0. 序文と執筆の目的
LIDAR を「実行」するのは非常に簡単ですが、LIDAR を合理的に使用するにはマニュアルを読む必要がありますが、特にベロダインなどの海外メーカーが英語のマニュアルを提供している場合、マニュアルを読むのは多くの初心者にとって非常に苦痛です。 100ページを超えると開くのが怖くて、インターネット上で分析を見つけるのが難しいのが残念で、特にベロダインの関連情報を見つけるのはほとんど不可能なので、直接破棄するのは残念です。この記事を書く目的は、いくつかの LIDAR マニュアルを分析し、エンジニアリングで注意を払う必要がある、または適用する必要がある重要なポイントを発見することです。
この記事は、velodyne VLS-128 (Alpha Prime)、Robosense (ロボセンス) Ruby (128)、Hesai (Hesai) Pandar 128 の複数のレーダーをベースにしています。主に、その他の国内の代表的な LIDAR マニュアルによって補足されています。この記事の内容は長いため、2 つのフェーズに分けて更新される予定です: 前のフェーズでは主に velodyne 128 について紹介し、次のフェーズでは引き続きさまざまな LIDAR の比較とアナロジーを使用して説明します。
目次
1. 準備と推奨学習ルート
まず、Velodyne マニュアルのセクションを見てみましょう (上の写真)。始めたばかりの場合、マニュアルを理解できないのは普通のことです。ある程度のエンジニアリング経験と LiDar の基本的な理解が必要です。他のユーザーや特別に設計されたセンサー エンジニアなどでも、彼らを説得してやめる必要がありますか? 怖がらずに、順番に考えてみましょう。この書き方をマスターすれば、センサーエンジニアにまた一歩近づけます！すごくワクワクしませんか！！！
私が推奨する学習パスは次のとおりです。
1. LIDAR マニュアルを読むには、 LIDAR の分類と基本原理(たとえば、LIDAR が機械式か MEMS 半固体式かなど) を学習している必要があります。LIDAR が異なれば原理も異なります。データ送信の原理は次のとおりです。これらのリソースは、検索エンジン、関連書籍、さらには業界レポートを通じて入手できます。ここでは、LIDAR の分類と原則の概要をお勧めします。他のものは自分で見つけてください~
主流の LIDAR 分類と原理_Lingshan のブログ-CSDN ブログ_レーダーの種類
2. 現在、これらの主流のレーダーはイーサネット経由で送信されるため、UDP の内容と、一般的なパケット キャプチャ ツールである Wireshark の使用方法を学ぶ必要があります (ほとんどのソフトウェア マニュアルはここにあるか、オンライン検索で簡単に入手できます)。レーザーレーダー装置が手元にある 接続を調査し、さまざまなメーカーが提供する可視化ソフトウェアの記録機能を使用して、pcap ファイルを記録して保存します。このファイルの目的について詳しく説明します。利点は何ですか?このパッケージはどのようにして点群データを取得しますか?その理由は?点群データを直接記録しないでください。
------------------------ これら 2 つのステップを完了すると、マニュアルを詳しく読み始めることができます ------- - -------------
3. (推奨) 十分なエネルギーがある学生は ROS または ROS2 を学習し続けることができますが、より深いレベルで同期 (GNSS) を使用する学生は、GNSS タイミングの原理の内容を読む必要があります。英語の説明書が読めない場合は、同様の製品（原理は同じ）の中国語の説明書があれば、そちらの方が人気になります。
ros の部分を学び、開始することを強くお勧めします。ROS の優しい紹介。
GNSS 時刻同期については、自動 (スマート) 運転 | 産業用コンピューター タイミングのための時刻同期 (PPS+GPRMC)_MendozaG のブログ-CSDN ブログを参照してください。
2. マニュアルを読む
次に、正式にマニュアルを読む段階に入ります。
前述したように、主に維利登の 128 行マニュアルについて話します（詳しくてすべて英語なので）。
Velodyne 128 は、数年前には数十万の価格で入手困難なスター製品でしたが、データシートの情報によると (マニュアルには記載されていません):
905nm(903nm)付近のレーザーレーダーで、点出力は毎秒240万点で、gPTP(IEEE 802.3ab)に対応しています。
2.1 製品概要
まず、配線図を取得します。
写真では同じように見えますが、レーザーレーダーリング（リング）の線が均等に描かれていることに注目してください。しかし、実際にはレーザーの分布は均一ではなく、HesaiとHesaiのように中央が密で両側が疎になっています。他のレーザー レーダーと同様に、ROI エリアのポイントを増やしてください。マニュアルには、各レーザーヘッドが毎秒 18500 ビーム以上を放出すると書かれています (18500*128=2368000 は、マニュアルに書かれている 230 万と一致します)。動作原理はToFです。
マニュアルにも32Cと128のインターフェースボックスは互換性がないと書いてあります！！！これも非常に重要です。複数の LIDAR を使用する場合は、安全第一で怠惰にせずに直接接続してください。！！
上の写真はインターフェイス ボックスの内部写真で、電源を入れると 2 つの LED ライトが点灯し、センサーが起動してスキャンを開始するまでに約 30 秒かかることがわかります。
velodyne の設定インターフェイスはデバイスの IP で、デフォルトは 192.168.1.201 です (その他は、Sagitar の小さな Robo や視覚化ソフトウェアなどの特定のソフトウェアです)。
最初のインターフェイスには多くの項目があり、何を意味するのかわからないかもしれませんが、これらについては後で紹介しますので、 IP に一致するようにNetwork 列を変更するだけです。モーターの RPM は、クリック回転の周波数 (1 分あたりの回転数) を指します。画像の 600 は、1 秒あたり 10 回転を指します。これは、通常の動作周波数 10 Hz です。一般的なサポートは 300 ～ 1200 RPM (つまり、5 Hz ～ 20 Hz) , ただし任意ではなく、一般的には60単位で変化します）。FOV は 視野 であり、360 度の通常のスキャンで記録されます。ブラインドフィリング LIDAR の一部の角度など、特定の範囲の角度のみが必要な場合は、データを生成せずにこの値を調整できます。位相ロックは位相ロックで、1PPSが来るたびに位相は一定の値になります（何に使うか考えてください）。
設置に関しては水平0度での設置を推奨します それ以外の設置方法ではベアリングの寿命に影響を与える可能性があります ショックアブソーバーを装備する必要はありません（しっかりと設置されていれば）重力加速度500、3G RMS 5Hz ～2,000Hzの振動。デバイスは現在の温度を読み取ることができます。12V 電圧の使用を推奨しますが、9 ～ 28V の純粋な DC もサポートされます。LIDAR の通常の消費電力は約 22W で、POE はサポートしていません。
2.2 エコーモード
エコー モードの場合 (上の図の戻り値の型): この LIDAR は、最強 (デフォルト)、最後、およびデュアルをサポートします。レーザーの戻りは、その距離がゼロでない限り、反射率の検出となります。各ビームは最大 2 つのリターンをサポートします。
シングルエコーモード：最も強いコールバックモードと最後のエコーモードがあり、上の図に示すように、壁に直接当たって戻ってきます。このとき、受信したレーザーは最も強くて最後のものです。
マルチエコーモード：
ビームの分散により、1 つのレーザー ショットで複数のレーザーが返される場合があります。レーザーパルスがセンサーからゆっくりと離れると、パルスは徐々に大きくなります。1 つのパルスが複数の物体に当たるほど大きくなり、複数の反射が発生することがあります。一般に、反射が始まる距離が遠いほど、検出器での反射は弱くなります。ただし、明るい表面や再帰反射表面を使用すると、より強力な結果が得られる場合があります。複数のチャネルの反射を分析した後、LIDAR は最も強いエコー、最後のエコー、あるいはその両方を記録します (モード設定に応じて、「最強」に設定されている場合は最も強い反射値のみを返し、「最後」に設定されている場合は最も強い反射値のみを返します)。時間内の最後の（最後の）リターンのみをテストします）、この機能を通じて、空から地面までの距離を計算できます（ドローンで使用される場合など）。
デュアルエコーモード
1. 最強かつ最後のエコーを返す
上の図に示すように、遠くに 1 つと近くに 1 つの 2 つのターゲットがあります (2 つのターゲット (戻り値) として記録するには、2 つはセンサーから少なくとも 1.5 メートル離れている必要があることに注意してください)。近くのターゲットといくつかの遠くのターゲット。ルールによれば、最も強いエコーの場合は近端のエコーを返さなければならず、最後のエコー モードの場合は遠端のエコーを返さなければなりません。では、ヒットのほとんどが遠くにある場合はどうなるでしょうか? 以下に示すように:
絵的には最果てが最後であり最強でもあるが、現時点では最後は確実だが最強とは限らない、たとえ遠端が大きな割合を占めていてもまだ最強ではない可能性もあるたとえば、異なる On 反射素材 (小さい領域は大きい領域よりも反射率が高くなります):
デュアルリターン機能は、樹高測定が必要な林業用途でよく使用されます。以下の写真は、レーザー パルスが最初に幹に当たり、貫通し、最後に地面に到達して複数回の反射が発生したときのサンプル応答です。下の図からわかるように、最後のリターンは地面までの時間を指し、ストロングセットリターンは横断の開始時に生成されるため、木の高さは 2 つのエコー (つまり、下の図の 2 つの高度の差）。もちろん、2 つのリターンを記録すると、データ量は 2 倍になります。
2.3 位相ロック
複数のライダーが同時に動作した場合はどうするか、自分が発しないレーザーを他のライダーが受信した場合はどうするかを考えたはずで、位相ロック機能を使用して、ユーザーが重なり合う位置を制御できるようにします。レーザー放射。
この機能は PPS に依存しており、フェーズ ロック機能は、PPS 信号と相対的なセンサーの向きに従って、複数のセンサーの相対的な回転位置を同期できることに注意してください。正しく動作するには、PPS 信号が存在し、ロックされている必要があります。位相ロックの動作原理は、PPS 信号の立ち上がりエッジに従ってレーザー発光を制御することです。ゲンロックが適切に機能するには、センサーの RPM 設定を 300 RPM ～ 1200 RPM (両端を含む) の間の 60 RPM の倍数に設定する必要があります。ただし、このバージョンでは、ハードウェアの問題により、RPM は 600 に固定されています (つまり、PPS を使用している場合は 10Hz は調整できません)。
（マニュアルには載っていません） 同時に、この機能を利用してライダーの位相を制御して同期を計算することもできます。
2.4 LIDARの入力
上の図は、インターフェイス ボックスの対応する信号図です。ピン 1 と 4 は点群に接続され、対応する 2 桁と 3 桁は GND、ピン 7 は PPS に接続され、ピン 6 はデータ入力 (GPRMC など) に接続されます。ピン5はGPSのGNDに接続されています。
NMEA は GPRMC または GPGGA のみをサポートしており、他の形式はサポートされていません。
介入パルスの要件:
PPS 同期パルスと GPRMC または GPGGA センテンスは、重複または同時発生することなく交互に受信される必要があります。PPS 同期パルス幅は重要ではありません (通常の長さは 10μs ～ 200ms です)。NMEA メッセージ受信後の 300 ミリ秒の最小ギャップにより、センサーはメッセージからタイミング データを抽出して処理し、次の PPS のリーディング エッジが到着する時刻を設定できるようになります。PPS が存在しない場合、または PPS が時間内に到着しない場合、NMEA メッセージから抽出されたタイミング情報は最終的に無効になります。
NMEA メッセージのシリアル接続は TTL シリアル、または実際にはRS-232ではない TTL RS-232 として一般的に知られています。
USB-シリアル アダプターを介して、GPS の代わりにコンピューターから NMEA 情報を取得することもできます。
このデバイスは、イーサネット経由の NMEA メッセージもサポートしています。
3. 設備の操作
レーザー励起（送信）、プロセス計算：データパケットレート、位置情報パケットレート、全体パケットレートなど、RPMを含みます。
3.1パケット
データ パケット レート:シングル エコー モードでは、データ パケット (パケット) は最大 3 つの送信サイクル (3*55.275 マイクロ秒 = 0.1658 ミリ秒) に対応できますが、ダブル エコー モードの送信期間 (55.275 ミリ秒) では 1 つのみが対応できることがよくわかります。マイクロ秒)、ここで 55.275 は平均量です。
このようにして、各モードの 1 秒あたりに送信されるパケット量と 1 秒あたりのデータ量を計算できます。
接続された GPS から発信される位置情報の場合、位置データ パケットが到着する速度は、データ パケットの速度 (前述) とはほぼ無関係です ((位置とデータ パケットの両方がセンサーによって送信される準備ができている場合)まったく同じ時刻である場合、データ パケットの送信中に位置パケットが遅延します)。
位置パケットは通常、 1 秒あたり約94位置パケットの速度で送信され、各パケットのサイズは 554 バイトであるため、1 秒あたりのデータ量は 52076 バイトになります。
全体として: 1 秒あたり 6030.5+94=6124.5 パケット (平均値)、シングル エコー モードで生成されるデータの量は: 1 秒あたり 7578140 バイト (つまり、1 秒あたり 7.2271Mb)、ダブル エコー モードでは 1 秒あたり 22630093.28 バイトが生成されます。 ( 21.5812Mb/秒) のデータ。
シングル エコー モードの場合、各レーザー ビームは最終的に距離と反射強度を測定する点のデータを表します。パケットには 3 つのシーケンスがあり、送信されたシーケンスには 128 個のポイントがあるため、1 つのパケットには 128*3= があります。パケット 384 ポイント; では、1 秒あたり何ポイント生成できるでしょうか (これは以前に計算されました)。ここではさまざまな方法が使用されています: 384*6030.5 (上の図の黄色の部分から) = 2315712 ポイント/秒 (理論上の最大値 230 万)。
ダブル エコー モードの場合、各リターン ポイントは 0、1、2 (レーザー パルスの反射内容に応じて、0 は空への発射などのノーを意味し、1 つまたは 2 つのエコーを意味します)、各パケットのみ 1 つのグループを保持できます。したがって、パケットには 256 ポイントしかないため、256*18091.36=4631388 ポイント/秒 (463 万) となります。
3.2 RPM（毎分回転数）
RPM は通常 300 ～ 1200 (動作周波数 5Hz ～ 20Hz に相当) に設定され、精度を確保するには各増分を 60 の倍数 (60 は 1 回転に相当) に設定する必要があります。ただし、デバイスは 600RPM (10Hz) に固定されており、センサーの発射時間は平均して 1 回の発射シーケンスあたり常に 55.275 us に近くなりますが、依然としてセンサーの角度分解能を決定するのは主に回転速度です。回転が速いほど、全回転速度が粗く測定されます。回転が遅いほど、解像度は高くなります。
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この問題の概要 (パート 1):
前号はより原則的なもので、主に学習方法といくつかの基本原則を説明しました。具体的なパケットの内容については次号に続き、他のライダーについては次号で類推のために紹介します。
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自動（インテリジェント）運転 | ネットワーク全体初の LIDAR マニュアル読み取りガイド (パート 2)_MendozaG のブログ - CSDN ブログ