Μηχανικό ή στερεάς κατάστασης 2D lidar: πώς διαφέρουν στη λειτουργία τους

Τα δισδιάστατα lidar παραμένουν ο βασικός αισθητήρας για την πλοήγηση σε κινητά ρομπότ, συστήματα αποφυγής συγκρούσεων, παρακολούθηση ζωνών και βιομηχανικό αυτοματισμό. Ενώ οι συσκευές μπορεί να έχουν πανομοιότυπη «επίπεδη» γεωμετρία σάρωσης, μπορούν να διαφέρουν ριζικά στο σχεδιασμό και, επομένως, στην απόδοσή τους σε πραγματικές συνθήκες. Ακόμα και στο αρχικό στάδιο της αναθεώρησης της σειράς προϊόντων, για παράδειγμα σε καταλόγους δισδιάστατων lidar, είναι σαφές ότι η κύρια διάκριση στο σχεδιασμό έγκειται μεταξύ μηχανικών και στερεάς κατάστασης λύσεων.

Παρακάτω ακολουθεί μια λεπτομερής ανάλυση για το τι ακριβώς είναι αυτή η διαφορά και πώς εκδηλώνεται στη λειτουργία, όχι μόνο στις προδιαγραφές.

Τι είναι ένα μηχανικό δισδιάστατο lidar;

Ένα μηχανικό δισδιάστατο lidar χρησιμοποιεί μια περιστρεφόμενη οπτική μονάδα. Μέσα στο περίβλημα υπάρχει ένας κινητήρας που κινεί τον καθρέφτη ή ολόκληρη την οπτική μονάδα. Η δέσμη λέιζερ «χτενίζει» διαδοχικά τον χώρο σε ένα μόνο επίπεδο, δημιουργώντας μια γωνία θέασης από δεκάδες έως εκατοντάδες μοίρες.

Βασικά χαρακτηριστικά σχεδιασμού

• παρουσία κινούμενων στοιχείων (κινητήρας, ρουλεμάν)·
• σταθερή γεωμετρία σάρωσης σε ολόκληρη τη γωνία θέασης.
• φυσική περιστροφή ως πηγή σάρωσης.

Αυτό το συγκεκριμένο σχέδιο αποτελεί εδώ και καιρό το πρότυπο για την κινητή ρομποτική και τα συστήματα ασφαλείας.

Τι είναι το δισδιάστατο στερεάς κατάστασης lidar;

Ένα στερεάς κατάστασης δισδιάστατο lidar δεν έχει μηχανική περιστροφή. Η γωνία σάρωσης παράγεται ηλεκτρονικά ελέγχοντας τους εκπομπούς, τους μικροκαθρέφτες (MEMS) ή τις φάσεις οπτικών συστοιχιών, ανάλογα με την συγκεκριμένη υλοποίηση.

Βασικά χαρακτηριστικά σχεδιασμού

• απουσία κλασικών περιστρεφόμενων μερών.
• ηλεκτρονικός έλεγχος κατεύθυνσης δέσμης·
• πιο συμπαγής και ερμητική αρχιτεκτονική.

Παρά την κοινή ονομασία, ο όρος «solid-state» μπορεί να καλύπτει διαφορετικές τεχνολογικές προσεγγίσεις, αλλά τις ενώνει η απόρριψη του κλασικού κινητήρα.

Αξιοπιστία και φθορά: τι συμβαίνει με την πάροδο του χρόνου

Μηχανικά lidars

Στην πραγματική χρήση, η φθορά είναι ένας σημαντικός παράγοντας που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη. Τα ρουλεμάν και οι κινητήρες λειτουργούν συνεχώς, μερικές φορές 24/7. Με την πάροδο του χρόνου, αυτό μπορεί να οδηγήσει σε:

• αύξηση της αντίδρασης·
• αύξηση του θορύβου
• μείωση της περιστροφικής σταθερότητας.
• η ανάγκη για τακτική αντικατάσταση εξαρτημάτων.

Υπό σωστές συνθήκες και εφόσον ακολουθηθούν οι συστάσεις εγκατάστασης, η διάρκεια ζωής μπορεί να είναι αρκετά μεγάλη, αλλά εξακολουθεί να είναι περιορισμένη.

Lidar στερεάς κατάστασης

Η απουσία περιστρεφόμενων εξαρτημάτων μειώνει σημαντικά τη μηχανική φθορά. Τέτοιες συσκευές:

• ανέχονται καλύτερα τους κραδασμούς.
• λειτουργούν πιο σταθερά με συχνή ενεργοποίηση/απενεργοποίηση.
• λιγότερο ευαίσθητο στην κλίση και τον προσανατολισμό του σώματος.

Ταυτόχρονα, η ανθεκτικότητα μετατοπίζεται προς τα ηλεκτρονικά και τη θερμική απόδοση.

Αντοχή στο εξωτερικό περιβάλλον

Δονήσεις και κραδασμοί

• Μηχανικός Τα μοντέλα είναι πιο ευαίσθητα σε συνεχείς κραδασμούς, ειδικά όταν εγκαθίστανται σε κινούμενες πλατφόρμες με άκαμπτη ανάρτηση.
• Στερεάς κατάστασης Οι λύσεις συνήθως επιδεικνύουν καλύτερη σταθερότητα, καθώς δεν υπάρχει τίποτα να «χάσουν».

Σκόνη και βρωμιά

Και τα δύο σχέδια απαιτούν καθαρά οπτικά, αλλά:

• Στα μηχανικά lidar, η μόλυνση μπορεί να επηρεάσει την ισορροπία περιστροφής.
• σε στερεά κατάσταση - κυρίως στην ποιότητα του σήματος, χωρίς να επηρεάζονται οι μηχανισμοί.

Φύση σάρωσης και δεδομένα

Ομοιομορφία της άποψης

Το μηχανικό lidar παρέχει ομοιόμορφη γωνιακή ανάλυση σε ολόκληρο το οπτικό πεδίο. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για:

• Αλγόριθμοι SLAM;
• ακριβής προσδιορισμός του σχήματος των αντικειμένων·
• προβλεψιμότητα δεδομένων.

Τα lidar στερεάς κατάστασης μπορούν να έχουν:

• ανομοιόμορφη πυκνότητα κουκκίδων.
• σταθεροί τομείς με διαφορετικές αναλύσεις·
• περιορισμοί στη μέγιστη γωνία θέασης.

Αυτό δεν είναι μειονέκτημα, αλλά ένα χαρακτηριστικό που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά τον σχεδιασμό ενός συστήματος.

Ρυθμός ανανέωσης και καθυστέρηση

Τα μηχανικά lidar λειτουργούν συχνά με σταθερή ταχύτητα περιστροφής. Αυτό παρέχει:

• σταθερή ροή δεδομένων·
• προβλέψιμη καθυστέρηση;
• σαφής συγχρονισμός με αλγόριθμους πλοήγησης.

Οι λύσεις στερεάς κατάστασης μπορούν:

• δυναμική αλλαγή των λειτουργιών σάρωσης·
• ανακατανομή συχνότητας μεταξύ τομέων·
• βελτιστοποιημένο για ένα συγκεκριμένο σενάριο.

Σε απλές εργασίες η διαφορά είναι ανεπαίσθητη, αλλά στην πλοήγηση υψηλής ταχύτητας μπορεί να είναι κρίσιμη.

Διαστάσεις και ενσωμάτωση

Μηχανικά lidars

• συνήθως ψηλότερα στο σώμα.
• απαιτούν να λαμβάνεται υπόψη η ζώνη περιστροφής·
• μπορεί να επιβάλει περιορισμούς στο σχεδιασμό ενός ρομπότ ή μιας μηχανής.

Lidar στερεάς κατάστασης

• πιο συμπαγές;
• ευκολότερη ενσωμάτωση σε επίπεδες οθόνες.
• τοποθετούνται πιο εύκολα σε προστατευτικά καλύμματα.

Για αυτόν τον λόγο, οι λύσεις στερεάς κατάστασης επιλέγονται συχνά για συσκευές παραγωγής με αυστηρές απαιτήσεις συντελεστή μορφής.

Κόστος συντήρησης και λειτουργίας

Όπου το μηχανικό lidar παραμένει η καλύτερη επιλογή

• πλοήγηση σε μεγάλους χώρους·
• έργα με μακρά ιστορία και καθιερωμένους αλγόριθμους·
• συστήματα όπου η ομοιόμορφη πυκνότητα δεδομένων είναι σημαντική·
• περιπτώσεις όπου η συντήρηση και η αντικατάσταση εξαρτημάτων είναι αποδεκτές.

Όπου κερδίζει το στερεάς κατάστασης lidar

• συμπαγείς κινητές πλατφόρμες·
• εξωτερικός εξοπλισμός με δόνηση·
• σειριακά προϊόντα με αυστηρές απαιτήσεις αξιοπιστίας·
• έργα όπου η ελαχιστοποίηση της συντήρησης είναι κρίσιμη.

Αποτέλεσμα

Η διαφορά μεταξύ μηχανικού και στερεάς κατάστασης 2D lidar δεν έγκειται μόνο στην παρουσία ή απουσία κινητήρα. Είναι μια διαφορά στη φιλοσοφία σχεδιασμού, τη μακροπρόθεσμη απόδοση και την προσέγγιση ολοκλήρωσης. Τα μηχανικά μοντέλα παράγουν προβλέψιμα και οικεία δεδομένα, ενώ τα στερεάς κατάστασης μοντέλα προσφέρουν σταθερότητα και ανθεκτικότητα στις περιβαλλοντικές συνθήκες.

Η σωστή επιλογή δεν ξεκινά με τον τύπο του lidar, αλλά με την κατανόηση των συνθηκών λειτουργίας, των απαιτήσεων δεδομένων και των αποδεκτών λειτουργικών συμβιβασμών.