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Solid-State LiDAR: Ein ausführlicher technischer Leitfaden zu Arbeitsprinzipien, Leistungskompromissen und Käuferbewertung
01 · LiDAR-Technologieführer
Was ist Solid-State LiDAR?
Festkörper-LiDAR beschreibt eine Familie von LiDAR-Technologien, die die herkömmlichen rotierenden Scanbaugruppen reduzieren oder eliminieren, die in vielen mechanischen LiDAR-Systemen verwendet werden.
Der Begriff beschreibt keine einzige Sensorarchitektur. MEMS, Flash LiDAR und optische Phased-Array-Technologien können alle in Diskussionen über Festkörper-LiDAR auftauchen, aber sie steuern oder verteilen Licht auf unterschiedliche Weise und weisen unterschiedliche Sichtfeld-, Verpackungs- und Leistungsmerkmale auf.
CCH-Produktumfang
CCH entwickelt die Festkörper-LiDAR-Technologie, Festkörper-LiDAR wird derzeit jedoch nicht als internationale CCH-Produktlinie angeboten Dieser Artikel wird als Technologieführer bereitgestellt.
Solid-State-LiDAR-Konzept
Nur konzeptionelle Abbildung Tatsächliche Strahllenkungs - und Scanmuster hängen von der spezifischen Halbleiter-LiDAR-Architektur ab.
02 Architekturterminologie
Mechanisches, MEMS- und Vollfestkörper-LiDAR
Die LiDAR-Terminologie wird nicht immer branchenweit einheitlich verwendet Das Verständnis, wie der Sensor tatsächlich die Umgebung scannt, ist nützlicher, als sich allein auf das Marketing-Label zu verlassen.
Mechanische LiDAR
Mechanisches LiDAR verwendet makroskopische bewegliche Baugruppen, um Messungen durch die umgebende Szene zu fegen.
- Dreh - oder bewegliche Scannerbaugruppe
- Kann eine großflächige Scanabdeckung bieten
- Etablierte Architektur über viele Anwendungen hinweg
MEMS LiDAR
MEMS LiDAR entfernt die vollständig rotierende Scannerbaugruppe, verwendet aber dennoch einen mikroskopisch kleinen beweglichen Spiegel für die Strahllenkung. Aus diesem Grund werden MEMS-Systeme manchmal als beschrieben Quasi-festkörper-lidar.
- Keine vollständige rotierende Sensorbaugruppe
- Verwendet ein mikroskopisch kleines bewegliches optisches Element
- Unterstützt kompakte gerichtete Scan-Designs
Vollständig Solid-State LiDAR
Architekturen wie Flash LiDAR oder optische Phased Arrays können Licht ohne herkömmliche rotierende oder mechanische Scanbaugruppe verteilen oder steuern.
- Kein herkömmlicher rotierender Scanner
- Potenzial für hochintegrierte Verpackungen
- FoV und Performance bleiben architekturabhängig
In der kommerziellen Literatur wird der Begriff “Solid-State LiDAR” breit verwendet, überprüfen Sie beim Vergleich von Sensoren den tatsächlichen Strahllenkmechanismus, das Ranging-Prinzip und das Scanmuster, anstatt davon auszugehen, dass sich jedes als Solid-State beschriebene Produkt gleich verhält.
03 Strahllenkungstechnologien
MEMS LiDAR vs. Flash LiDAR vs. OPA LiDAR
MEMS, Flash und optisches Phased-Array LiDAR werden oft unter dem Festkörper-LiDAR-Dach zusammengefasst, sie erzeugen das Messfeld jedoch auf sehr unterschiedliche Weise.
MEMS LiDAR
Ein mikroskopischer Spiegel steuert den Laserstrahl durch ein definiertes Sichtfeld, dabei dreht sich der komplette Sensor nicht, obwohl sich der MEMS-Spiegel selbst bewegt.
Strahllenkung
Mikrospiegelbewegung
Typische Stärke
Kompaktes gerichtetes Scannen und konfigurierbare Muster
Abwägung
FoV und Scandynamik hängen stark vom optischen Design ab
Flash LiDAR
Flash LiDAR beleuchtet eine breitere Szene gleichzeitig und misst die Tiefe mithilfe eines Bildempfängers anstelle einer sequentiellen Strahllenkung.
Strahllenkung
Kein herkömmlicher sequentieller Scanner
Typische Stärke
Kompakte Sensorik und gleichzeitige Szenenerfassung
Abwägung
Leistung, Empfängerempfindlichkeit und Umgebungslichtleistung variieren je nach Design
OPA LiDAR
Optische Phased-Arrays steuern das Licht elektronisch, indem sie die Phasenbeziehung zwischen mehreren optischen emittierenden Elementen steuern.
Strahllenkung
Elektronische optische Phasensteuerung
Typische Stärke
Potenzial für hochintegrierte, nichtmechanische Lenkung
Abwägung
FoV, Effizienz, Herstellung und kommerzielle Reife variieren
Keine dieser Architekturen ist universell überlegen Die beste Wahl hängt vom Sichtfeld, der Arbeitsentfernung, der Punktverteilung, der Paketgröße, den Umgebungsanforderungen, den Kosten, der Software-Integration und der spezifischen Wahrnehmungsaufgabe ab.
04 Entfernungsmessung
dToF, iToF und FMCW: Wie Solid-State-LiDAR die Entfernung misst
Strahllenkung und Entfernungsmessung sind verschiedene Teile der LiDAR-Architektur Ein Sensor kann eine Methode zur Lichtlenkung und eine andere Methode zur Entfernungsberechnung verwenden.
Balkenlenkung Antworten “wo schaut der Sensor hin?” während Rangtechnik Antworten “wie wird die Zielentfernung berechnet?” MEMS, Flash oder OPA sind daher nicht mit dToF, iToF oder FMCW zu verwechseln.
dToF
Die direkte Flugzeit misst die Laufzeit zwischen der emittierten optischen Energie und ihrer erfassten Rückkehr und wandelt diese Zeitinformationen in Entfernung um.
iToF
Die indirekte Flugzeit leitet die Entfernung von der Phasenbeziehung zwischen moduliertem emittiertem Licht und dem empfangenen optischen Signal ab.
FMCW LiDAR
Frequenzmoduliertes Dauerstrich-LiDAR nutzt kohärente optische Techniken und Frequenzinformationen, um Entfernungs- und in einigen Implementierungen bewegungsbezogene Informationen abzuleiten.
Die Ranging-Methode beeinflusst Detektortechnik, optische Architektur, Signalverarbeitung und Systemleistung Kein Ranging-Prinzip sollte isoliert vom kompletten Sensordesign bewertet werden.
05 Optische Wellenlänge
905 nm vs. 1550 nm LiDAR
Die Wellenlänge beeinflusst die Emittertechnologie, die Wahl des Detektors, das optische Design und Überlegungen zur Lasersicherheit, bestimmt jedoch nicht allein, ob ein LiDAR eine bessere Reichweite oder Gesamtleistung aufweist.
Nahinfrarot-lidar
905 nm
905 nm LiDAR ist weit verbreitet über Entfernungsmessungs - und Wahrnehmungssysteme hinweg Seine Leistung hängt vom kompletten Emitter, Detektor, Optik, Filter - und Signalverarbeitungsdesign ab.
Kurzwellen-Infrarot-LiDAR
1550 nm
1550 nm LiDAR verwendet verschiedene optische Komponenten und Detektortechnologien Es bietet unterschiedliche Kompromisse auf Systemebene, anstatt automatisch eine größere Reichweite oder bessere Messung zu garantieren.
Detektortechnologie
Empfängermaterialien und Empfindlichkeit unterscheiden sich je nach Wellenlänge.
Optische Komponenten
Linsen, Filter und Beschichtungen müssen zum optischen Design passen.
Zielreaktion
Das Oberflächenreflexionsvermögen variiert je nach Wellenlänge und Material.
Systemkosten
Die Kosten hängen von der vollständigen optischen und elektronischen Architektur ab.
Lasersicherheit: Überprüfen Sie die tatsächliche Laserklassifizierung des Herstellers und die anwendbare Dokumentation IEC 60825-1. Ein als Klasse 1 beschriebenes Produkt sollte aus der spezifischen Produktdokumentation bestätigt werden und nicht allein aus der Wellenlänge abgeleitet werden.
06 Robotik und Automatisierung
Solid-State LiDAR für AGV, AMR & Robotik
Kompakte LiDAR-Architekturen können für mobile Roboter und Automatisierungssysteme attraktiv sein, bei denen Paketgröße, Sichtfeld und Wahrnehmungsintegration eine Rolle spielen. Die entsprechende Architektur hängt von der erforderlichen Scangeometrie, Integrationsbeschränkungen und Navigationssoftware ab.
01
AGV / AMR-Lokalisierung
LiDAR-Messungen können geometrische Merkmale liefern, die von Navigationssoftware zur Lokalisierung und Kartenanpassung verwendet werden.
02
SLAM & Mapping
Punkt-Wolke - oder Scandaten können die gleichzeitige Lokalisierung und Abbildung unterstützen, wenn sie mit geeigneten Algorithmen und Bewegungsdaten kombiniert werden.
03
Hinderniswahrnehmung
LiDAR kann Entfernungs- und Geometrieinformationen bereitstellen, die von Downstream-Wahrnehmungssoftware zur Erkennung oder Charakterisierung von Objekten verwendet werden.
04
Sensorfusion
Robotiksysteme können LiDAR mit Kameras, IMUs, Radodometrie und anderen Sensoren kombinieren, um das Umweltverständnis zu verbessern.
LiDAR liefert Messdaten und nicht eine vollständige Navigation oder Objektklassifizierung selbst. SLAM, Lokalisierung, Hindernisklassifizierung und Bewegungsplanung hängen von der Downstream-Software und dem gesamten Robotersystem ab.
07 Auswahlfaktoren
So bewerten Sie einen Festkörper-LiDAR-Sensor
Vergleichen Sie Sensoren unter den Bedingungen, die für die reale Anwendung wichtig sind Überschriftenbereich oder Punktratenzahlen allein beschreiben keine vollständige Systemleistung.
01
Reichweiten- und Testbedingungen
Überprüfen Sie das Zielreflexionsvermögen, die Objektgröße, den Einfallswinkel und die Umgebungsbedingungen hinter dem angegebenen Arbeitsbereich.
02
Sichtfeld
Vergleichen Sie horizontales und vertikales FoV mit der tatsächlichen Montageposition und Abdeckung, die für die Anwendung erforderlich sind.
03
Winkelauflösung
Die Auflösung sollte anhand der Zielgröße, der Arbeitsentfernung und der räumlichen Details bewertet werden, die für die nachgelagerte Wahrnehmung erforderlich sind.
04
Punktverteilung
Die Punktrate allein zeigt nicht, wo Messungen innerhalb des Sichtfeldes auftreten oder wie sich die Dichte im Laufe der Zeit ändert.
05
Aktualisierungsrate
Die Frame- oder Scanrate beeinflusst, wie schnell die Umgebung aktualisiert wird, wenn sich Objekte oder die Sensorplattform bewegen.
06
Zielreflexivität
Dunkle, reflektierende und stark abgewinkelte Oberflächen können zu unterschiedlichem Messverhalten und effektivem Erfassungsbereich führen.
07
Umwelt- und IP-Bewertung
Berücksichtigen Sie Temperatur, Sonnenlicht, Staub, Regen, Nebel, Wassereintritt und Verunreinigung des optischen Fensters.
08
Schnittstelle & SDK
Überprüfen Sie bei Bedarf Ethernet-Kommunikation, Zeitstempel, Synchronisierung, SDK-Unterstützung und ROS / ROS 2-Kompatibilität.
Multi-Echo-/Multi-Return-Daten
Einige LiDARs liefern mehr als einen Rücklauf oder ein Echo aus einer Messrichtung Zusätzliche Rücklaufinformationen können in komplexen Szenen nützlich sein, sie sollten jedoch nicht als universelle Lösung für Regen, Nebel, Staub oder transparente Ziele interpretiert werden Ihr Wert hängt von der Sensorimplementierung und der Downstream-Software ab.
Vergleichen Sie die gesamte Sensorarchitektur: Strahllenkung, Entfernungsmessungsmethode, Wellenlänge, Sichtfeld, Punktverteilung, Umgebung, Schnittstelle und Software sollten alle zusammen betrachtet werden.
08 Einschränkungen & FAQ
LiDAR-Einschränkungen im Festkörper und häufige Fragen
Kompakte Verpackungen beseitigen nicht die normalen optischen und Umgebungsbeschränkungen von LiDAR. Die Leistung in der Praxis hängt immer noch von der Sensorarchitektur, dem Standort und den Betriebsbedingungen ab.
Sonnenlicht
Starke optische Umgebungsenergie kann die Signal-Rausch-Leistung abhängig von Wellenlänge, Filterung und Empfängerdesign reduzieren.
Regen, Nebel und Staub
Partikel und Tröpfchen in der Luft können Licht dämpfen oder zusätzliche Erträge erzeugen.
Reflektierende Oberflächen
Dunkle, glänzende, transparente oder stark abgewinkelte Ziele können zu unterschiedlichem Messverhalten führen.
Thermisches Design
Kompakte Sensorverpackungen erfordern weiterhin ein entsprechendes optisches, elektronisches und thermisches Management.
Ist Solid-State LiDAR wirklich völlig frei von beweglichen Teilen?
Es kommt auf die verwendete Architektur und Terminologie an Flash - und OPA-Designs können herkömmliche mechanische Strahllenkung vermeiden, während MEMS LiDAR normalerweise einen mikroskopisch kleinen beweglichen Spiegel verwendet und manchmal als quasi-fester Zustand beschrieben wird.
Was ist der Unterschied zwischen MEMS LiDAR und Solid-State LiDAR?
MEMS LiDAR ist eine Architektur, die oft in die breitere kommerzielle Halbleiter-LiDAR-Kategorie einbezogen wird. Es verwendet einen kleinen beweglichen Mikrospiegel anstelle einer vollständig rotierenden Scannerbaugruppe.
Was ist der Unterschied zwischen Flash LiDAR und MEMS LiDAR?
MEMS LiDAR steuert Messungen sequentiell mittels eines Mikrospiegels durch ein Sichtfeld, während Flash LiDAR eine breitere Szene beleuchtet und die Tiefe mittels eines Abbildungsempfängers misst.
Ist 1550 nm LiDAR immer besser als 905 nm LiDAR?
Nr. Wellenlänge beeinflusst die Detektortechnologie, das optische Design und die Lasersicherheitsgrenzen, aber nutzbare Reichweite und Messqualität hängen von der gesamten Sensorarchitektur ab.
Kann Festkörper-LiDAR im Sonnenlicht wirken?
LiDAR kann bei Tageslicht betrieben werden, aber starke optische Umgebungsenergie beeinflusst die Signal-Rausch-Leistung bei allen Sensordesigns unterschiedlich Die tatsächliche Sonnenlichtleistung sollte unter den für die Anwendung relevanten Bedingungen überprüft werden.
Funktioniert Solid-State-LiDAR bei Regen oder Nebel?
Regen, Nebel, Schnee und luftgetragene Partikel können optische Signale dämpfen oder zusätzliche Erträge erzeugen, Der Effekt hängt von Wellenlänge, Sensordesign, Wetterschwere und Verarbeitung ab.
Ist Solid-State-LiDAR für die AGV- und AMR-Navigation geeignet?
Es kann sein, sofern Sichtfeld, Reichweite, Punktverteilung, Aktualisierungsrate und Software-Schnittstelle zur Navigationsarchitektur passen Viele AGV - und AMR-Anwendungen lassen sich auch mit industriellem 2 D-LiDAR lösen, wenn eine horizontale Scanebene ausreichende Umweltinformationen liefert.
Ist Festkörper-LiDAR dasselbe wie ein Sicherheitslaserscanner?
Nr. “Solid-State” beschreibt Sensorarchitektur, nicht Funktional-Sicherheit Zertifizierung Ein LiDAR sollte nicht als Sicherheitslaserscanner verwendet werden, es sei denn, das spezifische Gerät und die Funktion verfügen über die erforderliche Sicherheitszertifizierung.
Mechanisches LiDAR vs. Festkörper-LiDAR: Was ist besser?
Beides ist nicht universell besser Mechanisches LiDAR kann eine breite Scanabdeckung bieten, während Solid-State-Ansätze kompakte Verpackungen und unterschiedliche Scanmuster unterstützen können Die richtige Wahl hängt von der Anwendung ab.
Ist Solid-State LiDAR günstiger?
Nicht unbedingt Kostenabhängig von optischen Komponenten, Emittern, Detektoren, Verpackung, Produktionsvolumen, Leistungsanforderungen und Software-Support Architektur allein bestimmt nicht den Preis.
Vertreibt CCH derzeit Solid-State-LiDAR international?
Derzeit nicht CCH entwickelt die Solid-State-LiDAR-Technologie, aber Solid-State-LiDAR wird derzeit nicht als internationale CCH-Produktlinie angeboten Aktuelle internationale LiDAR-Angebote konzentrieren sich auf industrielles 2 D-LiDAR.
Wählen Sie die richtige LiDAR-Architektur
Benötigen Sie LiDAR für ein AGV- oder Industrieautomatisierungsprojekt?
Wenn Ihre Anwendung horizontale Entfernungs, Lokalisierungs, Erkennungs - oder Navigationsdaten erfordert, bietet CCH industrial 2 D LiDAR möglicherweise eine einfachere Lösung, zum Schutz des Personals verwenden Sie einen Sicherheitslaserscanner, der für die erforderliche Sicherheitsfunktion ausgelegt ist.