Лидары, особенности конструкции

Излучающие и приёмные линзы лидара Velodyne

Многолучевой сканирующий лидар разработан для установки на автомобиль или подобное транспортное средство. Для получения круговой панорамы сканирования лидар должен быть размещен над верхней точкой транспортного средства. Для безопасного управления движением необходимо иметь информацию как о ближней зоне сканирования так и о дальней, избегать затенения близстоящими препятствиями удаленных. С этой целью конструкторы лидара используют 64 лазера, установленных с равным шагом в диапазоне углов от -24.8° до +2°. На фото видно две плоскости, в которых установлены линзы, их угол наклона по отношению к горизонтальной поверхности различен. Объективы нижнего блока направлены вниз и сканируют ближнюю зону, верхний блок позволяет получить информацию о дальней зоне. Каждый блок состоит из объектива фотоприемника, расположенного по центру, и двух объективов лазерных излучателей, размещенных по краям.

Банк лазерных диодов лидара Velodyne

В лидаре используются инфракрасные полупроводниковые лазеры, безопасной для глаза мощности с длиной волны 905 нм. Лазеры сгруппированы по 16 штук и расположены слева и справа от линзы фотоприемника. Использование 64 лазеров определило потребляемую лидаром мощность - 60 ватт. Фотоприёмники отражённого излучения сгруппированы по 32 и установлены за общими центральными объективами нижнего и верхнего оптических блоков лидара.

Плата фотодиодов лидара Velodyne

Вычислитель, рассчитывающий расстояние до отражённых объектов, расположен непосредственно в лидаре. Используя интерфейс Ethernet он выдает данные по 1.3 млн точкам с частотой обновления до 15 Гц. Точность достигается за счёт многоразового сканирования и последующей фильтрации результатов.

Грузы для стабилизации при вращении лидара Velodyne

Лидар состоит из двух частей: верхней вращающейся и неподвижной части основания, на фото синего цвета. Для избежания разбалансировки и возможных вибраций в условиях немалой частоты вращения до 900 об/мин, вес объективов уравновешен цилиндрическими грузами. Электрические сигналы и питание от вращающейся части к неподвижному основанию передаётся посредством кольцевых контактов slip ring. Текущий угол поворота вращающейся головы относительно неподвижного основания, а соответственно, и курсового угла движения транспортного средства, определяется оптическим энкодером, установленным снизу вращающейся части лидара.

Англоязычный рассказ разработчика о работе лидара Velodyne можно посмотреть в размещённом справа видео. Весьма показательно изображение, демонстрируемое с 5 минуты, получаемое с лазерного лидара. На нём можно увидеть фактическую разрешающую способность 64-лучевого сканирующего лазерного лидара.

Лидар SICK со снятой крышкой

Лидар SICK со снятой крышкой. Мотор (диск медного цвета) вращает зеркало, установленное под углом 45° к оси вращения.

Лазерный луч направлен на отражающую поверхность зеркала и немного смещён относительно оси его вращения. Вследствие вращения зеркала, отражённый им луч лазера совершает круговое перемещение. Отражённый окружающими препятствиями лазерный луч частично возвращается в лидар, вновь отражается зеркалом и попадает на фотодетектор, установленный рядом с лазером. По разнице фаз излучённого и принятого когерентного лазерного луча вычислитель, расположенный на U-образной печатной плате, рассчитывает расстояние от препятствия до лидара.

Оптический энкодер лидара SICK

Для формирования круговой развёртки лидара необходимо иметь информацию о текущем угле поворота зеркала. С этой целью на оси вращения мотора привода зеркала закреплён кодовый диск энкодера (расположен непосредственно над платой). Мгновенное значение угла положения зеркала определяется подсчётом импульсов от прорезей (на фото хорошо видны по краю диска) в кодовом диске при помощи открытой оптопары (расположена на вертикальной печатной плате). Начало отсчёта, как и его окончание - нулевой градус, задаётся дополнительной прорезью на меньшем радиусе кодового диска (вытянутое отверстие, расположенное ближе к центру диска энкодера лидара).

Поворотное зеркало лидара SICK

Внутренности лидара SICK с другого угла — вдоль плоскости сканирования. Здесь можно лучше разглядеть оптический модуль лидара. Особенность его конструкции в том, что лазерный луч частично отражается в фотодетектор непосредственно от вращающегося зеркала. Это позволяет начать отсчёт времени измерительного интервала по пику испущенного лазером светового импульса и остановить отсчёт по получению его отражения от препятствия. Для повышения точности показаний лидара измерения производится несколько раз.