优劣几何?三角法和TOF激光雷达大解析
图4、对同一位置物体,不同采样率的成像效果
3.精度
激光雷达本质上是个测距设备,因此距离的测量精度是毫无疑问的核心指标。在这一点上,三角法在近距离下的精度很高,但是随着距离越来越远,其测量的精度会越来越差,这是因为三角法的测量和角度有关,而随着距离增加,角度差异会越来越小。所以三角雷达在标注精度时往往都是采用百分比的标注(常见的如1%),那么在20m的距离时最大误差就在20cm。而TOF雷达是依赖飞行时间,时间测量精度并不随着长度增加有明显变化,因此大多数TOF雷达在几十米的测量范围内都能保持几个厘米的精度。
2.转速(帧率)
在机械式雷达中,图像帧率就是由电机的转速决定的。就目前市面上的二维激光雷达而言,三角雷达的最高转速通常在20Hz以下,TOF雷达则可以做到30Hz-50Hz左右。通常三角雷达通常采用采用上下分体的结构,即上面转的部分负责激光发射、接收和采集,下部分负责电机驱动和供电等,过重的运动组件限制了更高的转速。而TOF雷达通常采用一体化的半固态结构,电机仅需带动反射镜,因此电机的功耗很小,并且可以支持的转速也更高。
当然,这里提到的转速的区别只是对现有产品的一个客观分析。其实转速和雷达采用TOF还是三角法没有本质的联系,主流的多线TOF雷达也都是采用的上下分体的结构,毕竟同轴结构的光学设计受到许多限制。多线TOF雷达的转速一般也都在20Hz以下。
不过,高转速(或者说高帧率)对点云成像效果是很有意义的。高帧率更利于捕捉高速运动的物体,比如高速公路上行驶的车辆。此外,在自身建图时,运动中的雷达建图会发生畸变(举个例子,如果一个静止的雷达扫描一圈是一个圆,那么当雷达直线运动时,扫描出的图像就变成一个椭圆)。显然,高转速可以更好的减少这种畸变的影响。
三、成本
如果只看性能比较,似乎TOF雷达的性能完全压过三角雷达。不过产品的竞争并不仅仅是性能参数的比拼,用户在乎的还有价格、稳定性和服务等等。
至少在成本方面,目前三角雷达的成本是低于TOF雷达的,近距离的三角雷达成本已经在百元级别。而目前进口TOF雷达的售价动辄就要万元以上。可以说,高昂的价格是限制TOF激光雷达应用进一步拓展的重要因素。
不过,随着近年来国内TOF雷达厂商的崛起,TOF雷达的成本已经得到大幅的降低,国产TOF雷达产品的价格相比于进口品牌,已经有相当大的竞争力。未来,随着生产工艺的完善和出货量的进一步提升,相信TOF雷达的成本还会进一步压缩,降到和三角雷达相近的水平也不是没有可能。
四、应用场景
三角雷达的场景主要是在室内短距离的应用,最典型的场景就是扫地机器人。而在探测范围较大场景(比如商场、机场或者车站),以及室外场景,TOF的应用则更为广泛。另外值得一提的是,三角雷达这种裸露在外转动的方案,使其产品在防尘防水方面非常脆弱,在一些特殊场景的应用,比如AVG小车工作的车间经常会有很多灰尘,在这种环境下,三角雷达的电机非常容易损坏。相比之下,TOF雷达采用的半固态设计,可以有更优秀的防护效果,工作寿命也更长。
图5、星秒TOF激光雷达PAVO
目前,国内TOF雷达正在迅速发展,星秒(SIMINICS)推出的2D TOF激光雷达PAVO,可以达到20m的测量距离,100kHz的点云速率,0.036°的最高角度分辨率,以及IP65的防护等级,其应用已经涉及到无人驾驶、机器人、AGV、安防、路政等诸多领域,是国产TOF雷达的优秀代表。
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