超廣角短距激光雷達(dá)是當(dāng)前最新、發(fā)展更快的激光雷達(dá)細(xì)分市場(chǎng)。在18個(gè)月前，Ouster便開始與一家汽車OEM合作，研發(fā)超廣角短距激光雷達(dá)OS0，用于滿足自動(dòng)駕駛汽車、機(jī)器人及地圖等市場(chǎng)的特定需求。

通過與合作伙伴的溝通及獲得的客戶反饋，我們確定了三個(gè)在實(shí)際應(yīng)用中最重要的性能（除了超廣視場(chǎng)角外）：

（1）對(duì)于目標(biāo)物探測(cè)：高分辨率；

（2）對(duì)于近距離探測(cè)：0 cm最小探測(cè)距離；

（3）對(duì)于3D地圖構(gòu)建：高精度。

而對(duì)于任何應(yīng)用，OS0均可提供：90o垂直視場(chǎng)角 + 260萬點(diǎn)/秒（MPS）的高分辨率數(shù)據(jù)輸出 + 0 cm最小探測(cè)距離 + 高達(dá)毫米級(jí)的精度。

對(duì)于自動(dòng)駕駛、機(jī)器人、地圖等對(duì)激光雷達(dá)有較高性能要求的客戶，OS0更是首選的超廣角激光雷達(dá)。

由紅外相機(jī)拍攝的OS0，90o垂直視場(chǎng)角

除了超廣視場(chǎng)角之外，OS0能夠探測(cè)到55 m處反射率為 80% 的物體以及15 m處反射率為10%的物體。探測(cè)距離對(duì)于短距激光雷達(dá)來說并不是最重要的因素，但當(dāng)用作自動(dòng)駕駛汽車盲區(qū)探測(cè)或低速機(jī)器人的唯一傳感器時(shí)，能夠探測(cè)到50 m又是非常有利的。

本文我們將深度分析OS0的關(guān)鍵性能，說明這些性能對(duì)于感知、定位、地圖等應(yīng)用的意義，并證明OS0在某些方面的表現(xiàn)是現(xiàn)有市場(chǎng)同類產(chǎn)品中最好的。

OS0特有的四大關(guān)鍵性能：
（1）90o 超廣垂直視場(chǎng)角；
（2）128線超高分辨率；
（3）0 cm最小探測(cè)距離；
（4）毫米級(jí)精度。

90o超廣垂直視場(chǎng)角

OS0為短距離物體探測(cè)提供了90o的超廣垂直視場(chǎng)角，寬廣的視場(chǎng)角有助于優(yōu)化定位算法、加速室內(nèi)3D地圖構(gòu)建。

OS0實(shí)測(cè)，距離倉庫貨架2m

對(duì)于機(jī)器人應(yīng)用來說，90o的視場(chǎng)角可以完整捕捉整個(gè)貨架的情況，滿足在室內(nèi)運(yùn)貨的需求，同時(shí)還能為精準(zhǔn)定位提供額外的特征數(shù)據(jù)。

完整倉庫運(yùn)貨視頻：

對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車來說，OS0的大視角可以探測(cè)到距離車輛1米的、從頭到腳的、完整的行人。通過在車輛的四周安裝OS0，即可獲得車身360o 的完整數(shù)據(jù)，確保汽車能夠“看見”周圍的孩童、寵物、路沿、路障等更小的物體。
 

尤其對(duì)于定位來說，OS0最大可覆蓋路旁3層高的建筑，如此大的覆蓋率可以為定位算法提供更多的特征數(shù)據(jù)，有助于提高定位的效率和準(zhǔn)確率。

對(duì)于室內(nèi)地圖構(gòu)建來說，憑借OS0的超廣視場(chǎng)角，可以實(shí)現(xiàn)用更少的掃描次數(shù)覆蓋更廣的空間范圍，從而在減少地圖構(gòu)建所需時(shí)間的同時(shí)，提供其所需的高精度數(shù)據(jù)。

128線超高分辨率

Ouster自主研發(fā)的數(shù)字激光雷達(dá)技術(shù)具有一大優(yōu)勢(shì)，即在激光雷達(dá)分辨率不斷提升的同時(shí)，產(chǎn)品的尺寸、重量和功耗都不會(huì)發(fā)生任何變化。今年二月，Ouster發(fā)布了全新第二代激光雷達(dá)，其分辨率均提升至128線，但其外觀尺寸與第一代64線激光雷達(dá)完全一樣。

OS0-128實(shí)測(cè)點(diǎn)云1

高分辨率最大的意義在于，將激光雷達(dá)從簡(jiǎn)單的避障技術(shù)變成了目標(biāo)物體探測(cè)、分割和分類的主流傳感器。數(shù)字激光雷達(dá)具備的超高分辨率表現(xiàn)也是Apple選擇將其應(yīng)用于新版iPad Pro的原因之一。

“OS0每秒輸出點(diǎn)數(shù)為260萬個(gè)，是現(xiàn)有市場(chǎng)上短距激光雷達(dá)的5倍?！?/p>

在超廣角短距激光雷達(dá)市場(chǎng)，當(dāng)前最好的機(jī)械旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)最高僅可提供64線的垂直分辨率，而OS0最高可提供128線。高出兩倍的分辨率，一方面可以實(shí)現(xiàn)算法對(duì)更遠(yuǎn)處物體的識(shí)別分類，另一方面可以提高激光雷達(dá)在探測(cè)范圍內(nèi)所有距離處的置信度。OS0每秒輸出點(diǎn)數(shù)為260萬個(gè)，是現(xiàn)有市場(chǎng)上短距激光雷達(dá)的5倍。

OS0-128實(shí)測(cè)點(diǎn)云2

為了更好的理解分辨率帶來的優(yōu)勢(shì)，我們可以認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)算法對(duì)行人進(jìn)行識(shí)別分類時(shí)，需要對(duì)象人物身上有大約4條水平數(shù)據(jù)線，此時(shí)對(duì)應(yīng)的最大距離稱為“有效距離”。一臺(tái)90°垂直視場(chǎng)角的64線激光雷達(dá)，其有效距離為20 m；而一臺(tái)90°垂直視場(chǎng)角的128線激光雷達(dá)，其有效距離可提升50%，即超過30 m。如下圖：

OS0系列分辨率對(duì)比，有效距離：OS0-32為10 m，OS0-64為20 m，OS0-128為30 m

另一個(gè)實(shí)例，假設(shè)有一輛以每小時(shí)40公里行駛的自動(dòng)駕駛汽車，即其每秒行駛約10米，在該速度下的制動(dòng)距離約為15米。這意味著，當(dāng)使用64線激光雷達(dá)時(shí)，自動(dòng)駕駛汽車只有0.5秒的時(shí)間留給算法來識(shí)別行人并啟動(dòng)制動(dòng)（64線激光雷達(dá)的有效距離為20 m，當(dāng)汽車距離對(duì)象行人20 m處時(shí)，算法可以得到足夠的數(shù)據(jù)來識(shí)別行人，當(dāng)汽車距離對(duì)象行人15 m時(shí)，必須開始剎車，因此留給算法識(shí)別及啟動(dòng)制動(dòng)的時(shí)間只有5 m，即0.5 s）；同樣的情況下，128線激光雷達(dá)可以為汽車提供3倍多的時(shí)間去反應(yīng)，即1.5 s或15 m（30 m有效距離 – 15 m制動(dòng)距離）。

OS0-128的高分辨率可以使激光雷達(dá)探測(cè)到更小的物體，如下圖，從左到右分別是網(wǎng)球、小型路障、橄欖球、輪胎、大型路障、垃圾桶。OS0-128可以非常清楚的探測(cè)到距離2 m處的網(wǎng)球。

目標(biāo)物體與激光雷達(dá)之間的距離為2 m

0 cm最小探測(cè)距離

為了更好的實(shí)現(xiàn)近距離探測(cè)，OS0做到了0 cm的最小探測(cè)距離。這是如何實(shí)現(xiàn)的呢？對(duì)于距離激光雷達(dá)25 cm處的物體，OS0將返回對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；而對(duì)于距離激光雷達(dá)25 cm內(nèi)的物體，OS0將返回一個(gè)標(biāo)志，這個(gè)標(biāo)志就意味著25 cm內(nèi)有物體存在（該標(biāo)志在點(diǎn)云中不可見，直接在數(shù)據(jù)流中輸出）。

我們將OS0放在空曠的停車場(chǎng)進(jìn)行實(shí)測(cè)演示。在下面的視頻中，OS0獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)的最小距離為25 cm，甚至在40 cm處，OS0也可以清楚地分辨出張開的手指之間的縫隙。憑借高分辨率，OS0可以準(zhǔn)確的識(shí)別倉庫里或道路上的小型物體。同樣，在激光雷達(dá)25 cm內(nèi)的物體所返回的標(biāo)志在以下點(diǎn)云中不可見，而是直接在激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)流中輸出。

毫米級(jí)精度

Ouster對(duì)所有的激光雷達(dá)都進(jìn)行了一系列的測(cè)試，其中就包括測(cè)距和精度測(cè)試，以確保每個(gè)激光雷達(dá)都符合既定的規(guī)格。

激光雷達(dá)的精度在不同的探測(cè)距離處是不同的。簡(jiǎn)而言之，激光雷達(dá)的精度會(huì)沿著像耐克商標(biāo)一樣的形狀變化。在激光雷達(dá)最小測(cè)距附近的精度會(huì)稍微差一點(diǎn)，其原因類似于看鼻子上的物體比較模糊，只有將這一物體移到離臉遠(yuǎn)一點(diǎn)的地方才可以看清。當(dāng)目標(biāo)逐漸偏離最小測(cè)距時(shí)，精度會(huì)提高到一個(gè)點(diǎn)，然后再次穩(wěn)定地下降直到激光雷達(dá)達(dá)到最大測(cè)距。

OS0測(cè)距和精度測(cè)試

我們對(duì)OS0進(jìn)行了實(shí)測(cè)演示，測(cè)距范圍為25 m，目標(biāo)物體反射率為10%。如下表所示，在1 m以內(nèi)，激光雷達(dá)的精度可達(dá)到±0.5 cm，而在1米處該精度降至±1 cm；當(dāng)目標(biāo)物移動(dòng)至距離激光雷達(dá)1-10 m之間時(shí)，精度提高到±0.9 cm；超過10 m后，精度在25 m處幾何衰減至±5 cm。

OS0精度實(shí)測(cè) – 目標(biāo)物體反射率為10%：

OS0毫米級(jí)的精度是現(xiàn)有市場(chǎng)上最高的精度，這使得OS0成為室內(nèi)地圖構(gòu)建的理想解決方案。

另外，我們還對(duì)激光雷達(dá)進(jìn)行了“四壁測(cè)試”。在此測(cè)試中，我們將激光雷達(dá)放在房間的中央，然后定性比較OS0與其他激光雷達(dá)探測(cè)到的墻壁厚度。激光雷達(dá)的精度越高，探測(cè)到的墻壁越“薄”。
 

OS0探測(cè)到的墻壁點(diǎn)云數(shù)據(jù)，房頂和地面的線已被隱藏

我們還測(cè)試了墻壁的線性度及任何變形或彎曲。在下面的圖像中，可以看到OS0探測(cè)到的墻壁比市場(chǎng)上領(lǐng)先的16線中距傳統(tǒng)模擬激光雷達(dá)更薄，即精度更高。

憑借其超廣視場(chǎng)角、128線分辨率、0 cm最小探測(cè)距離和毫米級(jí)精度， OS0成為現(xiàn)有同類產(chǎn)品中功能最強(qiáng)大的短距激光雷達(dá)，不僅具有高性能，而且外形小巧、重量?jī)H為445 g，可無縫集成到自動(dòng)駕駛汽車、倉庫機(jī)器人和室內(nèi)測(cè)繪設(shè)備中。