一文讀懂激光測距傳感器及其核心指標

SLAMTEC思嵐科技

激光雷達傳感器行業非常廣闊，每個細分方向都可以大有所為，就單線測距傳感器而言，致力于解決好機器人的自主定位導航能力，能突破的道路只有一條：以實用性和可靠性作為第一考慮，而非一味的去追求參數。
' E* A& \. B0 z4 M% R- k 那么作為一款供定位導航使用的激光測距傳感器，到底什么才是衡量它實用和可靠的指標？
; K4 v% x/ k, O* o1 @測距范圍？采樣率？精度？ 只是水面上的冰山一角！
作為主要用來測量距離的激光雷達傳感器，其測量的最大距離（量程）自然是其最核心的指標。大部分激光雷達傳感器都會直接以測量距離作為其主要指標。不過除了測距范圍外，相信大家也熟悉以下這些數據指標：

較高的掃描頻率可以確保安裝激光雷達傳感器的機器人實現較快速度的運動，并且保證地圖構建的質量。
+ a8 [' }1 j7 U6 R2 d& H! {但要提高掃描頻率并不只是簡單的加速激光雷達傳感器的內部掃描電機旋轉這么簡單，對應的需要提高測距采樣率。否則當采樣頻率固定的情況下，更快的掃描速度只會降低角分辨率。

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* q! g' O* K4 p- o* _& J除了測距距離、掃描頻率之外，測量分辨率和精度對于激光雷達傳感器性能來說同樣重要，并且對于三角測距激光雷達而言，也更具有挑戰。
+ C  n! k1 j. k5 U, j6 i由于測量原理的關系，雖然一般在10米以內都可以實現很高的測距分辨率，但其分辨率亦會隨著探測物體距離增加而劇烈下降。
& i! B" o( ?. n' M' c因此，為了實現更遠距離的探測，就不只是增加激光器功率這么簡單了，需要對于測距核心有本質的改良。同時為了可靠量產，也需要做很多的配套工作。

上面列舉的這些性能指標都是大家所知道的，自然也是激光測距傳感器廠商長久以來一直在不斷追求和突破的。
+ b* b2 u. `% n: C不過，這個并不是說要盲目的追求這些指標的提高，而是要像前面所說，要更加看重整體產品的實用和可靠性，更好的參數不一定能帶來更好的產品，可能還會帶來其他方面的缺失。
. Q5 Q; {! d* p8 Y- g4 ^所以現在，我們來聊聊你可能不熟悉的激光雷達傳感器的一面，也是在選擇激光雷達傳感器產品時所需要注重考慮的因素。
" _+ C' R7 c; ]. {, _水下的冰山-日光抗擊能力和深色物體檢出率
6 p1 y/ [7 D6 g  h, L+ W* _3 Z6 c除了上述測距距離、采樣率、精度等大家都熟知的性能指標外，在雷達實際使用中還有兩個非常重要但往往不太被大家了解的性能指標：
; e, O. @7 ?2 V$ e/ W& s) Z深色物體檢出率
環境光抗干擾能力
( |3 a+ K5 S6 O  _6 F: K在實際工作中，很多應用環境中的物體大多不是白色墻面，而是深色的，如家具，暗色的墻紙。此時，激光雷達傳感器本身是否對于暗色物體有很好的檢出效果就非常重要。一款號稱有10多米的激光雷達傳感器，如果對于深色物體只有幾米的檢出率，那就容易導致機器定位和建圖出現問題，對后期的定位導航工作也會產生很大的影響。
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目前，激光雷達傳感器所標稱的距離大多以90%反光率的漫反射物體（如白紙）作為測試基準。但實際上，對于黑色數據的有效檢出也同樣是一個重要的性能指標。
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深色物體吸收了絕大部分的光能量，要讓激光雷達傳感器對于深色物體具有和白色物體一樣的檢出能力是不現實的，對于以機器視覺為核心的三角測距遠離雷達而言更是如此。
不過，正因為這個指標的重要性，激光雷達傳感器廠商一直將提升對深色物體探測能力作為研發激光雷達傳感器的重點方向之一，即使再難也力求突破。經過這幾年來的多次迭代，以國內激光雷達傳感器廠商思嵐來說，其A2M6對于僅有10%以下反射率的黑色物體，也可實現10米的檢測距離，這基本與目前TOF原理激光雷達傳感器一致。
# K: j4 ~" C" D5 r/ p$ L3 s說得再多也不如實際檢驗：
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看到通道盡頭的黑色物體了嗎？這種幾乎不反射光的黑色是很多三角測距激光雷達傳感器的噩夢。但從實用性角度看，一款標稱10米以上的激光雷達傳感器，必須至少能在6米距離以上有效得進行檢測。但是RPLIDAR A2M6即使在10米距離下，仍舊可以對其進行有效檢測。

) d# k* B8 P& \/ L$ }% X RPLIDAR A2M6

對黑色檢出能力較弱的早期雷達

要知道，對于不同反射率物體的最大檢出距離是激光雷達傳感器的一大檢驗指標。目的只有一個，讓激光雷達傳感器在實際工作中也同樣表現出色。
6 W  p$ J1 ?& ~" W除了深色物體檢出能力外，實際工作環境也會受到各類環境光照的影響。從落地窗投射進來的陽光、各類室內的人造光源甚至是直接暴露在室外工作，這些情況都有可能對于激光雷達傳感器產生干擾。

這對于采用三角測距法原理的激光雷達傳感器來說影響更加嚴重。因為需要能夠區分出環境光和激光信號，就需要有更優異的處理算法和光學調校。
傳統受限于原理，三角測距法的激光雷達傳感器都會給大家一種完全無法抗擊環境光照的印象，更不提在室外可以工作的可能性了。
3 N( K, D3 ~7 r+ s. R不過，對于RPLIDAR而言并不是如此，環境光抗干擾能力從第一代RPLIDAR A1開始就是我們非常重視的指標。以至于對于A2M6系列來說，甚至已經可以完成一定的室外工作任務。
那么，環境光干擾到底有什么問題呢？它會導致雷達出現噪聲，影響使用。
; w" L' b$ |) Z! G- `5 R一般環境光干擾有如下兩種形式：
$ K+ d3 [2 s7 S4 }+ K9 c1 Y0 s) a& F8 Xa)局部干擾光源產生的噪點
: ?1 i+ X/ X* `( b, H 像畫面中這類人造光源或者通過窗戶從外部射入的陽光，會對于某個特定測量角度產生干擾。
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人造光源可能會產生測距干擾

b）全局環境光干擾產生的致盲和噪點
這類情況一般出現在室外情況下，由于環境整體的背景光照較強，會導致雷達在各方向上都可能出現干擾。
同時，也可能導致雷達的有效測量距離變短或者完全無法進行距離測量。

如果不對這類干擾進行處理，就會像下圖那樣：

要很好的實現抗擊光干擾對于三角測距激光雷達來說一直是一個很大的挑戰。良好的抗環境光能力很大程度上也和前面提到的深色物體檢出率很多時候也是矛盾的，除非對激光的安全性置之不理。
  I& ?$ a* k1 v0 K, S& o& a; s這里，我們展示一些相關的測試效果。比如試試看直接一個強光燈對著激光雷達傳感器? 像是浴霸燈泡會直接產生紅外光的：

在室外整體環境光較強的情況下，這個激光雷達傳感器并不會出現致盲或者干擾的問題。當正午陽光照射在墻面上，激光雷達傳感器還能測到數據嗎？像是下圖中，激光雷達傳感器不但在5米處毫無壓力的檢測出了陽光直射的墻面，同時也順利的探測了環境周圍其他物體。  

在一定程度上，經過這幾年的努力，激光測距傳感器已經具有相對優異的環境光抗擊能力，甚至在完全室外的環境下，也可以承擔一系列工作。當然，我們也深知目前這一切還有很多工作要做并將一直致力于其性能的提升。
其實，任何一款好產品都不僅僅是它所標識的核心參數那么簡單。背后一定還存在著更多的邏輯，和相互之間的牽扯。雖然你未必熟悉過，但它們默默的守護著這款產品在實際工作中表現出色。技術細節有千千萬萬，但不變的都是對于一款產品的執著。

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