一文讀懂激光測(cè)距傳感器及其核心指標(biāo)

SLAMTEC思嵐科技

8 j% \# c) W! J+ a4 L% D激光雷達(dá)傳感器行業(yè)非常廣闊，每個(gè)細(xì)分方向都可以大有所為，就單線測(cè)距傳感器而言，致力于解決好機(jī)器人的自主定位導(dǎo)航能力，能突破的道路只有一條：以實(shí)用性和可靠性作為第一考慮，而非一味的去追求參數(shù)。
那么作為一款供定位導(dǎo)航使用的激光測(cè)距傳感器，到底什么才是衡量它實(shí)用和可靠的指標(biāo)？
% `  ~( ^, h$ m3 n/ O- K測(cè)距范圍？采樣率？精度？ 只是水面上的冰山一角！
( K1 W# x! g* p; |( m. `# E作為主要用來(lái)測(cè)量距離的激光雷達(dá)傳感器，其測(cè)量的最大距離（量程）自然是其最核心的指標(biāo)。大部分激光雷達(dá)傳感器都會(huì)直接以測(cè)量距離作為其主要指標(biāo)。不過(guò)除了測(cè)距范圍外，相信大家也熟悉以下這些數(shù)據(jù)指標(biāo)：
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較高的掃描頻率可以確保安裝激光雷達(dá)傳感器的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)較快速度的運(yùn)動(dòng)，并且保證地圖構(gòu)建的質(zhì)量。
但要提高掃描頻率并不只是簡(jiǎn)單的加速激光雷達(dá)傳感器的內(nèi)部掃描電機(jī)旋轉(zhuǎn)這么簡(jiǎn)單，對(duì)應(yīng)的需要提高測(cè)距采樣率。否則當(dāng)采樣頻率固定的情況下，更快的掃描速度只會(huì)降低角分辨率。
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* \+ i: G1 y/ l: \. ?, C! l7 r除了測(cè)距距離、掃描頻率之外，測(cè)量分辨率和精度對(duì)于激光雷達(dá)傳感器性能來(lái)說(shuō)同樣重要，并且對(duì)于三角測(cè)距激光雷達(dá)而言，也更具有挑戰(zhàn)。
由于測(cè)量原理的關(guān)系，雖然一般在10米以?xún)?nèi)都可以實(shí)現(xiàn)很高的測(cè)距分辨率，但其分辨率亦會(huì)隨著探測(cè)物體距離增加而劇烈下降。
, O6 z( Z  \$ M; S4 t$ [. n因此，為了實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的探測(cè)，就不只是增加激光器功率這么簡(jiǎn)單了，需要對(duì)于測(cè)距核心有本質(zhì)的改良。同時(shí)為了可靠量產(chǎn)，也需要做很多的配套工作。
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上面列舉的這些性能指標(biāo)都是大家所知道的，自然也是激光測(cè)距傳感器廠商長(zhǎng)久以來(lái)一直在不斷追求和突破的。
  i9 a. h! W9 d, u( ~9 t不過(guò)，這個(gè)并不是說(shuō)要盲目的追求這些指標(biāo)的提高，而是要像前面所說(shuō)，要更加看重整體產(chǎn)品的實(shí)用和可靠性，更好的參數(shù)不一定能帶來(lái)更好的產(chǎn)品，可能還會(huì)帶來(lái)其他方面的缺失。
所以現(xiàn)在，我們來(lái)聊聊你可能不熟悉的激光雷達(dá)傳感器的一面，也是在選擇激光雷達(dá)傳感器產(chǎn)品時(shí)所需要注重考慮的因素。
水下的冰山-日光抗擊能力和深色物體檢出率
除了上述測(cè)距距離、采樣率、精度等大家都熟知的性能指標(biāo)外，在雷達(dá)實(shí)際使用中還有兩個(gè)非常重要但往往不太被大家了解的性能指標(biāo)：
深色物體檢出率
環(huán)境光抗干擾能力
+ }4 _+ Q4 M) _在實(shí)際工作中，很多應(yīng)用環(huán)境中的物體大多不是白色墻面，而是深色的，如家具，暗色的墻紙。此時(shí)，激光雷達(dá)傳感器本身是否對(duì)于暗色物體有很好的檢出效果就非常重要。一款號(hào)稱(chēng)有10多米的激光雷達(dá)傳感器，如果對(duì)于深色物體只有幾米的檢出率，那就容易導(dǎo)致機(jī)器定位和建圖出現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)后期的定位導(dǎo)航工作也會(huì)產(chǎn)生很大的影響。
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目前，激光雷達(dá)傳感器所標(biāo)稱(chēng)的距離大多以90%反光率的漫反射物體（如白紙）作為測(cè)試基準(zhǔn)。但實(shí)際上，對(duì)于黑色數(shù)據(jù)的有效檢出也同樣是一個(gè)重要的性能指標(biāo)。

  

深色物體吸收了絕大部分的光能量，要讓激光雷達(dá)傳感器對(duì)于深色物體具有和白色物體一樣的檢出能力是不現(xiàn)實(shí)的，對(duì)于以機(jī)器視覺(jué)為核心的三角測(cè)距遠(yuǎn)離雷達(dá)而言更是如此。
不過(guò)，正因?yàn)檫@個(gè)指標(biāo)的重要性，激光雷達(dá)傳感器廠商一直將提升對(duì)深色物體探測(cè)能力作為研發(fā)激光雷達(dá)傳感器的重點(diǎn)方向之一，即使再難也力求突破。經(jīng)過(guò)這幾年來(lái)的多次迭代，以國(guó)內(nèi)激光雷達(dá)傳感器廠商思嵐來(lái)說(shuō)，其A2M6對(duì)于僅有10%以下反射率的黑色物體，也可實(shí)現(xiàn)10米的檢測(cè)距離，這基本與目前TOF原理激光雷達(dá)傳感器一致。
( x* H( Y- G+ {2 F說(shuō)得再多也不如實(shí)際檢驗(yàn)：
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看到通道盡頭的黑色物體了嗎？這種幾乎不反射光的黑色是很多三角測(cè)距激光雷達(dá)傳感器的噩夢(mèng)。但從實(shí)用性角度看，一款標(biāo)稱(chēng)10米以上的激光雷達(dá)傳感器，必須至少能在6米距離以上有效得進(jìn)行檢測(cè)。但是RPLIDAR A2M6即使在10米距離下，仍舊可以對(duì)其進(jìn)行有效檢測(cè)。
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) a* G* K4 i( D8 B5 c RPLIDAR A2M6

2 }* B: y8 S" D! r 對(duì)黑色檢出能力較弱的早期雷達(dá)

要知道，對(duì)于不同反射率物體的最大檢出距離是激光雷達(dá)傳感器的一大檢驗(yàn)指標(biāo)。目的只有一個(gè)，讓激光雷達(dá)傳感器在實(shí)際工作中也同樣表現(xiàn)出色。
( s8 L5 }1 E* ]# l. K6 R除了深色物體檢出能力外，實(shí)際工作環(huán)境也會(huì)受到各類(lèi)環(huán)境光照的影響。從落地窗投射進(jìn)來(lái)的陽(yáng)光、各類(lèi)室內(nèi)的人造光源甚至是直接暴露在室外工作，這些情況都有可能對(duì)于激光雷達(dá)傳感器產(chǎn)生干擾。

這對(duì)于采用三角測(cè)距法原理的激光雷達(dá)傳感器來(lái)說(shuō)影響更加嚴(yán)重。因?yàn)樾枰軌騾^(qū)分出環(huán)境光和激光信號(hào)，就需要有更優(yōu)異的處理算法和光學(xué)調(diào)校。
傳統(tǒng)受限于原理，三角測(cè)距法的激光雷達(dá)傳感器都會(huì)給大家一種完全無(wú)法抗擊環(huán)境光照的印象，更不提在室外可以工作的可能性了。
0 W: ]8 N( d! \0 Q1 B; g- q不過(guò)，對(duì)于RPLIDAR而言并不是如此，環(huán)境光抗干擾能力從第一代RPLIDAR A1開(kāi)始就是我們非常重視的指標(biāo)。以至于對(duì)于A2M6系列來(lái)說(shuō)，甚至已經(jīng)可以完成一定的室外工作任務(wù)。
  s2 v. I% H, e) w! U那么，環(huán)境光干擾到底有什么問(wèn)題呢？它會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)出現(xiàn)噪聲，影響使用。
; G" q: a2 C7 x* V/ o& I一般環(huán)境光干擾有如下兩種形式：
, E( S( W4 A% W% e/ F4 ma)局部干擾光源產(chǎn)生的噪點(diǎn)
" C3 m. d- ~: s 像畫(huà)面中這類(lèi)人造光源或者通過(guò)窗戶(hù)從外部射入的陽(yáng)光，會(huì)對(duì)于某個(gè)特定測(cè)量角度產(chǎn)生干擾。
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人造光源可能會(huì)產(chǎn)生測(cè)距干擾

b）全局環(huán)境光干擾產(chǎn)生的致盲和噪點(diǎn)
3 O' h3 l6 U# k% P/ m這類(lèi)情況一般出現(xiàn)在室外情況下，由于環(huán)境整體的背景光照較強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)在各方向上都可能出現(xiàn)干擾。
同時(shí)，也可能導(dǎo)致雷達(dá)的有效測(cè)量距離變短或者完全無(wú)法進(jìn)行距離測(cè)量。
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如果不對(duì)這類(lèi)干擾進(jìn)行處理，就會(huì)像下圖那樣：
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要很好的實(shí)現(xiàn)抗擊光干擾對(duì)于三角測(cè)距激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)一直是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。良好的抗環(huán)境光能力很大程度上也和前面提到的深色物體檢出率很多時(shí)候也是矛盾的，除非對(duì)激光的安全性置之不理。
. b3 Z% h/ Y# @" w: |' P這里，我們展示一些相關(guān)的測(cè)試效果。比如試試看直接一個(gè)強(qiáng)光燈對(duì)著激光雷達(dá)傳感器? 像是浴霸燈泡會(huì)直接產(chǎn)生紅外光的：

在室外整體環(huán)境光較強(qiáng)的情況下，這個(gè)激光雷達(dá)傳感器并不會(huì)出現(xiàn)致盲或者干擾的問(wèn)題。當(dāng)正午陽(yáng)光照射在墻面上，激光雷達(dá)傳感器還能測(cè)到數(shù)據(jù)嗎？像是下圖中，激光雷達(dá)傳感器不但在5米處毫無(wú)壓力的檢測(cè)出了陽(yáng)光直射的墻面，同時(shí)也順利的探測(cè)了環(huán)境周?chē)渌矬w。  
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在一定程度上，經(jīng)過(guò)這幾年的努力，激光測(cè)距傳感器已經(jīng)具有相對(duì)優(yōu)異的環(huán)境光抗擊能力，甚至在完全室外的環(huán)境下，也可以承擔(dān)一系列工作。當(dāng)然，我們也深知目前這一切還有很多工作要做并將一直致力于其性能的提升。
其實(shí)，任何一款好產(chǎn)品都不僅僅是它所標(biāo)識(shí)的核心參數(shù)那么簡(jiǎn)單。背后一定還存在著更多的邏輯，和相互之間的牽扯。雖然你未必熟悉過(guò)，但它們默默的守護(hù)著這款產(chǎn)品在實(shí)際工作中表現(xiàn)出色。技術(shù)細(xì)節(jié)有千千萬(wàn)萬(wàn)，但不變的都是對(duì)于一款產(chǎn)品的執(zhí)著。
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