LiDAR工作原理

 

車載LiDAR，簡(jiǎn)稱光達(dá)，是一種光學(xué)遙感技術(shù)，它通過(guò)向目標(biāo)發(fā)射一束光，通常是一束脈沖激光來(lái)測(cè)量目標(biāo)的距離等參數(shù)，是測(cè)繪行業(yè)目前最先進(jìn)的技術(shù)之一，或許大家曾經(jīng)都在路上遇到過(guò)地圖制作團(tuán)隊(duì)的車輛在大街小巷里穿梭以采集數(shù)據(jù)。

 

 

車載LiDAR作業(yè)示意圖

 

車載LiDAR系統(tǒng)主要由激光掃描儀、POS（定位定向系統(tǒng)，包括GPS和IMU）和測(cè)速計(jì)等組成。其中激光掃描儀采用二維激光掃描，獲取360度內(nèi)掃描到的物體的坐標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)車輛前進(jìn)獲取車輛行駛路線兩側(cè)的三維數(shù)據(jù)。

 

 

車載LiDAR系統(tǒng)配置

 

從測(cè)量的原理來(lái)說(shuō)，車載LiDAR主要采用測(cè)角和測(cè)距兩種方法，前者根據(jù)設(shè)置參數(shù)，借助掃描儀的勻速掃描得到每個(gè)脈沖在掃描儀坐標(biāo)系下的角度，后者則根據(jù)激光脈沖發(fā)射返回時(shí)間差計(jì)算掃描中心到被測(cè)點(diǎn)的距離。通過(guò)角度和距離求得測(cè)區(qū)內(nèi)物體在掃描儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)點(diǎn)；通過(guò)實(shí)時(shí)POS數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到物體的地理坐標(biāo)點(diǎn)。得到的數(shù)據(jù)即稱為“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)，配合數(shù)碼相機(jī)獲取的對(duì)應(yīng)影像數(shù)據(jù)，最后經(jīng)過(guò)后期點(diǎn)云和影像融合便可生成三維街道實(shí)景。同時(shí)采用測(cè)角和測(cè)距兩種方法的優(yōu)點(diǎn)是工作效率得到大幅提升，因?yàn)槿绻麊为?dú)采用測(cè)距的方法，激光需要到達(dá)每一個(gè)未知點(diǎn)。

 

 

車載LiDAR

 

光柵系統(tǒng)在LiDAR上的應(yīng)用

 

光柵在掃描儀上主要應(yīng)用于測(cè)角部分，用以反饋每個(gè)發(fā)出的脈沖在掃描儀坐標(biāo)系下的角度，再與測(cè)距數(shù)據(jù)組合進(jìn)行計(jì)算。 典型掃描儀一般設(shè)計(jì)共有平行和垂直兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，兩軸均采用伺服電機(jī)，分別配置圓光柵系統(tǒng)作位置反饋，激光源通過(guò)兩組以伺服電機(jī)帶動(dòng)且勻速旋轉(zhuǎn)的棱鏡，并以固定的脈沖發(fā)射間隔發(fā)射到被測(cè)物體進(jìn)行掃描，從而收集三維空間數(shù)據(jù)。光柵在整個(gè)系統(tǒng)中的作用可說(shuō)是至關(guān)重要，如果反饋角度數(shù)據(jù)偏差，對(duì)應(yīng)的角度值就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致系統(tǒng)生成扭曲的圖像。目前市場(chǎng)上的車載掃描儀最大測(cè)距范圍可達(dá)道路兩旁1000 m或以上，測(cè)角的分辨率和精度普遍也能達(dá)到0.001度和0.005度，另外測(cè)距精度可達(dá)每100 m誤差僅 10 mm以內(nèi)。”

 

 

掃描儀工作原理

 

零部件微形化

 

車載掃描儀在工作時(shí)被安裝在車頂上，因此無(wú)論是體積或是重量都是使用者在購(gòu)買時(shí)必定會(huì)考慮的因素。目前廠家開發(fā)的激光掃瞄器都是往測(cè)距遠(yuǎn)、精度高、體積小且重量輕的方向發(fā)展。這意味著掃描儀的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及其他零部件的體積和重量都必須緊湊輕巧。 由于掃描儀機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊的原因，產(chǎn)品內(nèi)部基本沒(méi)有多余的空間，故對(duì)零件的體積有嚴(yán)格的要求. 雷尼紹ATOM圓光柵的微型設(shè)計(jì)，微形讀數(shù)頭和分離式玻璃碼盤的設(shè)計(jì)使客戶在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上有更大的自由度. 對(duì)于部份對(duì)精度要求更高的客戶，雷尼紹可提供規(guī)格更高的TONiC系列產(chǎn)品，配置RESM圓光柵。另外，開放式光柵是LiDAR必然的選擇，原因是封閉式光柵體積相對(duì)較大。另一方面，雖然光柵安裝在機(jī)箱內(nèi)，但長(zhǎng)時(shí)間在戶外工作難免受灰塵等污染物的影響。封閉式光柵的抗污能力確實(shí)比開放式光柵優(yōu)異，不過(guò)雷尼紹的開放式光柵在同類型產(chǎn)品中確實(shí)做得十分出眾。

 

雷尼紹ATOM圓光柵系列讀數(shù)頭最小尺寸僅6.8 mm x 20.5 mm x 12.7 mm，與玻璃碼盤搭配使用。ATOM光柵采用獨(dú)有的光學(xué)濾波系統(tǒng)，可提供更好的信號(hào)穩(wěn)定性和純粹度，同時(shí)消除柵尺因安裝在彎曲或高低不平的表面上而出現(xiàn)的波動(dòng)誤差，此外，TONiC也正是采用了這種先進(jìn)的光學(xué)濾波系統(tǒng)。

 

 

雷尼紹ATOM系列圓光柵

 

安裝簡(jiǎn)單便利

 

安裝是否簡(jiǎn)單是用戶在選擇零部件時(shí)普遍會(huì)考慮的因素，對(duì)于如激光掃描儀這類高精密的設(shè)備，情況更是如此。玻璃碼盤的安裝最重要就是確保它與支架軸中心保持同心，在ATOM碼盤的應(yīng)用上，目前部份客戶是通過(guò)顯微鏡以目測(cè)方法觀察和調(diào)整位移減少偏心，調(diào)整后再以金屬蓋把碼盤壓緊并鎖上螺絲, 整個(gè)安裝過(guò)程十分簡(jiǎn)單。另外，ToniC RESM圓光柵的安裝同樣便利，系統(tǒng)也跟其他雷尼紹光柵一樣穩(wěn)定可靠。”

 

以目視進(jìn)行校正雖然簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是較為依賴操作員的經(jīng)驗(yàn)。雷尼紹為用戶提供另一種系統(tǒng)化的安裝方法，使經(jīng)驗(yàn)較少的操作員也能勝任。該方法主要是通過(guò)監(jiān)控DSI雙讀數(shù)頭系統(tǒng)（兩個(gè)讀數(shù)頭安裝角度呈180度）的輸出信號(hào)，然后調(diào)整碼盤減少兩個(gè)讀數(shù)頭的計(jì)數(shù)差，重復(fù)調(diào)整直到將偏心誤差減少到目標(biāo)值。另外，ATOM和TONiC讀數(shù)頭還包含方便其進(jìn)行快速安裝的LED安裝指示燈，以及可實(shí)現(xiàn)快速優(yōu)化的自動(dòng)校準(zhǔn)程序。