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汽車制造

深度解析:Ouster OS0超廣角短距激光雷達

星之球科技 來源:電子發(fā)燒友網(wǎng)2020-07-02 我要評論(0 )   

超廣角短距激光雷達是當(dāng)前最新、發(fā)展更快的激光雷達細分市場。在18個月前,Ouster便開始與一家汽車OEM合作,研發(fā)超廣角短距激光雷達OS0,用于滿足自動駕駛汽車、機器人...

超廣角短距激光雷達是當(dāng)前最新、發(fā)展更快的激光雷達細分市場。在18個月前,Ouster便開始與一家汽車OEM合作,研發(fā)超廣角短距激光雷達OS0,用于滿足自動駕駛汽車、機器人及地圖等市場的特定需求。


通過與合作伙伴的溝通及獲得的客戶反饋,我們確定了三個在實際應(yīng)用中最重要的性能(除了超廣視場角外):

(1)對于目標(biāo)物探測:高分辨率;

(2)對于近距離探測:0 cm最小探測距離;

(3)對于3D地圖構(gòu)建:高精度。


而對于任何應(yīng)用,OS0均可提供:90o垂直視場角 + 260萬點/秒(MPS)的高分辨率數(shù)據(jù)輸出 + 0 cm最小探測距離 + 高達毫米級的精度。

對于自動駕駛、機器人、地圖等對激光雷達有較高性能要求的客戶,OS0更是首選的超廣角激光雷達。

由紅外相機拍攝的OS0,90o垂直視場角


除了超廣視場角之外,OS0能夠探測到55 m處反射率為 80% 的物體以及15 m處反射率為10%的物體。探測距離對于短距激光雷達來說并不是最重要的因素,但當(dāng)用作自動駕駛汽車盲區(qū)探測或低速機器人的唯一傳感器時,能夠探測到50 m又是非常有利的。

本文我們將深度分析OS0的關(guān)鍵性能,說明這些性能對于感知、定位、地圖等應(yīng)用的意義,并證明OS0在某些方面的表現(xiàn)是現(xiàn)有市場同類產(chǎn)品中最好的。

OS0特有的四大關(guān)鍵性能:
(1)90o 超廣垂直視場角;
(2)128線超高分辨率;
(3)0 cm最小探測距離;
(4)毫米級精度。

90o超廣垂直視場角


OS0為短距離物體探測提供了90o的超廣垂直視場角,寬廣的視場角有助于優(yōu)化定位算法、加速室內(nèi)3D地圖構(gòu)建。

OS0實測,距離倉庫貨架2m


對于機器人應(yīng)用來說,90o的視場角可以完整捕捉整個貨架的情況,滿足在室內(nèi)運貨的需求,同時還能為精準(zhǔn)定位提供額外的特征數(shù)據(jù)。

完整倉庫運貨視頻:

對于自動駕駛汽車來說,OS0的大視角可以探測到距離車輛1米的、從頭到腳的、完整的行人。通過在車輛的四周安裝OS0,即可獲得車身360o 的完整數(shù)據(jù),確保汽車能夠“看見”周圍的孩童、寵物、路沿、路障等更小的物體。
 

尤其對于定位來說,OS0最大可覆蓋路旁3層高的建筑,如此大的覆蓋率可以為定位算法提供更多的特征數(shù)據(jù),有助于提高定位的效率和準(zhǔn)確率。

對于室內(nèi)地圖構(gòu)建來說,憑借OS0的超廣視場角,可以實現(xiàn)用更少的掃描次數(shù)覆蓋更廣的空間范圍,從而在減少地圖構(gòu)建所需時間的同時,提供其所需的高精度數(shù)據(jù)。

128線超高分辨率

Ouster自主研發(fā)的數(shù)字激光雷達技術(shù)具有一大優(yōu)勢,即在激光雷達分辨率不斷提升的同時,產(chǎn)品的尺寸、重量和功耗都不會發(fā)生任何變化。今年二月,Ouster發(fā)布了全新第二代激光雷達,其分辨率均提升至128線,但其外觀尺寸與第一代64線激光雷達完全一樣。

OS0-128實測點云1

高分辨率最大的意義在于,將激光雷達從簡單的避障技術(shù)變成了目標(biāo)物體探測、分割和分類的主流傳感器。數(shù)字激光雷達具備的超高分辨率表現(xiàn)也是Apple選擇將其應(yīng)用于新版iPad Pro的原因之一。

“OS0每秒輸出點數(shù)為260萬個,是現(xiàn)有市場上短距激光雷達的5倍?!?/p>

在超廣角短距激光雷達市場,當(dāng)前最好的機械旋轉(zhuǎn)激光雷達最高僅可提供64線的垂直分辨率,而OS0最高可提供128線。高出兩倍的分辨率,一方面可以實現(xiàn)算法對更遠處物體的識別分類,另一方面可以提高激光雷達在探測范圍內(nèi)所有距離處的置信度。OS0每秒輸出點數(shù)為260萬個,是現(xiàn)有市場上短距激光雷達的5倍。

OS0-128實測點云2


為了更好的理解分辨率帶來的優(yōu)勢,我們可以認為標(biāo)準(zhǔn)算法對行人進行識別分類時,需要對象人物身上有大約4條水平數(shù)據(jù)線,此時對應(yīng)的最大距離稱為“有效距離”。一臺90°垂直視場角的64線激光雷達,其有效距離為20 m;而一臺90°垂直視場角的128線激光雷達,其有效距離可提升50%,即超過30 m。如下圖:

OS0系列分辨率對比,有效距離:OS0-32為10 m,OS0-64為20 m,OS0-128為30 m


另一個實例,假設(shè)有一輛以每小時40公里行駛的自動駕駛汽車,即其每秒行駛約10米,在該速度下的制動距離約為15米。這意味著,當(dāng)使用64線激光雷達時,自動駕駛汽車只有0.5秒的時間留給算法來識別行人并啟動制動(64線激光雷達的有效距離為20 m,當(dāng)汽車距離對象行人20 m處時,算法可以得到足夠的數(shù)據(jù)來識別行人,當(dāng)汽車距離對象行人15 m時,必須開始剎車,因此留給算法識別及啟動制動的時間只有5 m,即0.5 s);同樣的情況下,128線激光雷達可以為汽車提供3倍多的時間去反應(yīng),即1.5 s或15 m(30 m有效距離 – 15 m制動距離)。

OS0-128的高分辨率可以使激光雷達探測到更小的物體,如下圖,從左到右分別是網(wǎng)球、小型路障、橄欖球、輪胎、大型路障、垃圾桶。OS0-128可以非常清楚的探測到距離2 m處的網(wǎng)球。

目標(biāo)物體與激光雷達之間的距離為2 m


0 cm最小探測距離


為了更好的實現(xiàn)近距離探測,OS0做到了0 cm的最小探測距離。這是如何實現(xiàn)的呢?對于距離激光雷達25 cm處的物體,OS0將返回對應(yīng)的點云數(shù)據(jù);而對于距離激光雷達25 cm內(nèi)的物體,OS0將返回一個標(biāo)志,這個標(biāo)志就意味著25 cm內(nèi)有物體存在(該標(biāo)志在點云中不可見,直接在數(shù)據(jù)流中輸出)。

我們將OS0放在空曠的停車場進行實測演示。在下面的視頻中,OS0獲得點云數(shù)據(jù)的最小距離為25 cm,甚至在40 cm處,OS0也可以清楚地分辨出張開的手指之間的縫隙。憑借高分辨率,OS0可以準(zhǔn)確的識別倉庫里或道路上的小型物體。同樣,在激光雷達25 cm內(nèi)的物體所返回的標(biāo)志在以下點云中不可見,而是直接在激光雷達的數(shù)據(jù)流中輸出。

毫米級精度


Ouster對所有的激光雷達都進行了一系列的測試,其中就包括測距和精度測試,以確保每個激光雷達都符合既定的規(guī)格。

激光雷達的精度在不同的探測距離處是不同的。簡而言之,激光雷達的精度會沿著像耐克商標(biāo)一樣的形狀變化。在激光雷達最小測距附近的精度會稍微差一點,其原因類似于看鼻子上的物體比較模糊,只有將這一物體移到離臉遠一點的地方才可以看清。當(dāng)目標(biāo)逐漸偏離最小測距時,精度會提高到一個點,然后再次穩(wěn)定地下降直到激光雷達達到最大測距。

OS0測距和精度測試


我們對OS0進行了實測演示,測距范圍為25 m,目標(biāo)物體反射率為10%。如下表所示,在1 m以內(nèi),激光雷達的精度可達到±0.5 cm,而在1米處該精度降至±1 cm;當(dāng)目標(biāo)物移動至距離激光雷達1-10 m之間時,精度提高到±0.9 cm;超過10 m后,精度在25 m處幾何衰減至±5 cm。

OS0精度實測 – 目標(biāo)物體反射率為10%:

OS0毫米級的精度是現(xiàn)有市場上最高的精度,這使得OS0成為室內(nèi)地圖構(gòu)建的理想解決方案。

另外,我們還對激光雷達進行了“四壁測試”。在此測試中,我們將激光雷達放在房間的中央,然后定性比較OS0與其他激光雷達探測到的墻壁厚度。激光雷達的精度越高,探測到的墻壁越“薄”。
 

OS0探測到的墻壁點云數(shù)據(jù),房頂和地面的線已被隱藏


我們還測試了墻壁的線性度及任何變形或彎曲。在下面的圖像中,可以看到OS0探測到的墻壁比市場上領(lǐng)先的16線中距傳統(tǒng)模擬激光雷達更薄,即精度更高。

憑借其超廣視場角、128線分辨率、0 cm最小探測距離和毫米級精度, OS0成為現(xiàn)有同類產(chǎn)品中功能最強大的短距激光雷達,不僅具有高性能,而且外形小巧、重量僅為445 g,可無縫集成到自動駕駛汽車、倉庫機器人和室內(nèi)測繪設(shè)備中。


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