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Lidar de estado sólido: una guía de ingeniería en profundidad sobre principios de trabajo, compensaciones de desempeño y evaluación del comprador
01 · Guía de Tecnología LiDAR
Qué es Lidar de state solid?
Lidar de estado sólido describe una familia de tecnologías LiDAR que reducen o eliminan los conjuntos de escaneo giratorios convencionales utilizados en muchos sistemas LiDAR mecánicos.
El término no describe una única arquitectura de sensor. MEMS, Flash LiDAR y tecnologías ópticas de matriz en fase pueden aparecer en discusiones sobre LiDAR de estado sólido, pero dirigen o distribuyen la luz de diferentes maneras y tienen diferentes características de campo de visión, empaquetado y rendimiento.
Alcance del producto CCH
CCH está desarrollando tecnología LiDAR de estado sólido, pero actualmente LiDAR de estado sólido no se ofrece como una línea internacional de productos CCH. Este artículo se proporciona como guía tecnológica.
Concepto LiDAR de estado sólido
Sólo ilustración conceptual. Los patrones reales de dirección y escaneo del haz dependen de la arquitectura LiDAR de estado sólido específica.
02 Terminología de Arquitectura
Mecánico, MEMS y LiDAR de estado totalmente sólido
La terminología LiDAR no siempre se utiliza de forma coherente en toda la industria. Comprender cómo el sensor realmente escanea el entorno es más útil que confiar únicamente en la etiqueta de marketing.
Lidar mecánico
El LiDAR mecánico utiliza conjuntos móviles macroscópicos para barrer las mediciones a través de la escena circundante.
- Conjunto de escáner giratorio o móvil
- Puede proporcionar una cobertura de escaneo de área amplia
- Arquitectura establecida en muchas aplicaciones
MEMS LiDAR
MEMS LiDAR elimina el conjunto del escáner giratorio completo pero aún utiliza un espejo móvil microscópico para dirigir el haz. Por esta razón, los sistemas MEMS a veces se describen como lidar de estado cuasi sólido.
- No hay conjunto de sensor giratorio completo
- Utiliza un elemento óptico móvil microscópico
- Admite diseños de escaneo direccional compactos
Lidar de estado totalmente sólido
Arquitecturas como Flash LiDAR o conjuntos ópticos en fase pueden distribuir o dirigir la luz sin un conjunto de escaneo mecánico o giratorio convencional.
- Sin escáner giratorio tradicional
- Potencial de embalaje altamente integrado
- FoV y el rendimiento siguen dependiendo de la arquitectura
El término “LiDAR de estado sólido” se utiliza ampliamente en la literatura comercial. Al comparar sensores, verifique el mecanismo real de dirección del haz, el principio de alcance y el patrón de escaneo en lugar de asumir que cada producto descrito como estado sólido se comporta de la misma manera.
03 Tecnologías de dirección por haz
MEMS LiDAR frente a Flash LiDAR frente a OPA LiDAR
MEMS, Flash y LiDAR de matriz óptica en fase a menudo se agrupan bajo el paraguas LiDAR de estado sólido, pero crean el campo de medición de maneras muy diferentes.
MEMS LiDAR
Un espejo microscópico dirige el rayo láser a través de un campo de visión definido. El sensor completo no gira, aunque el espejo MEMS se mueve.
Dirección de haz
Movimiento de microespejo
Fuerza típica
Escaneo direccional compacto y patrones configurables
Compensación
La dinámica del FoV y del escaneo depende en gran medida del diseño óptico
Flash LiDAR
Flash LiDAR ilumina una escena más amplia al mismo tiempo y mide la profundidad utilizando un receptor de imágenes en lugar de una dirección de haz secuencial.
Dirección de haz
Sin escáner secuencial convencional
Fuerza típica
Detección compacta y captura simultánea de escenas
Compensación
La potencia, la sensibilidad del receptor y el rendimiento de la luz ambiental varían según el diseño
OPA LiDAR
Los conjuntos ópticos en fase dirigen la luz electrónicamente controlando la relación de fase entre múltiples elementos emisores ópticos.
Dirección de haz
Control electrónico de fase óptica
Fuerza típica
Potencial de dirección no mecánica altamente integrada
Compensación
FoV, eficiencia, fabricación y madurez comercial varían
Ninguna de estas arquitecturas es universalmente superior. La mejor opción depende del campo de visión, la distancia de trabajo, la distribución de puntos, el tamaño del paquete, los requisitos ambientales, el costo, la integración del software y la tarea de percepción específica.
04 Medición de distancia
dTof, iToF y FMCW: cómo el LiDAR de estado sólido mide la distancia
La dirección del haz y la medición de la distancia son partes diferentes de la arquitectura LiDAR. Un sensor puede utilizar un método para dirigir la luz y otro método para calcular la distancia.
Dirección de haz respuestas “¿dónde mira el sensor?” mientras tecnología variada respuestas “¿cómo se calcula la distancia objetivo?” Por lo tanto, MEMS, Flash u OPA no deben confundirse con dToF, iToF o FMCW.
dToF
El tiempo de vuelo directo mide el tiempo de viaje entre la energía óptica emitida y su retorno detectado, convirtiendo esa información de tiempo en distancia.
iTof
El tiempo de vuelo indirecto deriva la distancia de la relación de fase entre la luz emitida modulada y la señal óptica recibida.
FMCW LiDAR
Lidar de onda continua modulada en frecuencia utiliza técnicas ópticas coherentes e información de frecuencia para derivar información relacionada con el alcance y, en algunas implementaciones, con el movimiento.
El método de alcance influye en la tecnología de los detectores, la arquitectura óptica, el procesamiento de señales y el rendimiento del sistema. Ningún principio de alcance debe evaluarse aisladamente del diseño completo del sensor.
05 Longitud de onda óptica
Lidar de 905 nm frente a 1550 nm
La longitud de onda afecta la tecnología del emisor, la elección del detector, el diseño óptico y las consideraciones de seguridad del láser, pero no determina por sí sola si un LiDAR tendrá mejor alcance o rendimiento general.
Lidar de infrarrojo cercano
905 nm
Lidar de 905 nm se utiliza ampliamente en sistemas de percepción y alcance. Su rendimiento depende del diseño completo del emisor, detector, óptica, filtrado y procesamiento de señales.
Lidar infrarrojo de onda corta
1550 nm
Lidar de 1550 nm utiliza diferentes componentes ópticos y tecnologías de detectores. Ofrece diferentes compensaciones a nivel de sistema en lugar de garantizar automáticamente un mayor alcance o una mejor medición.
Tecnología detectora
Los materiales del receptor y la sensibilidad difieren según la longitud de onda.
Componentes ópticos
Las lentes, filtros y revestimientos deben coincidir con el diseño óptico.
Respuesta objetivo
La reflectividad de la superficie varía según la longitud de onda y el material.
Costo del sistema
El costo depende de la arquitectura óptica y electrónica completa.
Seguridad láser: verifique la clasificación láser real del fabricante y la documentación IEC 60825-1 aplicable. Un producto descrito como Clase 1 debe confirmarse a partir de la documentación específica del producto en lugar de inferirse únicamente de la longitud de onda.
06 Robótica y Automatización
Lidar de estado sólido para AGV, AMR y robótica
Las arquitecturas LiDAR compactas pueden resultar atractivas para robots móviles y sistemas de automatización donde el tamaño del paquete, el campo de visión y la integración de la percepción son importantes. La arquitectura adecuada depende de la geometría de escaneo requerida, las limitaciones de integración y el software de navegación.
01
Localización AGV/AMR
Las mediciones LiDAR pueden proporcionar características geométricas utilizadas por el software de navegación para la localización y coincidencia de mapas.
02
SLAM y mapeo
Los datos de escaneo o nube de puntos pueden admitir localización y mapeo simultáneos cuando se combinan con algoritmos y datos de movimiento adecuados.
03
Percepción de obstáculos
LiDAR puede proporcionar información de distancia y geometría utilizada por el software de percepción posterior para detectar o caracterizar objetos.
04
Fusión de sensores
Los sistemas robóticos pueden combinar LiDAR con cámaras, IMU, odometría de ruedas y otros sensores para mejorar la comprensión ambiental.
LiDAR proporciona datos de medición en lugar de navegación completa o clasificación de objetos por sí solo. SLAM, localización, clasificación de obstáculos y planificación de movimiento dependen del software posterior y del sistema robótico completo.
07 Factores de selección
Cómo evaluar un sensor LiDAR de estado sólido
Compare sensores en las condiciones que importan con la aplicación real. El rango de titulares o los números de velocidad de puntos por sí solos no describen el rendimiento completo del sistema.
01
Condiciones de alcance y prueba
Verifique la reflectividad del objetivo, el tamaño del objeto, el ángulo de incidencia y las condiciones ambientales detrás del rango de trabajo indicado.
02
Campo de visión
Compare FoV horizontal y vertical con la posición de montaje real y la cobertura requerida por la aplicación.
03
Resolución angular
La resolución debe evaluarse en función del tamaño del objetivo, la distancia de trabajo y el detalle espacial necesario para la percepción posterior.
04
Distribución puntual
La tasa de puntos por sí sola no muestra dónde aparecen las mediciones dentro del campo de visión o cómo cambia la densidad con el tiempo.
05
Tasa de actualización
La velocidad de fotogramas o escaneo afecta la rapidez con la que se actualiza el entorno cuando los objetos o la plataforma del sensor se mueven.
06
Reflectividad objetivo
Las superficies oscuras, reflectantes y muy anguladas pueden producir un comportamiento de medición diferente y un rango de detección efectivo.
07
Calificación de entorno e propiedad intelectual
Considere la temperatura, la luz solar, el polvo, la lluvia, la niebla, la entrada de agua y la contaminación de la ventana óptica.
08
Interfaz y SDK
Revise la comunicación Ethernet, las marcas de tiempo, la sincronización, la compatibilidad con SDK y la compatibilidad con ROS / ROS 2 cuando sea necesario.
Datos multiecológicos/multidevolución
Algunos LiDAR proporcionan más de un retorno o eco desde una dirección de medición. La información de retorno adicional puede ser útil en escenas complejas, pero no debe interpretarse como una solución universal para la lluvia, la niebla, el polvo o objetivos transparentes. Su valor depende de la implementación del sensor y del software posterior.
Compare la arquitectura de detección completa: la dirección del haz, el método de alcance, la longitud de onda, el campo de visión, la distribución del punto, el entorno, la interfaz y el software deben considerarse juntos.
08 Limitaciones y preguntas frecuentes
Limitaciones y preguntas comunes del LiDAR de estado sólido
El embalaje compacto no elimina las limitaciones ópticas y ambientales normales de LiDAR. El rendimiento en el mundo real todavía depende de la arquitectura de detección, la escena y las condiciones operativas.
Luz del sol
Una energía óptica ambiental potente puede reducir el rendimiento de la señal al ruido dependiendo de la longitud de onda, el filtrado y el diseño del receptor.
Lluvia, niebla y polvo
Las partículas y gotas transportadas por el aire pueden atenuar la luz o crear retornos adicionales.
Superficies reflectantes
Los objetivos oscuros, brillantes, transparentes o muy angulados pueden producir un comportamiento de medición diferente.
Diseño Térmico
El embalaje compacto de los sensores aún requiere una gestión óptica, electrónica y térmica adecuada.
¿el LiDAR de estado sólido está realmente completamente libre de piezas móviles?
Depende de la arquitectura y terminología que se utilice. Los diseños Flash y OPA pueden evitar la dirección mecánica convencional del haz, mientras que MEMS LiDAR normalmente utiliza un espejo móvil microscópico y, a veces, se describe como de estado casi sólido.
¿cuál es la diferencia entre MEMS LiDAR y LiDAR de estado sólido?
MEMS LiDAR es una arquitectura que a menudo se incluye dentro de la categoría comercial más amplia de LiDAR de estado sólido. Utiliza un pequeño microespejo móvil en lugar de un conjunto de escáner giratorio completo.
¿cuál es la diferencia entre Flash LiDAR y MEMS LiDAR?
MEMS LiDAR dirige secuencialmente las mediciones a través de un campo de visión usando un microespejo, mientras que Flash LiDAR ilumina una escena más amplia y mide la profundidad usando un receptor de imágenes.
¿el LiDAR de 1550 nm siempre es mejor que el LiDAR de 905 nm?
No. La longitud de onda afecta la tecnología del detector, el diseño óptico y los límites de seguridad del láser, pero el alcance utilizable y la calidad de la medición dependen de la arquitectura completa del sensor.
¿puede el LiDAR de estado sólido funcionar a la luz del sol?
LiDAR puede funcionar durante el día, pero la fuerte energía óptica ambiental afecta el rendimiento de la señal al ruido de manera diferente según los diseños de los sensores. El rendimiento real de la luz solar debe comprobarse en las condiciones relevantes para la aplicación.
¿lidar de estado sólido funciona bajo la lluvia o la niebla?
La lluvia, la niebla, la nieve y las partículas en el aire pueden atenuar las señales ópticas o crear retornos adicionales. El efecto depende de la longitud de onda, el diseño del sensor, la severidad del clima y el procesamiento.
¿es LiDAR de estado sólido adecuado para la navegación AGV y AMR?
Puede serlo, siempre que el campo de visión, el alcance, la distribución de puntos, la velocidad de actualización y la interfaz del software se ajusten a la arquitectura de navegación. Muchas aplicaciones AGV y AMR también se pueden resolver con LiDAR 2D industrial cuando un plano de escaneo horizontal proporciona suficiente información ambiental.
¿es LiDAR de estado sólido lo mismo que un escáner láser de seguridad?
No. “Estado sólido” describe la arquitectura del sensor, no la certificación de seguridad funcional. Un LiDAR no debe usarse como escáner láser de seguridad a menos que el dispositivo y la función específicos tengan la certificación de seguridad requerida.
Lidar mecánico vs LiDAR de estado sólido: ¿cuál es mejor?
Ninguno de los dos es universalmente mejor. Mechanical LiDAR puede ofrecer una amplia cobertura de escaneo, mientras que los enfoques de estado sólido pueden admitir empaques compactos y diferentes patrones de escaneo. La elección correcta depende de la aplicación.
¿es LiDAR de estado sólido más barato?
No necesariamente. El costo depende de los componentes ópticos, emisores, detectores, empaque, volumen de producción, requisitos de rendimiento y soporte de software. La arquitectura por sí sola no determina el precio.
¿cch vende actualmente LiDAR de estado sólido a nivel internacional?
Actualmente no. CCH está desarrollando tecnología LiDAR de estado sólido, pero LiDAR de estado sólido no se ofrece actualmente como una línea internacional de productos CCH. Las ofertas internacionales actuales de LiDAR se centran en LiDAR 2D industrial.
Elija la arquitectura LiDAR adecuada
¿necesita LiDAR para un AGV o proyecto de automatización industrial?
Si su aplicación requiere datos de navegación, localización, detección o alcance horizontal, CCH industrial 2D LiDAR puede proporcionar una solución más sencilla. Para la protección del personal, utilice un escáner láser de seguridad diseñado para la función de seguridad requerida.