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解構(gòu)大疆旗下 Livox Mid 激光雷達(dá)非重復(fù)掃描技術(shù)

2019-12-27 20:13:54·  來(lái)源：無(wú)人車(chē)情報(bào)局  
　
如果你聽(tīng)說(shuō)過(guò) Livox LiDAR 的 Mid 系列，相信其非重復(fù)式掃描一定給你留下過(guò)深刻的印象。與傳統(tǒng)激光雷達(dá)線性重復(fù)式的掃描方式不同，Livox 激光雷達(dá)掃描路徑不會(huì)重
如果你聽(tīng)說(shuō)過(guò) Livox LiDAR 的 Mid 系列，相信其非重復(fù)式掃描一定給你留下過(guò)深刻的印象。
 
與傳統(tǒng)激光雷達(dá)線性重復(fù)式的掃描方式不同，Livox 激光雷達(dá)掃描路徑不會(huì)重復(fù)。且視場(chǎng)中，激光照射到的區(qū)域面積會(huì)隨時(shí)間增大，這就意味著視場(chǎng)覆蓋率隨時(shí)間推移而顯著提高。
這樣的好處是可以減小視場(chǎng)內(nèi)物體被漏檢的概率，有助于探測(cè)視場(chǎng)中的更多細(xì)節(jié)。如下圖所示，隨著掃描時(shí)間增加，視場(chǎng)中幾乎所有區(qū)域都會(huì)被 Mid-40 采樣。
0.1s 掃描軌跡
0.2s掃描軌跡疊加
1.獨(dú)特的掃描方式
為什么 Livox Mid 系列會(huì)有如此獨(dú)特的掃描方式呢？
傳統(tǒng)機(jī)械式激光雷達(dá)，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)整個(gè)激光頭做圓周運(yùn)動(dòng)，其掃描方式通常呈360度線式掃描。這種方式帶來(lái)的直接后果是無(wú)論掃描時(shí)間多長(zhǎng)，線與線之間總會(huì)有間隙，存在漏檢物體的可能性。
而更為糟糕的是，占整個(gè)雷達(dá)70%質(zhì)量的重要部件，包括激光發(fā)射、接收等精密的電子器件，都在不停地一邊運(yùn)動(dòng)，一邊工作，這種機(jī)械運(yùn)動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)部件動(dòng)平衡上的誤差帶來(lái)的磨損、振動(dòng)等，大大降低了雷達(dá)的穩(wěn)定性和可靠性。而且多線激光雷達(dá)這種轉(zhuǎn)動(dòng)的工作模式，若采用滑環(huán)設(shè)計(jì)會(huì)容易失效，而無(wú)線供電的方式則不夠穩(wěn)定，很難滿(mǎn)足車(chē)規(guī)級(jí)別的應(yīng)用場(chǎng)景。
傳統(tǒng)機(jī)械激光雷達(dá)的掃描軌跡
一般運(yùn)動(dòng)部件越少，運(yùn)動(dòng)方式越簡(jiǎn)單，則可靠性越高。
Livox 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)理念，一直秉承為合作伙伴提供可量產(chǎn)、穩(wěn)定可靠的車(chē)規(guī)級(jí)雷達(dá)產(chǎn)品為首要目標(biāo)。Livox Mid 系列通過(guò)電磁力驅(qū)動(dòng)光楔運(yùn)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)光路的改變，而所有電子器件并不參與運(yùn)動(dòng)。Mid-40 內(nèi)部運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量?jī)H在一百克以下。
如上圖，當(dāng)光束逆著光軸 Z 射入系統(tǒng)（O點(diǎn)），從棱鏡 П1 出射后，隨著棱鏡的旋轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)矢量 δ1 的起點(diǎn)不變，末端沿著以 δ1 的大小為半徑的圓做圓周運(yùn)動(dòng)。光束繼續(xù)入射棱鏡 П2，偏轉(zhuǎn)矢量 δ2 在 δ1 之上繼續(xù)疊加。
系統(tǒng)總偏轉(zhuǎn)矢量即可以看成 δ1 與 δ2 的矢量和。通過(guò)調(diào)整兩個(gè)光楔的轉(zhuǎn)速，就可以實(shí)現(xiàn)一定時(shí)間內(nèi)的無(wú)重復(fù)的掃描。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化 δ1，δ2 的值，使得 Mid 在視場(chǎng)角內(nèi)實(shí)現(xiàn)了全覆蓋無(wú)縫掃描。
Mid 系列的這種掃描方式，在性能方面毫不遜色甚至優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)械式激光雷達(dá)。
由于傳統(tǒng)機(jī)械式激光雷達(dá)的掃描線間有一定間隙，測(cè)繪時(shí)需要有運(yùn)動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)雷達(dá)，通過(guò)相對(duì)移動(dòng)來(lái)填補(bǔ)間隙。有時(shí)輔以算法，如插值、SLAM 來(lái)填補(bǔ)空隙。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的姿態(tài)與位置測(cè)算誤差耦合到點(diǎn)云計(jì)算誤差中，會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的綜合測(cè)繪精度。而 Mid 系列可以在靜止的情況下，完成全視場(chǎng)掃描，Mid 系列的隨機(jī)誤差約 0.05°(1σ)，測(cè)距系統(tǒng)誤差小于 2cm，隨機(jī)誤差約 2cm（1σ）*。
* 在環(huán)境溫度為 25℃，目標(biāo)物體置于 20 米外的條件下測(cè)得。
下圖是 Mid-40 掃描一個(gè) 2.5m 遠(yuǎn)的人不同角度視圖。圖中甚至連面部五官也清晰可辨，這是傳統(tǒng)激光雷達(dá)很難完成的任務(wù)。
這樣獨(dú)特的掃描方式下，Mid-40 的點(diǎn)云密度是否比不上傳統(tǒng)激光雷達(dá)？這里，我們將從兩個(gè)維度上來(lái)衡量點(diǎn)云密度。
2.關(guān)于點(diǎn)云采樣率
Livox Mid-40的采樣率為10萬(wàn)次每秒，采樣集中在角度為38.4°的圓形FOV之中。為了進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的量化對(duì)比，我們可以定義:
單位立體角內(nèi)平均采樣率 =  
全FOV內(nèi)采樣率
_____________________
FOV覆蓋的立體角
對(duì)于 Mid-40 而言，盡管不是均勻分布，但這個(gè)平均采樣率要遠(yuǎn)優(yōu)于主流 32 線雷達(dá)。
 Mid-100 更是將 FOV 增大到 98.4°x38.4°，用戶(hù)可以通過(guò)拼接 4 個(gè) Mid-100 實(shí)現(xiàn) 360°*38.4° 的 FOV，獲得每秒 120 萬(wàn)次采樣周?chē)h(huán)境。下圖為 4 個(gè) Mid-100 在 1 s時(shí)間的采樣：
3.關(guān)于點(diǎn)云視場(chǎng)覆蓋率
視場(chǎng)內(nèi)激光照射到的區(qū)域?積，關(guān)系到激光雷達(dá)的測(cè)量性能。該指標(biāo)可以定量地?激光雷達(dá)視場(chǎng)中被激光探測(cè)到的區(qū)域的?例，即視場(chǎng)覆蓋率來(lái)表征。其計(jì)算公式如下：
經(jīng)計(jì)算，Mid 系列在 100ms 的積分時(shí)間內(nèi)，視場(chǎng)覆蓋率即可與 32 線傳統(tǒng)激光雷達(dá)產(chǎn)品相近。而 Livox 即將出售的 Horizon，更可在 100ms 內(nèi)達(dá)到 60% 的視場(chǎng)覆蓋率，效果相當(dāng)于 64 線傳統(tǒng)激光雷達(dá)。Tele 甚至更優(yōu)，100ms 內(nèi)視場(chǎng)覆蓋率可達(dá) 90% 左右。
從上面介紹來(lái)看，采用非重復(fù)掃描的 Mid 系列，無(wú)論從產(chǎn)品可靠性、量產(chǎn)可行性，還是從激光雷達(dá)的性能上，絲毫不弱于主流 32 線激光雷達(dá)。
 
 
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