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Sensores LiDAR 3 D explicados: tecnologia, tipos de digitalização e como escolher
01 · Guia de Tecnologia LiDAR
O que é um Sensor LiDAR 3D?
Um sensor LiDAR 3 D mede a distância em várias direções horizontais e verticais para criar um nuvem de pontos tridimensional. Isto permite que robôs, veículos e sistemas de automação percebam geometria espacial que não pode ser representada por um único plano de varredura horizontal.
LiDAR & Luminoso Detecção e Ranging (Light Detection) é uma tecnologia de detecção óptica ativa Como o sensor fornece sua própria iluminação óptica, não depende da iluminação visível da cena da mesma forma que uma câmera passiva O desempenho da medição ainda pode ser influenciado pela luz solar, refletividade do alvo, clima, ângulo de superfície e design do sensor.
Escopo do produto CCH
CCH atualmente concentra sua oferta internacional LiDAR em 2 D LiDAR industrial.3 D LiDAR é abordado neste artigo como um tópico de tecnologia educacional, em vez de uma linha de produtos CCH atualmente oferecida.
Conceito de Nuvem de Pontos 3D
Ilustração conceitual. A densidade e cobertura real da nuvem de pontos dependem da arquitetura do sensor, do campo de visão e do método de digitalização.
02 Princípio Medição
Como funciona o LiDAR 3 D: da medição a laser à nuvem de pontos
Um LiDAR 3 D mede repetidamente a distância em muitas direções horizontais e verticais Cada medição está associada à sua direção de varredura, permitindo que o sensor ou software downstream construa uma representação espacial do ambiente circundante.
01
Emitir Luz
A energia óptica é direcionada para partes selecionadas da cena circundante.
02
Reflita de um alvo
Parte da energia emitida é refletida por objetos e superfícies do ambiente.
03
Medir o Retorno
O receptor detecta a luz retornada e o sistema de alcance deriva informações relacionadas à distância do alvo.
04
Combine distância e direção
As medições de distância estão associadas às direções de varredura horizontais e verticais correspondentes.
05
Criar a Nuvem de Pontos
Medições repetidas produzem pontos espaciais que descrevem a geometria que envolve o sensor.
Princípio de Variação Comum
Tempo de voo (ToF) LiDAR
Muitos sistemas LiDAR usam medição de Tempo de Voo, onde a distância é derivada do tempo de viagem da luz emitida e seu retorno detectado Outros projetos LiDAR podem usar diferentes princípios de alcance óptico, portanto, o método de medição subjacente deve ser verificado para o sensor específico que está sendo avaliado.
Faixa de trabalho
Depende do projeto do sensor, refletividade do alvo, tamanho do alvo, ângulo de incidência e condições ambientais.
Resolução Angular
Descreve o espaçamento angular entre as medições nas direções horizontal e vertical.
Taxa de pontos
Descreve o rendimento da medição, mas por si só não determina a qualidade da nuvem de pontos ou o desempenho do aplicativo.
Quadro /Taxa de digitalização
Influencia a frequência com que a geometria circundante é atualizada à medida que o sensor, robô ou ambiente se move.
Alcance, resolução angular, padrão de varredura, distribuição de pontos, taxa de atualização, propriedades de destino, ambiente e processamento de software devem ser avaliados juntos, em vez de depender de uma especificação de título.
03 Arquiteturas Varredura
Tipos 3 D LiDAR: Mecânico, MEMS, Flash & OPA
“3 D LiDAR” descreve um tipo de saída de medição espacial em vez de uma única arquitetura de hardware Diferentes tecnologias dirigem ou distribuem energia óptica de diferentes maneiras, criando diferentes características de campo de visão, embalagem, padrão de varredura e desempenho.
LiDAR Mecânico
O LiDAR 3 D mecânico usa conjuntos rotativos ou móveis para varrer as medições através do ambiente circundante.
- Pode fornecer ampla cobertura horizontal
- Arquitetura de digitalização bem estabelecida
- Inclui componentes mecânicos móveis
MEMS LiDAR
MEMS LiDAR usa espelhos móveis microscópicos para dirigir o feixe através de um campo de visão definido sem girar a caixa completa do sensor.
- Digitalização direcional compacta
- O campo de visão depende fortemente da implementação
- Útil onde o tamanho do pacote é importante
Flash LiDAR
O Flash LiDAR ilumina uma cena mais ampla e mede a profundidade em um receptor de imagem, em vez de digitalizar mecanicamente cada direção em sequência.
- Não é necessário nenhum mecanismo de digitalização convencional
- Pode suportar projetos compactos do estado sólido
- As compensações de alcance, potência e luz ambiente variam de acordo com o design
OPA LiDAR
O LiDAR óptico de phased array direciona a energia óptica eletronicamente, controlando a relação de fase entre vários elementos emissores.
- Nenhum mecanismo de direção mecânica macroscópica
- Potencial para projetos de sensores altamente integrados
- O desempenho e a maturidade comercial variam de acordo com a implementação
O que significa “Solid-State LiDAR”?
O termo LiDAR de estado sólido é usado para uma família de arquiteturas que reduzem ou eliminam os conjuntos de scanners rotativos convencionais As tecnologias MEMS, Flash e OPA podem aparecer todas em discussões sobre LiDAR de estado sólido, mas usam diferentes abordagens de detecção e direção de feixe.
E quanto à digitalização não repetitiva?
A varredura não repetitiva descreve como os pontos de medição são distribuídos ao longo do tempo, em vez de uma única arquitetura de hardware LiDAR Em sistemas que usam padrões de varredura não repetidos, a cobertura acumulada pode se tornar mais densa à medida que mais medições são coletadas Se isso é benéfico depende do movimento, do tempo de integração, da geometria do objeto e do algoritmo de percepção downstream.
04 Comparação Tecnologia
LiDAR 2 D vs LiDAR 3 D: Qual se encaixa no aplicativo?
3 D LiDAR não é automaticamente uma atualização do 2 D LiDAR A melhor escolha depende se o aplicativo requer um plano de varredura horizontal ou informações volumétricas verdadeiras.
Requisito
LiDAR 2D
LiDAR 3D
Plano de varredura horizontal
Forte ajuste
Pode fornecer mais informações do que o necessário
Geometria vertical
Limitado ao plano de varredura
Disponível através de medições de múltiplas alturas
Complexidade de dados
Inferior
Superior
Requisito de processamento
Geralmente mais baixo
Geralmente mais alto
Percepção volumétrica
Não, de um único plano de varredura
Sim
Mapeamento e localização
Comum onde a geometria planar é suficiente
Útil onde a estrutura 3 D importa
Quando 2 D LiDAR Pode Ser o Melhor Ajuste
Alcance horizontal, localização AGV, posicionamento de objetos, detecção industrial e muitas tarefas de automação geralmente podem ser tratadas com um plano de varredura 2 D mais simples.
Explore CCH Industrial 2 D LiDAR →Quando o LiDAR 3 D adiciona informações úteis
Se a altura do obstáculo, estruturas salientes, geometria vertical ou mapeamento volumétrico forem importantes, uma nuvem de pontos 3 D pode fornecer informações indisponíveis a partir de um único plano horizontal.
05 Diferença Funcional
3 D LiDAR vs Scanner a Laser de Segurança
Os scanners industriais LiDAR e laser de segurança podem usar princípios de alcance relacionados, mas servem a diferentes funções do sistema Um sensor de percepção não deve ser assumido como fornecendo uma função de segurança certificada.
Dados Automação
LiDAR 2 D Industrial
Fornece informações horizontais de distância e varredura para tarefas de automação, alcance, localização, posicionamento e detecção.
- Plano de varredura horizontal
- Navegação /localização
- Posicionamento objeto
- Alcance industrial
Percepção Volumétrica
LiDAR 3D
Gera dados tridimensionais de nuvem de pontos para mapeamento, percepção e aplicações onde a geometria vertical é importante.
- Nuvens de pontos 3D
- Mapeamento volumétrico
- Informações de obstáculos de várias alturas
- Percepção robótica
Função Segurança
Scanner a laser de segurança
Projetado e certificado para monitoramento de áreas relacionadas à segurança quando usado em uma máquina apropriada ou sistema de segurança de robô móvel.
- Campos protetores
- Campos de advertência
- Resultados relacionados à segurança
- Proteção pessoal
Um LiDAR padrão de percepção 2 D ou 3 D não deve ser tratado como um scanner a laser de segurança, a menos que o dispositivo e a função específicos tenham a certificação de segurança funcional necessária.
06 Aplicações Industriais
Onde 3 D LiDAR Faz Sentido na Automação Industrial
3 D LiDAR torna-se particularmente útil quando a aplicação precisa de informações sobre altura, objetos salientes, geometria vertical ou estrutura tridimensional completa.
01
AGV /Percepção AMR e SLAM
Os dados de nuvem de pontos 3 D podem suportar mapeamento e localização em ambientes onde estruturas verticais, racks, saliências ou geometria de vários níveis contribuem com recursos úteis de localização.
02
Mapeamento 3 D & Topografia
Medições espaciais densas podem ser usadas para criar modelos tridimensionais de espaços industriais, estruturas e outros ambientes.
03
Detecção de obstáculos de múltiplas alturas
Um sensor 3 D pode fornecer informações sobre objetos acima ou abaixo de um único plano de varredura horizontal, incluindo estruturas salientes ou objetos com forma vertical significativa.
04
Percepção Robótica e Autônoma
Robôs móveis e sistemas autônomos podem combinar LiDAR 3 D com câmeras, IMUs, odometria e software de percepção para entender ambientes complexos.
O LiDAR 3 D não realiza classificação, mapeamento ou navegação por si só Essas funções normalmente dependem de software downstream, algoritmos e, em muitos sistemas, sensores adicionais.
07 Fatores de Seleção
Como Avaliar um Sensor LiDAR 3D
Uma comparação útil de LiDAR 3 D olha além do alcance máximo ou da taxa total de pontos Avalie as especificações que afetam a cena real, a posição de montagem, as propriedades de destino, o ambiente e a arquitetura de software.
01
Faixa de trabalho
Verifique as condições por trás da faixa publicada, incluindo refletividade do alvo, tamanho do alvo, ângulo de incidência e condições ambientais.
02
Precisão e repetibilidade
A precisão descreve a proximidade com a distância real, enquanto a repetibilidade descreve a consistência em medições repetidas.
03
Resolução Angular
A resolução angular necessária depende do tamanho do objeto, da distância de trabalho e do nível de detalhe espacial necessário para a aplicação.
04
Campo de Vista
Não assuma que cada LiDAR 3 D fornece cobertura de 360° O campo de visão horizontal e vertical varia significativamente entre as arquiteturas.
05
Classificação de ambiente e IP
Considere a temperatura, poeira, água, luz solar, neblina, chuva e contaminação da janela óptica. Verifique o gabinete real e a classificação IP especificada para o sensor.
06
Interface e software
Avalie a comunicação Ethernet, carimbos de data/hora, sincronização, disponibilidade de SDK e compatibilidade com ROS ou ROS 2 quando estes forem relevantes para o projeto.
07
Comprimento de onda e segurança a laser
Os sistemas LiDAR podem operar em comprimentos de onda como 905 nm ou 1550 nm. O comprimento de onda influencia o design óptico e a seleção do detector, mas não deve ser tratado como um indicador independente do desempenho geral.
08
Padrão de digitalização e dados de devolução
Compare a distribuição pontual repetitiva ou não repetitiva e se o sensor fornece informações de retorno único, retorno múltiplo ou outras informações de eco necessárias ao algoritmo de percepção.
905 nm · 1550 nm · Classificação a Laser
O comprimento de onda é apenas uma parte do design
Ambos 905nm e 1550nm comprimentos de onda são usados em sistemas LiDAR Diferenças em emissores, detectores, óptica, potência, resposta alvo e arquitetura do sistema significam comprimento de onda por si só não determina faixa utilizável ou qualidade de medição.
Para qualquer sensor, verifique a classificação de segurança a laser do fabricante e o aplicável CEI 60825-1 documentação. Onde um produto é especificado como Classe 1, confirme essa classificação a partir da documentação real do produto, em vez de assumi-la apenas pelo comprimento de onda.
Distribuição de pontos · Eco/Informações de devolução
Mais pontos ou mais ecos não são automaticamente melhores
O padrão de varredura determina onde as medições aparecem ao longo do tempo. A varredura não repetitiva pode distribuir pontos de maneira diferente de um padrão de varredura repetido, enquanto informações de retorno múltiplo ou eco múltiplo podem fornecer informações adicionais de cenas ópticas complexas.
A configuração útil depende da aplicação, geometria do alvo, condições ambientais, tempo de atualização e como o software de percepção downstream processa os dados retornados.
Avalie as especificações nas condições que importam para a aplicação.
Dois sensores LiDAR 3 D com números de intervalo de manchete ou taxa de pontos semelhantes podem se comportar de maneira muito diferente quando campo de visão, comprimento de onda, padrão de varredura, refletividade, condições ambientais, dados de retorno e integração de software são considerados em conjunto.
08 Limitações e perguntas frequentes
Limitações 3 D LiDAR & Perguntas Comuns
LiDAR é uma tecnologia óptica ativa, mas o desempenho da medição ainda depende do ambiente, da superfície alvo e da arquitetura de detecção.
Chuva, neblina e neve
Gotículas de água e partículas transportadas pelo ar podem reduzir o alcance efetivo ou introduzir retornos adicionais.
Luz solar
A forte energia óptica ambiente pode afetar o desempenho sinal-ruído, dependendo do design do sensor.
Reflexividade Alvo
Superfícies escuras, reflexivas ou altamente angulares podem produzir diferentes comportamentos de medição.
Carga de processamento
Nuvens de pontos densas em 3 D exigem mais largura de banda de rede, processamento e software do que uma simples varredura em 2 D.
O que é um sensor LiDAR 3 D?
Um LiDAR 3 D mede a distância em várias direções horizontais e verticais e combina essas medições em uma nuvem de pontos tridimensional que representa a geometria circundante.
O LiDAR 3 D pode funcionar em completa escuridão?
Sim. LiDAR fornece sua própria iluminação óptica e, portanto, não requer iluminação de cena visível da mesma forma que uma câmera passiva No entanto, o desempenho ainda pode ser afetado pelas condições ambientais e propriedades do alvo.
O que são dados de nuvem de pontos?
Uma nuvem de pontos é uma coleção de pontos de medição espacial, normalmente representados por coordenadas X, Y e Z e, às vezes, informações adicionais, como intensidade de retorno.
Qual é a diferença entre 2 D LiDAR e 3 D LiDAR?
Um LiDAR 2 D normalmente mede dentro de um plano de varredura horizontal, enquanto um LiDAR 3 D também captura informações verticais A detecção 2 D é frequentemente suficiente para alcance e localização plana, enquanto a detecção 3 D é útil quando a geometria volumétrica é importante.
O LiDAR 3 D substitui um scanner a laser de segurança?
Não automaticamente. Uma percepção LiDAR não deve ser tratada como um dispositivo de segurança, a menos que o produto e a função específicos tenham a certificação de segurança funcional exigida. Os scanners a laser de segurança são projetados especificamente para monitoramento de áreas relacionadas à segurança.
O que afeta a faixa 3 D LiDAR?
O alcance depende de fatores que incluem arquitetura do sensor, refletividade do alvo, tamanho do alvo, ângulo de incidência, luz solar, clima, contaminação e o limite de medição usado pelo sensor.
LiDAR mecânico vs de estado sólido: qual é a diferença?
O LiDAR mecânico usa conjuntos de varredura móveis, enquanto as abordagens de estado sólido reduzem ou eliminam os mecanismos rotativos convencionais. MEMS, Flash e OPA são tecnologias diferentes que podem ser discutidas dentro da categoria mais ampla de estado sólido.
Quantos pontos por segundo um LiDAR 3 D precisa?
Não há exigência universal de taxa de pontos A densidade necessária depende do tamanho do objeto, distância de trabalho, campo de visão, resolução angular, velocidade do veículo e do algoritmo de percepção ou mapeamento.
Quanto custa um LiDAR 3 D?
O preço varia amplamente com arquitetura, alcance, campo de visão, classificação ambiental, volume de produção, suporte de software e desempenho de medição Para projetos industriais, o custo total de integração é muitas vezes mais significativo do que o preço do sensor sozinho.
Qual é a diferença entre 3 D LiDAR e 4 D LiDAR?
“4 D LiDAR” é comumente usado para sistemas que combinam medições espaciais 3 D com informações adicionais relacionadas ao movimento, como velocidade radial O significado exato pode variar entre os fabricantes.
Escolha a Abordagem de Sensoriamento Certa
Precisa do LiDAR para um AGV ou Projeto de Automação Industrial?
Se a sua aplicação pode ser resolvida com alcance horizontal, localização ou detecção industrial, explore o LiDAR 2 D industrial CCH. Para proteção de robô móvel relacionada à segurança, revise a faixa de scanner a laser de segurança SH27.