LiDAR工作原理

 

車載LiDAR，簡稱光達，是一種光學遙感技術，它通過向目標發(fā)射一束光，通常是一束脈沖激光來測量目標的距離等參數(shù)，是測繪行業(yè)目前最先進的技術之一，或許大家曾經(jīng)都在路上遇到過地圖制作團隊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）和測速計等組成。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點，通過車輛前進獲取車輛行駛路線兩側的三維數(shù)據(jù)。

 

 

車載LiDAR系統(tǒng)配置

 

從測量的原理來說，車載LiDAR主要采用測角和測距兩種方法，前者根據(jù)設置參數(shù)，借助掃描儀的勻速掃描得到每個脈沖在掃描儀坐標系下的角度，后者則根據(jù)激光脈沖發(fā)射返回時間差計算掃描中心到被測點的距離。通過角度和距離求得測區(qū)內(nèi)物體在掃描儀坐標系下的坐標點；通過實時POS數(shù)據(jù)經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換得到物體的地理坐標點。得到的數(shù)據(jù)即稱為“點云”數(shù)據(jù)，配合數(shù)碼相機獲取的對應影像數(shù)據(jù)，最后經(jīng)過后期點云和影像融合便可生成三維街道實景。同時采用測角和測距兩種方法的優(yōu)點是工作效率得到大幅提升，因為如果單獨采用測距的方法，激光需要到達每一個未知點。

 

 

車載LiDAR

 

光柵系統(tǒng)在LiDAR上的應用

 

光柵在掃描儀上主要應用于測角部分，用以反饋每個發(fā)出的脈沖在掃描儀坐標系下的角度，再與測距數(shù)據(jù)組合進行計算。 典型掃描儀一般設計共有平行和垂直兩個旋轉(zhuǎn)軸，兩軸均采用伺服電機，分別配置圓光柵系統(tǒng)作位置反饋，激光源通過兩組以伺服電機帶動且勻速旋轉(zhuǎn)的棱鏡，并以固定的脈沖發(fā)射間隔發(fā)射到被測物體進行掃描，從而收集三維空間數(shù)據(jù)。光柵在整個系統(tǒng)中的作用可說是至關重要，如果反饋角度數(shù)據(jù)偏差，對應的角度值就會出現(xiàn)錯誤，從而導致系統(tǒng)生成扭曲的圖像。目前市場上的車載掃描儀最大測距范圍可達道路兩旁1000 m或以上，測角的分辨率和精度普遍也能達到0.001度和0.005度，另外測距精度可達每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被安裝在車頂上，因此無論是體積或是重量都是使用者在購買時必定會考慮的因素。目前廠家開發(fā)的激光掃瞄器都是往測距遠、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構設計以及其他零部件的體積和重量都必須緊湊輕巧。 由于掃描儀機構設計緊湊的原因，產(chǎn)品內(nèi)部基本沒有多余的空間，故對零件的體積有嚴格的要求. 雷尼紹ATOM圓光柵的微型設計，微形讀數(shù)頭和分離式玻璃碼盤的設計使客戶在機構設計上有更大的自由度. 對于部份對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較大。另一方面，雖然光柵安裝在機箱內(nèi)，但長時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比開放式光柵優(yōu)異，不過雷尼紹的開放式光柵在同類型產(chǎn)品中確實做得十分出眾。

 

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光柵采用獨有的光學濾波系統(tǒng)，可提供更好的信號穩(wěn)定性和純粹度，同時消除柵尺因安裝在彎曲或高低不平的表面上而出現(xiàn)的波動誤差，此外，TONiC也正是采用了這種先進的光學濾波系統(tǒng)。

 

 

雷尼紹ATOM系列圓光柵

 

安裝簡單便利

 

安裝是否簡單是用戶在選擇零部件時普遍會考慮的因素，對于如激光掃描儀這類高精密的設備，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碼盤的應用上，目前部份客戶是通過顯微鏡以目測方法觀察和調(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, 整個安裝過程十分簡單。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。”

 

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