직면 해있어 어렵다고 할 수 있습니다.
둘째, 성능 PK, 이유를 아는 이유를 아는가?
실제로 다운 스트림 사용자의 관점에서 볼 때' 구현이 쉬운 지 어려운지 상관하지 않습니다. 사용자는 성능과 가격이라는 두 가지 요소에 대해서만 신경을 씁니다. 먼저 성능에 대해 이야기하겠습니다. 이 산업을 아는 대부분의 사람들이 TOF 레이더가 성능면에서 삼각형 레이더보다 낫다는 것을 알고 있다면. 그러나 구체적인 측면과 그 이유는 무엇입니까?
거리 측정
원칙적으로 TOF 레이더는 더 먼 거리를 측정 할 수 있습니다. 실제로, 무인 자동차 애플리케이션과 같이 거리 측정이 필요한 일부 경우에는 거의 모든 TOF 레이더가 사용됩니다. 삼각 측량 레이더가 멀리 측정 할 수없는 데에는 몇 가지 이유가 있습니다. 첫째, 원칙적으로 제한됩니다. 사실 그림 1을주의 깊게 관찰하는 것은 어렵지 않습니다. 삼각 측량 레이더로 측정 한 물체가 멀수록 CCD의 위치 차이는 작아집니다. 일정 거리를 초과하면 CCD는 거의 구별 할 수 없습니다. 두 번째는 삼각형 레이더가 TOF 레이더처럼 더 높은 신호 대 잡음비를 얻을 수 없다는 것입니다. TOF는 펄스 레이저 샘플링을 사용하며 주변 광의 영향을 줄이기 위해 시야를 엄격하게 제어 할 수 있습니다. 장거리 측정을위한 전제 조건입니다.
물론 거리는 절대적인 품질을 의미하는 것이 아니라 특정 사용 시나리오에 따라 다릅니다.
샘플링 속도
Lidar가 환경을 묘사 할 때 포인트 클라우드 이미지를 출력합니다. 초당 완료 할 수있는 포인트 클라우드 측정의 수는 샘플링 속도입니다. 고정 속도의 경우 샘플링 속도는 각 이미지 프레임의 포인트 클라우드 수와 포인트 클라우드의 각도 해상도를 결정합니다. 각도 해상도가 높고 포인트 클라우드 수가 많을수록 이미지가 주변 환경을 더 자세하게 묘사합니다.
시장에 나와있는 제품에 관한 한 삼각 측량 레이더의 샘플링 속도는 일반적으로 20k 미만인 반면 TOF 레이더는 더 높은 수준을 달성 할 수 있습니다 (예를 들어 스타 초 TOF 레이더 PAVO는 최대 100k의 샘플링 속도에 도달 할 수 있습니다. ). 그 이유는 TOF는 측정을 완료하는 데 하나의 광 펄스 만 필요하고 실시간 분석도 신속하게 응답 할 수 있기 때문입니다. 하지만 세
에
각도 레이더에 필요한 계산 프로세스가 더 깁니다.
그림 4. 동일한 위치에있는 물체에 대한 다양한 샘플링 속도의 이미징 효과
(A) : 낮은 샘플링 속도 포인트 클라우드 패턴; (B) : 높은 샘플링 속도 포인트 클라우드 패턴 (PAVO)
정도
Lidar는 본질적으로 거리 측정 장치이므로 거리 측정 정확도는 의심 할 여지없이 핵심 지표입니다. 이 시점에서 삼각법의 정확도는 가까운 거리에서 매우 높지만 거리가 멀어 질수록 측정 정확도가 점점 더 나빠집니다. 삼각법의 측정은 각도와 관련이 있고 거리가 증가하면 각도 차이가 점점 작아지기 때문입니다. 따라서 삼각형 레이더는 일반적으로 정확도를 표시 할 때 백분율 표시 (예 : 1 %)를 사용하며 20m 거리에서 최대 오차는 20cm입니다. TOF 레이더는 비행 시간에 의존하며 시간 측정 정확도는 길이 증가에 따라 크게 변하지 않습니다. 따라서 대부분의 TOF 레이더는 수십 미터의 측정 범위 내에서 몇 센티미터의 정확도를 유지할 수 있습니다.
속도 (프레임 속도)
기계식 레이더에서 이미지 프레임 속도는 모터의 속도에 의해 결정됩니다. 현재 시장에 나와있는 2 차원 라이더에 관한 한 삼각 레이더의 최대 속도는 일반적으로 20Hz 미만이며 TOF 레이더는 약 30Hz-50Hz를 달성 할 수 있습니다. 일반적으로 삼각 레이더는 상하 분할 체 구조를 채택하는데, 즉 상부는 레이저 방출, 수신 및 수집을 담당하고 하부는 모터 구동 및 전원 공급을 담당한다. 지나치게 무거운 모션 구성 요소는 더 높은 속도를 제한합니다. TOF 레이더는 일반적으로 통합 반고체 구조를 채택하고 모터는 미러를 구동하기 만하면되므로 모터의 전력 소비가 적고 지원할 수있는 속도도 더 높습니다.
물론 여기에 언급 된 속도의 차이는 기존 제품에 대한 객관적인 분석 일뿐입니다. 사실 TOF 나 삼각 측량 방식을 채택한 레이더와 속도 사이에는 필수적인 연결이 없습니다. 주류 다중 라인 TOF 레이더는 또한 상부 및 하부 분할 구조를 채택합니다. 결국, 동축 구조의 광학 설계는 많은 제한을받습니다. 다중 라인 TOF 레이더의 속도는 일반적으로 20Hz 미만입니다.
그러나 빠른 속도 (또는 높은 프레임 속도)는 포인트 클라우드 이미징에 의미가 있습니다. 높은 프레임 속도는 고속도로에서 운전하는 차량과 같이 고속으로 움직이는 물체를 캡처하는 데 더 도움이됩니다. 또한지도 자체를 구축 할 때 움직이는 레이더지도가 왜곡됩니다 (예 : 고정 레이더가 원을 원으로 스캔 한 다음 레이더가 직선으로 이동하면 스캔 한 이미지가 타원이됩니다). 분명히 고속은 이러한 종류의 왜곡의 영향을 더 잘 줄일 수 있습니다.
3. 비용
성능 비교 만 보면 TOF 레이더의 성능이 삼각 레이더를 완전히 압도하는 것 같습니다. 그러나 제품 경쟁은 단순히 성능 매개 변수의 경쟁이 아니며 사용자는 가격, 안정성 및 서비스에도 관심이 있습니다.
적어도 비용면에서 삼각형 레이더의 현재 비용은 TOF 레이더보다 낮고 단거리 삼각형 레이더의 비용은 이미 100 위안 수준입니다. 현재 수입 TOF 레이더 가격은 1 만 위안 이상이다. 높은 가격은 TOF 라이더 애플리케이션의 추가 확장을 제한하는 중요한 요소라고 할 수 있습니다.
그러나 최근 몇 년 동안 국내 TOF 레이더 제조업체의 부상으로 TOF 레이더 비용이 크게 감소했습니다. 수입 브랜드에 비해 국내 TOF 레이더 제품의 가격은 상당히 경쟁력이 있습니다. 앞으로 생산 기술의 향상과 출하량의 추가 증가로 TOF 레이더의 비용이 더욱 압축 될 것으로 믿어지며 삼각 레이더와 비슷한 수준으로 하락하는 것은 불가능하지 않습니다.
네, 애플리케이션 시나리오
삼각 레이더의 장면은 주로 실내 근거리 애플리케이션에 사용되며 가장 일반적인 장면은 스위핑 로봇입니다. 감지 범위가 넓은 장면 (예 : 쇼핑몰, 공항 또는 역)과 야외 장면에서는 TOF가 더 널리 사용됩니다. 또한 노출 및 회전하는 델타 레이더는 먼지와 방수 측면에서 제품을 매우 취약하게 만든다는 점도 언급 할 가치가 있습니다. AVG 자동차가 작동하는 작업장과 같은 일부 특수 응용 프로그램에는 종종 많은 먼지가 있습니다. 환경에서 삼각 레이더의 모터는 손상되기 매우 쉽습니다. 반대로 TOF 레이더가 채택한 반고체 설계는 더 나은 보호와 더 긴 작업 수명을 제공 할 수 있습니다.
그림 5. 스타 초 TOF 라이더
현재 국내 TOF 레이더는 빠르게 발전하고 있습니다. cyndar가 출시 한 2D 안전 레이저 스캐너는 측정 거리 20m, 포인트 클라우드 속도 100kHz, 최대 각도 해상도 0.036 ° 및 IP65 보호 수준에 도달 할 수 있습니다. 그 응용 프로그램은 무인 운전, 로봇 공학, AGV, 보안, 도로 관리 및 기타 많은 분야가 중국'의 TOF 레이더의 훌륭한 대표자입니다.
