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激光雷达分类及原理简介
常用激光雷达介绍
激光雷达数据特点
常用的激光雷达数据处理方法
激光雷达是一种通过发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统——激光波段位于0.5μm-10μm,以光电探测器为接收器件,以光学望远镜为天线。激光雷达因为激光波长短,准直性高,使得激光雷达性能优异:角分辨率和距离分辨率高、抗干扰能力强、能获得目标多种图像信息(深度、反射率等)、体积小、质量轻。
激光雷达主要基于905nm和1550nm波长进行发展研究的,其广泛应用于测绘、智能驾驶、机器人、安防等领域。目前,市面上的车载激光雷达以机械扫描式为主,其性能较为成熟,用的最多。
按结构分类:机械式、混合固态MEMS、固态OPA/FLASH;
(1)机械扫描式;
机械旋转式激光雷达是发展比较早的激光雷达,目前技术比较成熟,但机械旋转式激光雷达系统结构十分复杂,且各核心组件价格也都颇为昂贵,其中主要包括激光器、扫描器、光学组件、光电探测器、接收IC以及位置和导航器件等。由于硬件成本高,导致量产困难,且稳定性也有待提升。
机械扫描式雷达是通过多束激光竖列而排,绕轴进行360°旋转,每一束激光扫描一个平面,纵向叠加后呈现出三维立体图形。多线束激光雷达可分为16线、32线、64线、128线,线束越高,可扫描的平面越多,获取目标的信息也就越详细。
(2)混合固态;
混合固态激光雷达工作时,单从外观上是看不到旋转的,其将机械旋转部件做得更加小巧并深深地隐藏在外壳之中。混合固态激光雷达用半导体“微动”器件(如MEMS扫描镜)来代替宏观机械式扫描器,在微观尺度上实现雷达发射端的激光扫描方式。MEMS扫描镜是一种硅基半导体元器件,属于固态电子元件;但是MEMS扫描镜并不“安分”,内部集成了“可动”的微型镜面;由此可见MEMS扫描镜兼具“固态”和“运动”两种属性,故称为“混合固态”。
(3)固态OPA/FLASH;
相比于机械式激光雷达,固态激光雷达结构上最大的特点就是没有了旋转部件,个头相对较小。固态激光雷达采用相控阵原理,有许多个固定的细小光束组层,通过每个阵元点产生光束的相位与幅度,以此强化光束在指定方向上的强度,并压抑其他方向的强度,从而实现让光束的方向发生改变。
固态激光雷达的优点包括了:数据采集速度快,分辨率高,对于温度和振动的适应性强;通过波束控制,探测点(点云)可以任意分布,例如在高速公路主要扫描前方远处,对于侧面稀疏扫描但并不完全忽略,在十字路口加强侧面扫描。而只能匀速旋转的机械式激光雷达是无法执行这种精细操作的。
从使用的技术上,固态激光雷达分为OPA固态激光雷达和Flash固态激光雷达。
OPA(optical phased array)光学相控阵技术运用相干原理(类似的是两圈水波相互叠加后,有的方向会相互抵消,有的会相互增强),采用多个光源组成阵列,通过控制各光源发光时间差,合成具有特定方向的主光束。然后再加以控制,主光束便可以实现对不同方向的扫描。
因为没有任何机械结构,自然也没有旋转。所以相比传统机械式雷达,OPA固态激光雷达有扫描速度快、精度高、可控性好、体积小等优点。但也易形成旁瓣,影响光束作用距离和角分辨率,同时生产难度高。
Flash激光雷达的原理是快闪,不像MEMS或OPA的方案会去进行扫描,而是短时间直接发射出一大片覆盖探测区域的激光,再以高度灵敏的接收器,来完成对环境周围图像的绘制。因此,Flash固态激光雷达属于非扫描式雷达,发射面阵光,是以2维或3维图像为重点输出内容的激光雷达。某种意义上,它有些类似于黑夜中的照相机,光源由自己主动发出。
Flash固态雷达能快速记录整个场景,避免了扫描过程中目标或激光雷达移动带来的各种麻烦。不过,这种方式也有自己的缺陷,比如探测距离较近。
参考资料:
https://blog.csdn.net/SLAMTEC/article/details/82841699
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1654067814543285576&wfr=spider&for=pc
现在市面上的各类激光雷达产品丰富,可供选择的雷达种类也较多。随着国产激光雷达的快速发展,雷达的价格尤其是多线雷达相比较以往有了较大幅度的降低。在移动机器人或者无人驾驶领域,常用的雷达分为单线雷达和多线雷达,单线激光雷达主要用于室内导航定位或避障,多线激光雷达室内外均可使用。目前,在移动机器人及相关领域,国内外常见的激光雷达厂商分布如下:
厂商 | 应用领域 | 主要产品 | 特点 | |||||
智能驾驶 | 机器人 | 无人机 | 测绘 | |||||
国 内 |
镭神智能 | 是 | 是 | 是 | 是 | 单线:N301,LS01/02/03; 混合固态:CH 16/32/128; 机械:CX 16/32/48; 固态MEMS: LS21A/B,20D/E; 测绘:MS01/02,MS-CH; |
产品种类丰富,覆盖领域广泛,性价比高,售后完善; | |
速腾聚创 | 是 | 是 | - | - | RS-LIDAR-16/32; RS-Ruby;RS-M1等; | 多线雷达,性能稳定; | ||
禾赛科技 | 是 | 是 | 是 | - | Pandar系列; | - | ||
北科天绘 | - | - | 是 | 是 | R-fans-16/32 C-fans-32/128;等 | - | ||
北醒光子 | 是 | 是 | 是 | - | CE30 避障系列; Horn-X2; | 产品较少,雷达角度有限; | ||
国 外 |
Velodyne | 是 | 是 | - | - | velodyne 16/32/64/128 | 产品性能好,价格高,售后复杂; | |
SICK | 是 | 是 | - | - | sick-LMS111,151, LMS511系列;TIM系列; | 单线雷达,精度高,稳定性好,价格昂贵; | ||
Hokuyo | 是 | 是 | - | - | Hokuyo-UTM系列,UST系列等; | 单线雷达,精度高,性能稳定,价格稍贵; | ||
IBOE | 是 | - | - | - | IBOE-4等 | 主要用于车道线及路沿检测; | ||
Quanergy | 是 | 是 | - | - | Quanergy-M系列,S系列等 | - |
总的来说,国外的激光雷达技术发展早,产品性能尤其是高端产品领域大多都比国内的好,当然价格也更贵。不过,这两年国内激光雷达产业也快速发展,在中低端和部分高端产品方面性能基本不输国外同类产品,而且价格更有优势。国外激光雷达产品在国内的市场基本被国产品牌占据了。
以velodyne16线机械扫描激光雷达为例,其数据结构如下:
多线激光雷达根据线数ID在垂直方向上进行排列, 每条ID在垂直方向上有固定的角度。同时根据电机旋转的速度不同,其在水平方向上同样存在固定的角度间隔。因此,激光雷达的发射点在空间下的排列是固定的,点云数据同样根据这种原理进行数据解析,同时,也可以根据点云数据的三维坐标反算出当前激光点是哪一个ID即线号,以及水平方向上的角度。
要注意的是,不同厂商的不同型号的激光雷达的垂直角度和水平角度分辨率略有区别,在使用时要注意进行相应的参数修改。
通常,多线激光雷达会返回扫描返回点在三维空间坐标系下的位置和该点的返回强度值,即:(x,y,z,intensity),通过对点云数据的处理获取周围的环境信息,如障碍物,可通行区域,行人、车辆等目标,也可对周围环境进行三维重建等。
激光雷达点云数据处理,通常使用PCL点云库进行开发,其拥有完善的基础点云数据处理函数,可供开发者进行二次开发。PCL库对于点云数据处理相当于OpenCV对于图像数据处理,同时开发者也可以使用CLoudcompare上位机软件对点云进行后期处理。
linux下的PCL库安装教程网上很多,可参考如下:
linux下pcl安装
PCL点云库官网:https://pointcloudlibrary.github.io/documentation/
Linux下CloudCompare安装