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velodyne、Ouster、禾赛等多光束激光雷达移动测绘系统的数据对比分析

最新更新时间:2021-08-30 20:03
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引言:


在移动制图中,地理空间数据是通过安装在车辆上的一个或多个摄像头和/或一个或多个激光雷达传感器获取的,该车辆在陆地,水或空中移动。激光雷达光束在场景上的分布可以通过旋转镜或固态设备来实现。可以同时发射多个光束,并且可以捕获单个或多个返回。本文通过对比128、64、和32光束下velodyne、Ouster、禾赛、quanergy等讨论了适用于移动制图的各种多光束激光雷达传感器的功能和生产率。

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对于选定的激光雷达传感器,用于在场景上分布发射光束的机制基于旋转镜或固态技术。


机械旋转雷达中运动机械零件可能会引入干扰和故障,从而影响被测点云的质量。此外,不断需要校准,从而导致更高的测量成本。


固态激光雷达传感器没有机械零件,但缺点是视野有限(FoV),这意味着需要三个,四个甚至更多个传感器才能获得完整的360° 覆盖范围。考虑激光雷达传感器的功能,仪器的操作方面及其测量特性对于移动制图很重要。


影响操作方面的主要因素是尺寸,重量,功耗和价格。测量特性包括最大范围,范围精度,VFoV和点密度-所有这些都应该很高点密度主要取决于光束发散度,光束输出速率和角分辨率。这些测量特性将在下面更详细地讨论。


测量特性

最大范围:制造商将目标反射率指定为最大范围80%或10%。对于汽车和其他有光泽的物体,反射率约为80%,从而导致更长的最大范围。


对于人行道和其他无光物体,反射率约为10%,从而导致最大范围变短。考虑到大多数现实生活中的目标反射率都较低,因此最好使用更长的激光雷达扫描范围。较大的最大范围意味着更好的覆盖范围,这对于移动地图应用程序是有益的。


距离精度通常相对于测量范围在2厘米至20厘米之间。范围精度越高,道路表面,道路家具,建筑物,树木和其他感兴趣对象的点云表示质量就越高。


发射后,激光束发散并传播成圆锥形,当光束撞击表面时会产生椭圆形的足迹。在距离车辆较远的地方捕获小物体需要较小的占地面积。


点密度很大程度上取决于光束输出速率,通常将其指定为激光雷达系统发射的每秒点数(pts / sec)。如果应用需要高点密度,则光束输出速率至关重要。


通常在垂直和水平方向上都指定的角度分辨率越小,则点云越密集,因此出现的细节越多。通常,激光雷达传感器会获得第一和最强的回报。这些多返回传感器产生更密集的点云和更好的对象表示。


图1:选定的Velodyne Lidar设备。


VFoV:大多数自旋激光雷达传感器的水平视场(HFoV)覆盖范围均为360°。固态系统需要三个或更多对齐的传感器才能获得完整的360°覆盖范围。另一方面,VFoV越大,覆盖的场景越好。


上面讨论的激光雷达传感器的功能在很大程度上决定了移动测绘系统(MMS)的勘测生产率。


根据制造商提供的规格,已将可能适用于移动制图的激光雷达系统选择(参见图1)分为四类:极高生产率,高生产率,足够的生产率等。表1列出了所选系统的规格。


表1:制造商提供的激光雷达传感器的规格。(点击可以查看高清大图)


极高的生产率(128光束)

目前,激光雷达最大波束数为128,选定的三个激光雷达传感器已处在极高的生产率当中,影响生产率的主要因素是同时发射的激光束数量。


Ouster OS1-128所有128个光束的总输出速率为260万pts /秒,是所有所选系统中最高的输出速率。它的价格和45˚的VFoV使它比其他类型的产品更具优势。


其他效率极高的Ouster Lidars OS0-128OS2-128由于扫描范围较短或VFoV较窄而不太适合移动地图应用。


Velodyne Alpha Prime全部128条光束的总输出速率为240万点/秒,是最佳纺纱设备之一。


与其他128束传感器相比,该系统具有较宽的VFoV,较高的返回率和较大的最大范围。就尺寸和重量而言,Alpha Prime是最大,最重的系统之一。


固态Luminar具有最长的最大射程,输出速率超过半百万pts / sec。由于需要三个设备才能实现360°VFoV,因此总输出速率为150万个点/秒。该系统重3.9kg,相对较重。


高生产率(64光束)

在此部分中,已将四个激光雷达传感器分类。因为同时发射的激光束数量为64它们的生产率较低。


旋转的Ouster OS1-64的输出速率为130万/秒,最大范围为120m。


光束围绕水平面对称分布,VFoV很好。结果,该系统具有许多有益的特性-特别是在车辆上安装了两个激光雷达传感器时。


所述AHP的OS2-64还具有130万点/秒的输出速率和其最大范围是240米。狭窄的VFoV及其较大的尺寸使其不适用于移动地图。


这两个Ouster传感器的价格都合理。它们的850nm光束波长很少被大气中的水颗粒吸收,这意味着这两个系统都可以在高湿度条件下高效运行。


来自中国制造商Hesai的激光雷达系统也在高生产率类别中。Hesai Pandar64的最大范围是200m,反射率为10%,输出速率为1,152,000 pts / sec,VFoV为40°,分辨率为0.17°。


但是,表1中列出的三个Hesai系统在场景中不规则地(渐变)地分配光束。它们主要集中在水平面上。这可能会影响点分布的覆盖范围和均匀性。


Velodyne HDL-64E具有可比产出率和0.4的垂直分辨率°是合理的。缺点是它的重量,尺寸和价格。图2显示了一个封闭的矩形空间中不同激光雷达设备的扫描模式,在这些空间中,它们垂直定向而没有倾斜。 


图2:不同激光雷达传感器的扫描模式。


足够的生产率(32光束)

在此部分中,三个激光雷达传感器已被分类。因为同时发射的激光束数量为32,它们的生产率低于极高和高生产率段。


Velodyne HDL-32具有一个40˚和VFOV120米的最大范围。它具有合理的尺寸,重量和功耗,并被CycloMediaTopconMaverick Teledyne OptechViametris vMS3D类的移动制图公司使用(图3)。


最近发布的Ouster OS1-32功能可与Velodyne HDL32功能相媲美,但输出速率略低。


OS1-32视线上方/下方的对称角度有利于捕获地面上方和下方的物体。考虑到其合理的价格,该多光束激光雷达是一个受欢迎的选择,尤其是当MMS中安装了多个设备时。


除了发射的激光束数量外,Hesai Pandar40P功能与高生产率Pandar64相似。


图3:各种测量公司正在使用的移动制图系统。


其他

还有其他几种激光雷达传感器,可能特别适合于室内和无人机系统(UAS)应用。


Quanergy M8具有较小的水平角分辨率,每个脉冲最多可捕获三个回波,VFoV为20°,并同时发射八束光束。


Velodyne普克传感器(VLP-16,高分辨率,精简版)具有30万点/秒的输出速率。


它们的最大范围,范围精度,尺寸,重量,功耗和价格是合理的,但其几何/扫描特性不如HDL-32足够。


所述的特征Hesai Pandar40类似于Pandar40P但23°VFOV窄。测绘公司正在其无人机系统和室内测绘系统中使用其中的一些激光雷达传感器(图4)。


例如,澳大利亚公司Emesent已在其Hovermap UAS上安装了Velodyne VLP-16 (图4a),而Viametris已将VLP-16(图4b)安装在其背包室内地图系统上。


所述C2L星云-LP MMS(图4c)和GeoCue UAS(图4D)使用Quanergy M8。


固态传感器Sense 30的最大范围为21m,这对于室外应用是一个障碍。


列出的两个Blickfeld固态传感器的输出速率较低。因此,密集点云的采集需要很长的调查时间。


Ouster新发布的超广角激光雷达(即OS0-32,OS0-64和OS0-128)具有90˚VFoV,对自动驾驶非常有效。


但是,由于它们的最大扫描范围为20m @ 10%目标反射率,因此它们与移动制图应用的相关性较小。


图4:各种制图公司使用的低成本多光束激光雷达类型。


结束语

想要进行大规模项目或实现全市覆盖的移动制图公司可能会受益于具有高生产率的单个多光束激光雷达,或者会集成来自极高或高生产率类别的多个激光雷达设备


当然,可用预算将在系统选择中起关键作用。当为移动制图系统选择最合适的激光雷达设备时,更宽的VFoV与更长的扫描范围,更高的点输出率和更好的范围精度将始终非常重要。

作者的注释:激光雷达技术正在迅速发展,新类型一直在发布。在撰写本文时,本文提供的信息是正确的。


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