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

2019-12-27 20:13:54·  來源：無人車情報局  
　
如果你聽說過 Livox LiDAR 的 Mid 系列，相信其非重復(fù)式掃描一定給你留下過深刻的印象。與傳統(tǒng)激光雷達線性重復(fù)式的掃描方式不同，Livox 激光雷達掃描路徑不會重
如果你聽說過 Livox LiDAR 的 Mid 系列，相信其非重復(fù)式掃描一定給你留下過深刻的印象。
 
與傳統(tǒng)激光雷達線性重復(fù)式的掃描方式不同，Livox 激光雷達掃描路徑不會重復(fù)。且視場中，激光照射到的區(qū)域面積會隨時間增大，這就意味著視場覆蓋率隨時間推移而顯著提高。
這樣的好處是可以減小視場內(nèi)物體被漏檢的概率，有助于探測視場中的更多細節(jié)。如下圖所示，隨著掃描時間增加，視場中幾乎所有區(qū)域都會被 Mid-40 采樣。
0.1s 掃描軌跡
0.2s掃描軌跡疊加
1.獨特的掃描方式
為什么 Livox Mid 系列會有如此獨特的掃描方式呢？
傳統(tǒng)機械式激光雷達，通過電機帶動整個激光頭做圓周運動，其掃描方式通常呈360度線式掃描。這種方式帶來的直接后果是無論掃描時間多長，線與線之間總會有間隙，存在漏檢物體的可能性。
而更為糟糕的是，占整個雷達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，都在不停地一邊運動，一邊工作，這種機械運動以及旋轉(zhuǎn)部件動平衡上的誤差帶來的磨損、振動等，大大降低了雷達的穩(wěn)定性和可靠性。而且多線激光雷達這種轉(zhuǎn)動的工作模式，若采用滑環(huán)設(shè)計會容易失效，而無線供電的方式則不夠穩(wěn)定，很難滿足車規(guī)級別的應(yīng)用場景。
傳統(tǒng)機械激光雷達的掃描軌跡
一般運動部件越少，運動方式越簡單，則可靠性越高。
Livox 產(chǎn)品的設(shè)計理念，一直秉承為合作伙伴提供可量產(chǎn)、穩(wěn)定可靠的車規(guī)級雷達產(chǎn)品為首要目標。Livox Mid 系列通過電磁力驅(qū)動光楔運動的方式實現(xiàn)光路的改變，而所有電子器件并不參與運動。Mid-40 內(nèi)部運動部分的質(zhì)量僅在一百克以下。
如上圖，當光束逆著光軸 Z 射入系統(tǒng)（O點），從棱鏡 П1 出射后，隨著棱鏡的旋轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)矢量 δ1 的起點不變，末端沿著以 δ1 的大小為半徑的圓做圓周運動。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。通過調(diào)整兩個光楔的轉(zhuǎn)速，就可以實現(xiàn)一定時間內(nèi)的無重復(fù)的掃描。同時，通過優(yōu)化 δ1，δ2 的值，使得 Mid 在視場角內(nèi)實現(xiàn)了全覆蓋無縫掃描。
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)機械式激光雷達。
由于傳統(tǒng)機械式激光雷達的掃描線間有一定間隙，測繪時需要有運動平臺帶動雷達，通過相對移動來填補間隙。有時輔以算法，如插值、SLAM 來填補空隙。運動平臺的姿態(tài)與位置測算誤差耦合到點云計算誤差中，會降低整個系統(tǒng)的綜合測繪精度。而 Mid 系列可以在靜止的情況下，完成全視場掃描，Mid 系列的隨機誤差約 0.05°(1σ)，測距系統(tǒng)誤差小于 2cm，隨機誤差約 2cm（1σ）*。
* 在環(huán)境溫度為 25℃，目標物體置于 20 米外的條件下測得。
下圖是 Mid-40 掃描一個 2.5m 遠的人不同角度視圖。圖中甚至連面部五官也清晰可辨，這是傳統(tǒng)激光雷達很難完成的任務(wù)。
這樣獨特的掃描方式下，Mid-40 的點云密度是否比不上傳統(tǒng)激光雷達？這里，我們將從兩個維度上來衡量點云密度。
2.關(guān)于點云采樣率
Livox Mid-40的采樣率為10萬次每秒，采樣集中在角度為38.4°的圓形FOV之中。為了進行一個簡單的量化對比，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
對于 Mid-40 而言，盡管不是均勻分布，但這個平均采樣率要遠優(yōu)于主流 32 線雷達。
 Mid-100 更是將 FOV 增大到 98.4°x38.4°，用戶可以通過拼接 4 個 Mid-100 實現(xiàn) 360°*38.4° 的 FOV，獲得每秒 120 萬次采樣周圍環(huán)境。下圖為 4 個 Mid-100 在 1 s時間的采樣：
3.關(guān)于點云視場覆蓋率
視場內(nèi)激光照射到的區(qū)域?積，關(guān)系到激光雷達的測量性能。該指標可以定量地?激光雷達視場中被激光探測到的區(qū)域的?例，即視場覆蓋率來表征。其計算公式如下：
經(jīng)計算，Mid 系列在 100ms 的積分時間內(nèi)，視場覆蓋率即可與 32 線傳統(tǒng)激光雷達產(chǎn)品相近。而 Livox 即將出售的 Horizon，更可在 100ms 內(nèi)達到 60% 的視場覆蓋率，效果相當于 64 線傳統(tǒng)激光雷達。Tele 甚至更優(yōu)，100ms 內(nèi)視場覆蓋率可達 90% 左右。
從上面介紹來看，采用非重復(fù)掃描的 Mid 系列，無論從產(chǎn)品可靠性、量產(chǎn)可行性，還是從激光雷達的性能上，絲毫不弱于主流 32 線激光雷達。
 
 
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