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LiDAR de estado sólido: um guia de engenharia aprofundado para princípios de trabalho, compensações de desempenho e avaliação do comprador
01 · Guia de Tecnologia LiDAR
O que é LiDAR de estado sólido?
O LiDAR de estado sólido descreve uma família de tecnologias LiDAR que reduzem ou eliminam os conjuntos de varredura rotativa convencionais usados em muitos sistemas LiDAR mecânicos.
O termo não descreve uma única arquitetura de sensor. As tecnologias MEMS, Flash LiDAR e phased array óptico podem aparecer em discussões sobre LiDAR de estado sólido, mas direcionam ou distribuem luz de maneiras diferentes e têm diferentes características de campo de visão, embalagem e desempenho.
Escopo do produto CCH
A CCH está desenvolvendo a tecnologia LiDAR de estado sólido, mas o LiDAR de estado sólido não é oferecido atualmente como uma linha internacional de produtos CCH Este artigo é fornecido como um guia de tecnologia.
Conceito LiDAR de estado sólido
Apenas ilustração conceitual. Os padrões reais de direção e varredura do feixe dependem da arquitetura LiDAR específica de estado sólido.
02 Terminologia Arquitetura
LiDAR mecânico, MEMS e totalmente de estado sólido
A terminologia LiDAR nem sempre é usada de forma consistente em toda a indústria Entender como o sensor realmente varre o ambiente é mais útil do que confiar apenas no rótulo de marketing.
LiDAR Mecânico
O LiDAR mecânico usa conjuntos móveis macroscópicos para varrer as medições pela cena circundante.
- Conjunto de scanner giratório ou móvel
- Pode fornecer cobertura de varredura de área ampla
- Arquitetura estabelecida em muitas aplicações
MEMS LiDAR
MEMS LiDAR remove o conjunto de scanner rotativo completo, mas ainda usa um espelho móvel microscópico para direção de feixe Por esta razão, os sistemas MEMS são às vezes descritos como lidar quase-estado sólido.
- Nenhum conjunto completo do sensor giratório
- Usa um elemento óptico móvel microscópico
- Suporta designs compactos de digitalização direcional
LiDAR totalmente de estado sólido
Arquiteturas como Flash LiDAR ou matrizes ópticas em fases podem distribuir ou direcionar a luz sem um conjunto convencional de varredura rotativa ou mecânica.
- Nenhum scanner rotativo tradicional
- Potencial para embalagens altamente integradas
- FoV e desempenho permanecem dependentes da arquitetura
O termo LiDAR“ de estado sólido é amplamente utilizado na literatura comercial. Ao comparar sensores, verifique o mecanismo real de direção do feixe, o princípio de alcance e o padrão de varredura em vez de assumir que todo produto descrito como estado sólido se comporta da mesma maneira.
03 Tecnologias de direção de feixe
MEMS LiDAR vs Flash LiDAR vs OPA LiDAR
MEMS, Flash e LiDAR óptico de phased array são frequentemente agrupados sob o guarda-chuva LiDAR de estado sólido, mas criam o campo de medição de maneiras muito diferentes.
MEMS LiDAR
Um espelho microscópico dirige o feixe de laser através de um campo de visão definido O sensor completo não gira, embora o próprio espelho MEMS se mova.
Direção Feixe
Movimento micro-espelho
Força Típica
Varredura direcional compacta e padrões configuráveis
Compensação
FoV e dinâmica de varredura dependem fortemente do design óptico
Flash LiDAR
O Flash LiDAR ilumina uma cena mais ampla ao mesmo tempo e mede a profundidade usando um receptor de imagem em vez de direção de feixe sequencial.
Direção Feixe
Nenhum scanner sequencial convencional
Força Típica
Sensoriamento compacto e captura simultânea de cena
Compensação
A potência, a sensibilidade do receptor e o desempenho da luz ambiente variam de acordo com o design
OPA LiDAR
Matrizes ópticas em fases direcionam a luz eletronicamente, controlando a relação de fase entre vários elementos emissores ópticos.
Direção Feixe
Controle óptico eletrônico de fase
Força Típica
Potencial para direção não mecânica e altamente integrada
Compensação
FoV, eficiência, fabricação e maturidade comercial variam
Nenhuma dessas arquiteturas é universalmente superior A melhor escolha depende do campo de visão, distância de trabalho, distribuição de pontos, tamanho do pacote, requisitos ambientais, custo, integração de software e a tarefa de percepção específica.
04 Medição Distância
dToF, iToF e FMCW: como o LiDAR de estado sólido mede a distância
A direção do feixe e a medição da distância são partes diferentes da arquitetura LiDAR Um sensor pode usar um método para direcionar a luz e outro método para calcular a distância.
Direção feixe respostas “para onde está o sensor?” enquanto tecnologia variando respostas “como é calculada a distância alvo?” MEMS, Flash ou OPA, portanto não deve ser confundido com dToF, iToF ou FMCW.
dToF
O Tempo de Voo Direto mede o tempo de viagem entre a energia óptica emitida e seu retorno detectado, convertendo essas informações de tempo em distância.
iToF
O tempo de voo indireto deriva a distância da relação de fase entre a luz emitida modulada e o sinal óptico recebido.
FMCW LiDAR
O LiDAR de onda contínua modulada em frequência usa técnicas ópticas coerentes e informações de frequência para derivar o alcance e, em algumas implementações, informações relacionadas ao movimento.
O método de alcance influencia a tecnologia do detector, a arquitetura óptica, o processamento de sinais e o desempenho do sistema Nenhum princípio de alcance deve ser avaliado isoladamente do projeto completo do sensor.
05 Comprimento de onda óptico
905 nm vs 1550 nm LiDAR
O comprimento de onda afeta a tecnologia do emissor, a escolha do detector, o design óptico e as considerações de segurança do laser, mas por si só não determina se um LiDAR terá melhor alcance ou desempenho geral.
LiDAR no infravermelho próximo
905nm
905 nm LiDAR é amplamente utilizado em sistemas de alcance e percepção Seu desempenho depende do emissor completo, detector, óptica, filtragem e design de processamento de sinal.
LiDAR infravermelho de onda curta
1550nm
1550 nm LiDAR usa diferentes componentes ópticos e tecnologias de detector Ele oferece diferentes trade-offs no nível do sistema, em vez de garantir automaticamente maior alcance ou melhor medição.
Tecnologia Detector
Os materiais receptores e a sensibilidade diferem com o comprimento de onda.
Componentes Ópticos
As lentes, filtros e revestimentos devem corresponder ao desenho óptico.
Resposta Alvo
A refletividade da superfície varia com o comprimento de onda e o material.
Custo do sistema
O custo depende da arquitetura óptica e eletrônica completa.
Segurança do laser: verificar a classificação real do fabricante a laser e a documentação aplicável da IEC 60825-1. um produto descrito como Classe 1 deve ser confirmado a partir da documentação específica do produto, em vez de inferido apenas a partir do comprimento de onda.
06 Robótica e Automação
LiDAR de estado sólido para AGV, AMR e robótica
Arquiteturas LiDAR compactas podem ser atraentes para robôs móveis e sistemas de automação onde o tamanho do pacote, o campo de visão e a integração da percepção são importantes A arquitetura apropriada depende da geometria de varredura necessária, das restrições de integração e do software de navegação.
01
Localização AGV/AMR
As medições LiDAR podem fornecer recursos geométricos usados pelo software de navegação para localização e correspondência de mapas.
02
SLAM e mapeamento
Os dados de nuvem de pontos ou varredura podem suportar localização e mapeamento simultâneos quando combinados com algoritmos e dados de movimento adequados.
03
Percepção Obstáculo
O LiDAR pode fornecer informações de distância e geometria usadas pelo software de percepção downstream para detectar ou caracterizar objetos.
04
Sensor Fusão
Os sistemas robóticos podem combinar LiDAR com câmeras, IMUs, odometria de roda e outros sensores para melhorar a compreensão ambiental.
O LiDAR fornece dados de medição em vez de navegação completa ou classificação de objetos por si só SLAM, localização, classificação de obstáculos e planejamento de movimento dependem do software downstream e do sistema completo do robô.
07 Fatores de Seleção
Como avaliar um sensor LiDAR de estado sólido
Compare sensores sob as condições que importam para a aplicação real A faixa de manchete ou os números de taxa de pontos por si só não descrevem o desempenho completo do sistema.
01
Condições de alcance e teste
Verifique a refletividade do alvo, o tamanho do objeto, o ângulo de incidência e as condições ambientais atrás da faixa de trabalho declarada.
02
Campo de Vista
Compare FoV horizontal e vertical com a posição de montagem real e cobertura exigida pela aplicação.
03
Resolução Angular
A resolução deve ser avaliada em relação ao tamanho do alvo, à distância de trabalho e aos detalhes espaciais necessários à percepção a jusante.
04
Distribuição Ponto
A taxa de pontos por si só não mostra onde as medições aparecem dentro do campo de visão ou como a densidade muda ao longo do tempo.
05
Atualizar Taxa
A taxa de quadros ou varredura afeta a rapidez com que o ambiente é atualizado quando os objetos ou a plataforma do sensor estão se movendo.
06
Reflexividade Alvo
Superfícies escuras, reflexivas e altamente angulares podem produzir diferentes comportamentos de medição e alcance de detecção eficaz.
07
Classificação de ambiente e IP
Considere temperatura, luz solar, poeira, chuva, neblina, entrada de água e contaminação da janela óptica.
08
Interface e SDK
Revise a comunicação Ethernet, carimbos de data/hora, sincronização, suporte SDK e compatibilidade ROS /ROS 2 quando necessário.
Dados Multi-Echo/Multi-Retorno
Alguns LiDARs fornecem mais de um retorno ou eco de uma direção de medição Informações adicionais de retorno podem ser úteis em cenas complexas, mas não devem ser interpretadas como uma solução universal para chuva, neblina, poeira ou alvos transparentes Seu valor depende da implementação do sensor e do software downstream.
Compare a arquitetura de detecção completa: direção do feixe, método de alcance, comprimento de onda, campo de visão, distribuição de pontos, ambiente, interface e software devem ser considerados em conjunto.
08 Limitações e perguntas frequentes
Limitações LiDAR de estado sólido e perguntas comuns
A embalagem compacta não remove as limitações ópticas e ambientais normais do LiDAR O desempenho do mundo real ainda depende da arquitetura de detecção, cena e condições operacionais.
Luz solar
A forte energia óptica ambiente pode reduzir o desempenho do sinal-ruído, dependendo do comprimento de onda, filtragem e design do receptor.
Chuva, neblina e poeira
Partículas e gotículas transportadas pelo ar podem atenuar a luz ou criar retornos adicionais.
Superfícies Reflexivas
Alvos escuros, brilhantes, transparentes ou altamente angulados podem produzir diferentes comportamentos de medição.
Projeto Térmico
A embalagem compacta do sensor ainda requer gerenciamento óptico, eletrônico e térmico adequado.
O LiDAR de estado sólido é realmente completamente livre de peças móveis?
Depende da arquitetura e terminologia que está sendo usada Os projetos de flash e OPA podem evitar a direção mecânica convencional do feixe, enquanto o MEMS LiDAR normalmente usa um espelho móvel microscópico e às vezes é descrito como quase-estado sólido.
Qual é a diferença entre MEMS LiDAR e LiDAR de estado sólido?
MEMS LiDAR é uma arquitetura frequentemente incluída dentro da categoria comercial mais ampla de LiDAR de estado sólido Ele usa um pequeno microespelho em movimento em vez de um conjunto de scanner rotativo completo.
Qual é a diferença entre Flash LiDAR e MEMS LiDAR?
MEMS LiDAR conduz sequencialmente as medições através de um campo de visão usando um microespelho, enquanto Flash LiDAR ilumina uma cena mais ampla e mede a profundidade usando um receptor de imagem.
LiDAR de 1550 nm é sempre melhor que LiDAR de 905 nm?
O comprimento de onda não afeta a tecnologia do detector, o design óptico e os limites de segurança do laser, mas o alcance utilizável e a qualidade da medição dependem da arquitetura completa do sensor.
O LiDAR de estado sólido pode funcionar sob a luz solar?
O LiDAR pode operar à luz do dia, mas a forte energia óptica ambiente afeta o desempenho do sinal-ruído de maneira diferente nos projetos de sensores O desempenho real da luz solar deve ser verificado sob as condições relevantes para a aplicação.
O LiDAR de estado sólido funciona na chuva ou no nevoeiro?
Chuva, neblina, neve e partículas transportadas pelo ar podem atenuar os sinais ópticos ou criar retornos adicionais O efeito depende do comprimento de onda, design do sensor, gravidade do clima e processamento.
O LiDAR de estado sólido é adequado para navegação AGV e AMR?
Pode ser, desde que o campo de visão, alcance, distribuição de pontos, taxa de atualização e interface de software se encaixem na arquitetura de navegação Muitas aplicações AGV e AMR também podem ser resolvidas com LiDAR 2 D industrial quando um plano de varredura horizontal fornece informações ambientais suficientes.
O LiDAR de estado sólido é igual a um scanner a laser de segurança?
No. “Solid-state” descreve a arquitetura do sensor, não a certificação de segurança funcional Um LiDAR não deve ser usado como um scanner a laser de segurança, a menos que o dispositivo e a função específicos tenham a certificação de segurança exigida.
LiDAR mecânico vs LiDAR de estado sólido: qual é melhor?
Nenhum dos dois é universalmente melhor O LiDAR mecânico pode oferecer ampla cobertura de varredura, enquanto as abordagens de estado sólido podem suportar embalagens compactas e diferentes padrões de varredura A escolha certa depende da aplicação.
O LiDAR de estado sólido é mais barato?
Não necessariamente O custo depende de componentes ópticos, emissores, detectores, embalagens, volume de produção, requisitos de desempenho e suporte de software A arquitetura por si só não determina o preço.
Atualmente, a CCH vende LiDAR de estado sólido internacionalmente?
Atualmente não. A CCH está desenvolvendo tecnologia LiDAR de estado sólido, mas o LiDAR de estado sólido não é atualmente oferecido como uma linha internacional de produtos CCH. As atuais ofertas internacionais de LiDAR concentram-se no LiDAR 2 D industrial.
Escolha a Arquitetura LiDAR Certa
Precisa do LiDAR para um AGV ou Projeto de Automação Industrial?
Se a sua aplicação requer dados horizontais de alcance, localização, detecção ou navegação, o CCH industrial 2 D LiDAR pode fornecer uma solução mais simples Para proteção do pessoal, use um scanner a laser de segurança projetado para a função de segurança necessária.