Ưu nhược điểm là gì? Phân tích hàm tam giác và TOF!
Là cảm biến cốt lõi của nhiều thiết bị thông minh, lidar đã được sử dụng rộng rãi. Ngày nay, chúng ta có thể thường xuyên nhìn thấy lidar trên các phương tiện không người lái, robot dịch vụ, xe nâng AGV, điều hành và giao thông đường bộ thông minh và các dây chuyền sản xuất tự động, điều này đủ cho thấy vị trí không thể thiếu của nó trong chuỗi công nghiệp trí tuệ nhân tạo.
Liên quan đến các sản phẩm lidar chính thống trên thị trường, các radar được sử dụng để phát hiện môi trường và xây dựng bản đồ có thể được chia thành hai loại theo các tuyến kỹ thuật. Một là radar TOF (Thời gian bay) và radar kia là radar phạm vi tam giác. Tôi tin rằng nhiều người đã quen thuộc với hai thuật ngữ này, nhưng nếu bạn muốn nói liệu hai giải pháp này tốt hơn hay kém hơn về nguyên tắc, hiệu suất, chi phí và ứng dụng, cũng như lý do đằng sau chúng, có lẽ mọi người đều có thêm hoặc ít hơn. Còn nghi ngờ. Hôm nay, tòa soạn sẽ đưa ra một số gợi ý và phân tích những vấn đề này.
1. Nguyên tắc
Nguyên tắc của phương pháp tam giác được thể hiện trong hình dưới đây. Tia laze phát ra ánh sáng laze. Sau khi chiếu xạ vật, ánh sáng phản xạ được CCD tuyến tính nhận. Vì tia laser và máy dò cách nhau một khoảng nhất định nên các vật thể ở các khoảng cách khác nhau sẽ được chụp ảnh trên CCD theo đường quang học. Các địa điểm khác nhau. Tính theo công thức lượng giác ta có thể suy ra quãng đường của vật đo được.
Chỉ cần nhìn vào nguyên tắc, bạn có nghĩ rằng nó khá đơn giản'
Hình 1. Nguyên lý của phạm vi tam giác
Tuy nhiên, nguyên tắc của TOF đơn giản hơn. Như trong hình 2, tia laser phát ra một xung laser, và thời gian phát xạ được ghi lại bởi bộ định thời, ánh sáng trở lại được bộ thu nhận và thời gian trở lại được bộ định thời ghi lại. Hai thời gian được trừ đi để có được" thời gian bay" của ánh sáng, và tốc độ ánh sáng là không đổi, vì vậy có thể dễ dàng tính được khoảng cách sau khi biết tốc độ và thời gian.
Hình 2. Nguyên tắc phạm vi TOF
Thật tiếc nếu mọi thứ chỉ đơn giản như nhớ lại thì thế giới sẽ thật tuyệt vời. Hai chương trình này sẽ có những thách thức riêng trong quá trình triển khai cụ thể, nhưng nếu so sánh, TOF rõ ràng có nhiều khó khăn hơn cần vượt qua.
Những khó khăn chính trong việc hiện thực hóa radar TOF là:
Đầu tiên là vấn đề thời gian. Trong lược đồ TOF, phép đo khoảng cách phụ thuộc vào phép đo thời gian. Nhưng tốc độ ánh sáng quá nhanh, vì vậy để có được một khoảng cách chính xác, yêu cầu đối với hệ thống thời gian trở nên rất cao. Một dữ liệu là lidar cần đo khoảng cách 1cm, và khoảng thời gian tương ứng là khoảng 65 giây. Học sinh quen thuộc một chút với các đặc tính điện nên biết điều này có ý nghĩa gì đằng sau hệ thống mạch điện.
Thứ hai là xử lý tín hiệu xung. Có hai phần:
Một là laser: Trong radar delta, hầu như không có yêu cầu về điều khiển laser. Bởi vì phép đo phụ thuộc vào vị trí của tiếng vang laser, chỉ cần một ánh sáng liên tục để phát ra. Nhưng TOF không hoạt động. Nó không chỉ yêu cầu laser xung mà chất lượng cũng không quá tệ. Hiện tại, độ rộng xung của ánh sáng đi ra của radar TOF là khoảng vài nano giây và cạnh tăng được yêu cầu càng nhanh càng tốt. Do đó, sơ đồ dẫn động laser của mỗi sản phẩm cũng có điểm cao và điểm thấp.
Người còn lại là người nhận. Nói chung, xác định thời gian dội âm thực sự là xác định thời gian của cạnh tăng. Do đó, khi xử lý tín hiệu dội lại, cần đảm bảo tín hiệu không bị méo càng nhiều càng tốt. Ngoài ra, ngay cả khi tín hiệu không bị méo, vì tín hiệu dội âm không thể là sóng vuông lý tưởng, nên việc đo các đối tượng khác nhau ở cùng khoảng cách cũng sẽ làm cho cạnh trước thay đổi. Ví dụ: phép đo giấy trắng và giấy đen ở cùng một vị trí có thể thu được hai tín hiệu dội âm như trong hình dưới đây và hệ thống đo thời gian phải đo rằng hai cạnh trước ở cùng một thời điểm (vì khoảng cách là cùng khoảng cách), yêu cầu điều trị đặc biệt.
Hình 3. Sự khác biệt của tín hiệu tiếng vang với hệ số phản xạ khác nhau
Ngoài ra, đầu thu cũng gặp phải các vấn đề như độ bão hòa tín hiệu và xử lý tầng nhiễu, có thể nói là khó khăn.
Thứ hai, hiệu suất PK, biết lý do, biết tại sao?
Phải nói rằng, trên thực tế, từ quan điểm của người dùng phía dưới, bạn không cần quan tâm việc thực hiện dễ hay khó. Người dùng không quan tâm gì hơn ngoài hai điểm: hiệu suất và giá cả. Hãy để tôi nói về hiệu suất đầu tiên. Nếu hầu hết những người am hiểu ngành này đều biết rằng radar TOF tốt hơn radar tam giác về hiệu suất. Nhưng những khía cạnh cụ thể và lý do đằng sau nó là gì?
Đo khoảng cách
Về nguyên tắc, radar TOF có thể đo khoảng cách xa hơn. Trên thực tế, trong một số trường hợp cần đo khoảng cách, chẳng hạn như các ứng dụng xe không người lái, hầu như tất cả các radar TOF. Có một số lý do khiến radar tam giác không thể đo xa. Đầu tiên, nó bị giới hạn về nguyên tắc. Trên thực tế, không khó để quan sát kỹ Hình 1. Đối tượng được đo bởi radar tam giác càng xa, chênh lệch vị trí trên CCD càng nhỏ. Sau khi vượt quá một khoảng cách nhất định, CCD khó có thể phân biệt được. Thứ hai là radar tam giác không thể thu được tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao hơn như radar TOF. TOF sử dụng lấy mẫu laser xung và có thể kiểm soát chặt chẽ trường nhìn để giảm tác động của ánh sáng xung quanh. Đây là những điều kiện tiên quyết để đo đường dài.
Tất nhiên, khoảng cách không có nghĩa là chất lượng tuyệt đối, nó phụ thuộc vào các trường hợp sử dụng cụ thể.
Tỷ lệ lấy mẫu
Khi Lidar mô tả môi trường, nó sẽ xuất ra hình ảnh đám mây điểm. Số lượng phép đo đám mây điểm có thể hoàn thành mỗi giây là tốc độ lấy mẫu. Trong trường hợp tốc độ cố định, tốc độ lấy mẫu xác định số lượng các đám mây điểm trong mỗi khung ảnh và độ phân giải góc của các đám mây điểm. Độ phân giải góc càng cao và số lượng đám mây điểm càng lớn thì hình ảnh mô tả môi trường xung quanh càng chi tiết.
Theo như các sản phẩm trên thị trường có liên quan, tốc độ lấy mẫu của radar tam giác nói chung là dưới 20k, trong khi radar TOF có thể đạt được cao hơn (ví dụ, radar TOF-giây-sao PAVO có thể đạt tốc độ lấy mẫu lên đến 100k ). Lý do là TOF chỉ cần một xung ánh sáng để hoàn thành một phép đo và phân tích thời gian thực cũng có thể phản hồi nhanh chóng. Nhưng ba
Đến
Quá trình tính toán cần thiết cho radar góc dài hơn.
Hình 4. Hiệu ứng hình ảnh của các tốc độ lấy mẫu khác nhau đối với các đối tượng tại cùng một vị trí
(A): Mẫu đám mây điểm tốc độ lấy mẫu thấp; (B): Mẫu đám mây điểm tốc độ lấy mẫu cao (PAVO)
Độ chính xác
Lidar về bản chất là một thiết bị đo khoảng cách, do đó, độ chính xác của phép đo khoảng cách chắc chắn là chỉ số cốt lõi. Tại thời điểm này, độ chính xác của lượng giác là rất cao ở khoảng cách gần, nhưng khi khoảng cách càng ngày càng xa thì độ chính xác của phép đo sẽ ngày càng kém đi. Điều này là do phép đo lượng giác liên quan đến góc, và với khoảng cách Tăng, sự chênh lệch góc sẽ ngày càng nhỏ hơn. Do đó, radar tam giác thường sử dụng đánh dấu phần trăm khi đánh dấu độ chính xác (phổ biến như 1%), khi đó sai số tối đa ở khoảng cách 20m là 20cm. Radar TOF phụ thuộc vào thời gian bay, và độ chính xác của phép đo thời gian không thay đổi đáng kể khi chiều dài tăng lên. Do đó, hầu hết các radar TOF có thể duy trì độ chính xác vài cm trong phạm vi đo hàng chục mét.
Tốc độ (tốc độ khung hình)
Trong radar cơ học, tốc độ khung hình ảnh được xác định bởi tốc độ của động cơ. Theo liên quan đến lidar hai chiều hiện nay trên thị trường, tốc độ tối đa của radar tam giác thường dưới 20Hz, trong khi radar TOF có thể đạt được khoảng 30Hz-50Hz. Nói chung, radar tam giác thường sử dụng cấu trúc của phần trên và phần dưới, nghĩa là phần trên chịu trách nhiệm phát, thu và phát tia laser, phần dưới chịu trách nhiệm điều khiển động cơ và cung cấp năng lượng. Các thành phần chuyển động quá nặng sẽ hạn chế tốc độ cao hơn. Radar TOF thường sử dụng cấu trúc bán rắn tích hợp và động cơ chỉ cần dẫn động gương, do đó công suất tiêu thụ của động cơ nhỏ và tốc độ có thể được hỗ trợ cũng cao hơn.
Tất nhiên, sự khác biệt về tốc độ được đề cập ở đây chỉ là một phân tích khách quan của các sản phẩm hiện có. Trên thực tế, không có mối liên hệ thiết yếu nào giữa tốc độ và radar sử dụng TOF hoặc phương pháp tam giác. Radar TOF đa dòng chủ đạo cũng sử dụng cấu trúc phân chia trên và dưới. Rốt cuộc, thiết kế quang học của cấu trúc đồng trục phải chịu nhiều hạn chế. Tốc độ của radar TOF đa dòng thường dưới 20 Hz.
Tuy nhiên, tốc độ cao (hoặc tốc độ khung hình cao) có ý nghĩa đối với hình ảnh đám mây điểm. Tốc độ khung hình cao sẽ có lợi hơn khi chụp các đối tượng chuyển động tốc độ cao, chẳng hạn như xe đang chạy trên đường cao tốc. Ngoài ra, khi tự xây dựng bản đồ, bản đồ radar chuyển động sẽ bị bóp méo (ví dụ, nếu radar đứng yên quét một đường tròn là hình tròn, thì khi radar di chuyển theo đường thẳng, hình ảnh được quét sẽ trở thành hình elip). Rõ ràng, tốc độ cao có thể làm giảm ảnh hưởng của loại biến dạng này tốt hơn.
3. Chi phí
Nếu chỉ nhìn vào bảng so sánh hiệu suất, có vẻ như hiệu suất của radar TOF hoàn toàn áp đảo radar tam giác. Tuy nhiên, cạnh tranh về sản phẩm không chỉ là cạnh tranh về thông số hiệu năng, người dùng còn quan tâm đến giá cả, độ ổn định và dịch vụ.
Ít nhất về mặt chi phí, giá thành hiện tại của radar tam giác thấp hơn so với radar TOF, và giá thành của radar tam giác tầm ngắn đã ở mức 100 nhân dân tệ. Hiện tại, giá của radar TOF nhập khẩu là hơn 10.000 nhân dân tệ. Có thể nói, giá cao là một yếu tố quan trọng hạn chế sự mở rộng hơn nữa của các ứng dụng lidar TOF.
Tuy nhiên, với sự gia tăng của các nhà sản xuất radar TOF trong nước trong những năm gần đây, giá thành của radar TOF đã giảm đi rất nhiều. So với các thương hiệu nhập khẩu, giá của các sản phẩm radar TOF trong nước trở nên khá cạnh tranh. Trong tương lai, với sự cải tiến của công nghệ sản xuất và sự gia tăng hơn nữa các lô hàng, người ta tin rằng giá thành của radar TOF sẽ bị nén hơn nữa, và không thể giảm xuống mức tương tự như radar tam giác.
Bốn, các tình huống ứng dụng
Cảnh của radar tam giác chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng khoảng cách ngắn trong nhà, và cảnh điển hình nhất là robot quét. Trong các cảnh có phạm vi phát hiện lớn (chẳng hạn như trung tâm mua sắm, sân bay hoặc nhà ga), cũng như cảnh ngoài trời, TOF được sử dụng rộng rãi hơn. Ngoài ra, điều đáng nói là radar delta lộ thiên và quay nên sản phẩm của hãng rất mỏng manh về khả năng chống bụi và chống nước. Trong một số ứng dụng đặc biệt, chẳng hạn như nhà xưởng nơi xe AVG làm việc, thường có rất nhiều bụi. Trong môi trường, động cơ của radar tam giác rất dễ bị hỏng. Ngược lại, thiết kế bán rắn được sử dụng bởi radar TOF có thể bảo vệ tốt hơn và tuổi thọ hoạt động lâu hơn.
Hình 5. Nắp TOF giây sao
Hiện nay, radar TOF trong nước đang phát triển nhanh chóng. Máy quét laser an toàn 2D do cyndar khởi chạy có thể đạt khoảng cách đo 20m, tốc độ đám mây điểm 100kHz, độ phân giải góc tối đa 0,036 ° và cấp độ bảo vệ IP65. Ứng dụng của nó đã bao gồm Lái xe không người lái, người máy, AGV, an ninh, quản lý đường bộ và nhiều lĩnh vực khác là những đại diện xuất sắc của radar TOF' của Trung Quốc.
