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解读国内外激光雷达技术差异

 

自上世纪60年代激光被发明不久,激光雷达就大规模发展起来,如今,激光雷达技术已经渗入到各个领域,包括了军事、商用、民用等各大层面,而未来在机器人及无人驾驶领域将会开拓一片全新局面。

激光雷达发展历程

纵观多年来激光雷达在全球的发展史,激光雷达经历了许多发展阶段,从最早的激光测距使其在军事测距及武器制导上得以广泛应用,尤其是在激光定位方面,进一步的研究导致了基于二维门控监测的激光成像系统以及正在装备过程中的三维成像技术的发展。

再到民用以及军用两方面,环境激光雷达技术在大气和海洋遥感研究方面已经成熟,而在很多国家三维测绘激光雷达已经进入运行状态。随着激光效率的越来越高,而且更小巧、成本更低,这为汽车以及无人机提供了潜在应用。目前,在自动驾驶汽车及实现机器人自主行走方面的应用成为激光雷达最为广泛的商业应用,这也在一定程度上减小了激光雷达的尺寸、重量以及造价。

激光雷达发展史

另外,在医学方面激光雷达技术也同样适用,其中一个重要的例子是:光学低相干断层扫描,这个技术起源于激光反射仪在眼科中研究结构的三维复原方面的广泛应用,实现对血管的三维内窥镜研究,扩展到多普勒三维测速仪。而人类眼睛屈光度的折射成像研究是激光雷达技术应用的另一个重要例子。

经过多年的发展,激光雷达技术已取得了丰硕的研究成果,从最初的激光测距技术,逐步发展了激光跟踪、激光测速、激光扫描成像等技术,不同用途的激光雷达也陆续出现在市场,使得激光雷达成为具有多种功能的系统。相比普通微波雷达,激光雷达使用的激光束具有很多优点,例如极高的分辨率、隐蔽性好、抗干扰性强等等。随着激光雷达应用范围的不断扩展及相关技术的不断迭代,未来,激光雷达一定会给我们带来更多惊喜。

国内外激光雷达技术现状

1、车载激光雷达

随着机器人、无人驾驶领域的兴起,未来,这两大领域将成为激光雷达行业的着重发力点。从市场角度来说,目前车载激光雷达的多数用户还普遍比较看重进口激光雷达,车载激光雷达的产品及生产厂商主要还集中于国外,包括美国Velodyne、Quanegy以及德国IBEO公司等。

国外激光雷达

Velodyne作为车载激光雷达的龙头企业,旗下的HDL-64E机械激光雷达曾被广泛应用于自动驾驶车辆的测试中,不过其高昂的价格和低生产率也提醒各个科技巨头车载激光雷达的低成本化和量产化相当关键,这也正是 Tesla 一直不采用这种『3D 激光雷达』方案,而是坚持采用『毫米波雷达 + 摄像头』方案的原因。但目前 Velodyne LiDAR 已经推出成本更低、线数更多的 128 线的 VLS-128 型固态激光雷达,这意味着这款激光雷达有更高的分辨率、安全性以及更低的成本,并且可以实现量产。然而,『3D 激光雷达 + 高精度导航地图 + 云计算』被认为是未来理想的综合性解决方案。

不过,在 Velodyne 推出 VLS-128之前,整体车载激光雷达市场上的趋势都是往低线束化、固态化发展,也就是往减少激光雷达线束发展,同时也从机械型转为固态型,比如 Quanergy 公司就在 2016 年 CES 展会上推出了与 Delphi 公司共同研发的新产品 S3,号称全球首款固态激光雷达,就连 Velodyne 公司本身也在推出混合或固态的低线束激光雷达。因为这样做可以降低成本,但是需要用数量来弥补线数的不足,也体现出未来的技术路线未定,产业龙头 Velodyne LiDAR 也不能确定到底是多线束激光雷达还是多激光雷达耦合。      

从以上对国外车载激光雷达技术现状的分析中能够得到的统一趋势有低成本化、固态化、量产化,但是 Velodyne LiDAR 推出更高线束的激光雷达和其他科技厂商推出低线束激光雷达的行为并不矛盾,他们的整体方向依然是要实现激光雷达的更高分辨率和精准度,进一步保证无人驾驶的安全性,只不过前者倾向于使用更强大的设备,后者倾向于使用多激光雷达耦合并降低成本。同时,低线束激光雷达对高线束激光雷达可以起到补充的作用。

国内外激光雷达差异

实际上,在国内车载激光雷达技术上不比国外起步要晚,成立于2005年的北科天绘和 Velodyne 的激光雷达计划几乎同时开始,但从目前情况来看,Velodyne的车载激光雷达水平明显更高。尽管自动驾驶市场需求量极大,激光雷达仍面临着成本高、量产难的问题。制造门槛高,且应用领域较窄(汽车、资源勘测),使该类产品供应商相对较少,缺乏针对车规级的成熟量产方案。要推动激光雷达解决方案落地,供应商势必要完整掌握硬件的核心技术,以便控制成本,并以配套的算法推动市场接受其方案。目前,实现激光雷达低成本的路线有:牺牲一定的精度,使用全固态、低线束激光雷达降低制作成本;提高生产率,通过量产带来的规模效益摊薄产品成本。

 

2、机器人激光雷达

与国外相比,国内车载激光雷达与国外仍有较大的差距,但是应用于服务机器人上的激光雷达并没有太大差别。据了解,目前,国外的单线激光雷达产品研发和生产公司,主要有SICK和HOKUYO,其产品拥有良好的实时性、很强的鲁棒性和机械稳定性,但是价格也相对较高,售价大多在上万元级别。

而国内激光雷达售价仅在上百至上千元之间,相对来说,售价更低,重要的是其同样也能满足服务机器人的使用需求。目前,国内机器人激光雷达的生产及研发企业主要包括了思岚科技、北醒光子、禾赛科技、玩智商等为代表性的企业,而为首的思岚科技已占据了半数以上的市场份额。

思岚科技从2009年开始就致力于激光雷达传感器和自主定位导航方案的研发,并于2013年正式成立,作为国内最早从事激光雷达技术的企业,思岚科技在激光雷达传感器技术上实现了多次突破。

创立激光雷达设计新玩法 降低技术成本

在思岚科技未出现之前,激光雷达市场份额基本被国外垄断,但高额的价格让不少企业难以承受,为了改变这一局面,思岚科技CEO陈士凯创立了一套新玩法,打破了行业垄断及技术瓶颈。即采用图像的方法进行激光雷达传感器的设计,通过拍摄激光到达目标物体后在摄像头上呈现的画面,根据远近不同导致相机画面尺寸的变化来求得距离。

同时,思岚科技还在生产方面做出了努力:建立自主研发的自动化生产线,在控制良品率的同时还能够降低生产成本。除了在技术层面把成本降下来,还需要在批量生产上下功夫,在解决量产问题上。思岚科技发现在试产过程中,激光雷达面临着来自工艺与工人技术上的极大挑战,这类产品在组装的过程、顺序、使用材料上都有很严格的要求。在调校上,工人对于行业以及产品的了解较少,实际操作中会面临较大的困难,而作为初创公司的思岚科技又很难仿效大公司雇佣有多年经验的技工。因此,思岚科技通过计算机进行辅助,利用自动化的方式进行激光的调校,以此降低对工人个人能力的要求,控制成本的同时又能保证品质。

独创光磁融合技术,激光雷达使用寿命更长

国内激光雷达RPLIDAR A2

寿命问题一直是考量激光雷达的一个重要因素。在2014年思岚科技就推出了第一代激光雷达,但在使用时却发现了导电滑环的寿命问题。为了使激光雷达拥有更长的使用时间,经过两年的研发与改进,思岚科技从第二代RPLIDAR A2开始就完全放弃了导电滑环这个机械装置,独创性的设计了光磁融合技术,这种非物理接触的无线供电和无线数据传输技术,彻底解决了因物理接触机械磨损导致电气连接失效、激光雷达寿命短的问题。使得激光雷达寿命长达5年。

突破三角测距激光雷达局限 测距更长,采样频率更高

业内曾经认为三角测距激光雷达因为自身原理,难以突破20米以上的实用化测距,采样率也难以突破上万次大关,加之三角测距激光雷达在室外阳光条件下也表现的较不理想,这些问题阻挡了三角测距雷达朝着更复杂环境的应用。因此对于更大场合的应用,大家也只能采用工业TOF激光雷达。而后,基于思岚最新的RPVision 3.0测距引擎RPLIDAR A3在测量性能和实用性上都实现了本质突破,再一次刷新了三角测距雷达的极限。思岚科技的RPLIDARA3实现了25米范围的实用化距离探测,每秒16,000的采样频率,高达0.33°(15hz情况)的角度分辨率,又一次刷新了三角测距雷达的行业标准,甚至,超过了某些工业TOF激光雷达的指标,此外,RPLIDAR A3也实现了三角测距激光雷达在室外阳光下的可靠测距。

定义业内全新品类 发布首款激光建图雷达

据悉,在今年7月份,思岚科技正式对外发布了一款集实时地图构建和定位为一体的全新激光传感器品类,在TOF激光雷达的基础上,融入了思岚科技引以为傲的第三代高性能SLAM建图定位系统,可以直接对外输出高品质的地图以及定位坐标信息,无需任何外部依赖,上电手持即可使用。Slamtec Mapper不仅能在大场景下完成高品质的地图构建,而且在室内外环境下工作同样稳定。

 国内激光雷达SLAMTEC MAPPER

写在最后

如今,激光雷达已被广泛应用于各大领域,机器人及无人驾驶作为时下备受关注的两大领域,仍与国外激光雷达技术存在一定差距,这主要表现在车载激光雷达上,但在机器人激光雷达领域,国内与国外并没有太大差别,目前,国内的激光雷达技术也同样能满足服务机器人的使用需求,且性价比更高。

关键字:激光雷达,国内外激光雷达,激光雷达技术

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