Механичен или твърдотелен 2D лидар: как се различават в работата си

2D лидарите остават основният сензор за навигация на мобилни роботи, системи за избягване на сблъсъци, наблюдение на зони и индустриална автоматизация. Въпреки че устройствата могат да имат идентична „плоска“ геометрия на сканиране, те могат да се различават коренно по дизайн и следователно по производителността си в реални условия. Дори на етапа на първоначален преглед на продуктовата гама, например в каталозите на 2D лидари, е ясно, че основната разлика в дизайна е между механични и твърдотелни решения.

По-долу е даден подробен анализ на това каква точно е тази разлика и как се проявява в работата, не само в спецификациите.

Какво е механичен 2D лидар?

Механичният 2D лидар използва въртящ се оптичен модул. Вътре в корпуса се намира мотор, който задвижва огледалото или целия оптичен модул. Лазерният лъч последователно „гребе“ пространството в една равнина, създавайки ъгъл на видимост от десетки до стотици градуси.

Ключови характеристики на дизайна

• наличие на движещи се елементи (двигател, лагери);
• стабилна геометрия на сканиране по целия ъгъл на видимост;
• физическо въртене като източник на стрелкане.

Тази конкретна схема отдавна е стандарт за мобилна роботика и системи за сигурност.

Какво е 2D твърдотелен лидар?

Твърдотелният 2D лидар няма механично въртене. Ъгълът на сканиране се генерира чрез електронно управление на емитерите, микроогледалата (MEMS) или фазираните оптични решетки, в зависимост от конкретната имплементация.

Ключови характеристики на дизайна

• липса на класически въртящи се части;
• електронен контрол на посоката на лъча;
• по-компактна и херметична архитектура.

Въпреки общоприетото наименование, „твърдотелни“ може да обхваща различни технологични подходи, но те са обединени от отхвърлянето на класическия двигател.

Надеждност и износване: какво се случва с течение на времето

Механични лидари

В реални условия износването е основен фактор, който трябва да се вземе предвид. Лагерите и двигателите работят непрекъснато, понякога 24/7. С течение на времето това може да доведе до:

• увеличаване на обратната реакция;
• увеличаване на шума;
• намаляване на ротационната стабилност;
• необходимостта от рутинна подмяна на компоненти.

При правилни условия и ако се спазват препоръките за монтаж, експлоатационният живот може да бъде доста дълъг, но все пак е ограничен.

Твърдотелни лидари

Липсата на въртящи се части значително намалява механичното износване. Такива устройства:

• понасят по-добре вибрациите;
• работят по-стабилно при често включване/изключване;
• по-малко чувствителни към наклона и ориентацията на тялото.

В същото време, издръжливостта се измества към електрониката и термичните характеристики.

Устойчивост на външна среда

Вибрации и удари

• Механични Моделите са по-чувствителни към постоянни вибрации, особено когато са инсталирани на подвижни платформи с твърдо окачване.
• Твърдотелни Решенията обикновено демонстрират по-добра стабилност, тъй като няма какво да се „губи“.

Прах и мръсотия

И двата дизайна изискват чиста оптика, но:

• При механичните лидари замърсяването може да повлияе на ротационния баланс;
• в твърдо състояние - главно върху качеството на сигнала, без да се засяга механиката.

Сканиране на природата и данните

Еднородност на гледката

Механичният лидар осигурява равномерна ъглова резолюция в цялото зрително поле. Това е особено важно за:

• SLAM алгоритми;
• прецизно определяне на формата на обектите;
• предвидимост на данните.

Твърдотелните лидари могат да имат:

• неравномерна плътност на точките;
• фиксирани сектори с различни резолюции;
• ограничения на максималния ъгъл на гледане.

Това не е недостатък, а характеристика, която трябва да се вземе предвид при проектирането на система.

Честота на опресняване и латентност

Механичните лидари често работят с фиксирана скорост на въртене. Това осигурява:

• стабилен поток от данни;
• предвидимо забавяне;
• ясна синхронизация с навигационни алгоритми.

Твърдотелни разтвори могат:

• динамично променящи се режими на сканиране;
• преразпределяне на честотата между секторите;
• оптимизиран за конкретен сценарий.

При прости задачи разликата е незабележима, но при високоскоростна навигация може да бъде критична.

Размери и интеграция

Механични лидари

• обикновено по-високо по тялото;
• изискват отчитане на зоната на въртене;
• може да наложи ограничения върху дизайна на робот или машина.

Твърдотелни лидари

• по-компактен;
• по-лесно интегриране в плоски панели;
• по-лесно се поставят в защитни корпуси.

Поради тази причина твърдотелните решения често се избират за производствени устройства със строги изисквания за форм-фактор.

Разходи за поддръжка и експлоатация

Където механичният лидар остава най-добрият избор

• навигация в големи пространства;
• проекти с дълга история и добре установени алгоритми;
• системи, при които е важна равномерната плътност на данните;
• случаи, когато сервизното обслужване и подмяната на компоненти са приемливи.

Където печели лидарът в твърдо състояние

• компактни мобилни платформи;
• външно оборудване с вибрации;
• серийни продукти със строги изисквания за надеждност;
• проекти, при които минимизирането на поддръжката е от решаващо значение.

Резултат

Разликата между механичния и твърдотелния 2D лидар не е само в наличието или отсъствието на двигател. Това е разлика във философията на дизайна, дългосрочната производителност и подхода за интеграция. Механичните модели произвеждат предвидими и познати данни, докато твърдотелните модели предлагат стабилност и устойчивост на условията на околната среда.

Правилният избор започва не с вида на лидара, а с разбирането на работните условия, изискванията за данни и приемливите оперативни компромиси.