宇樹機(jī)器人感知系統(tǒng)_激光雷達(dá)篇

本周講解感知系統(tǒng)，以當(dāng)今最火的宇樹機(jī)器人為例進(jìn)行介紹，今天給大家講解，感知系統(tǒng)的中的激光雷達(dá)，希望對大家工作有所幫助。

目前宇樹不僅做機(jī)器人，還做其感知系統(tǒng)的雷達(dá)，它在機(jī)器人中主要做感知功能，其與智能駕駛中的感知類似，輸出點云，與視覺攝像頭做融合定位，下面是詳細(xì)介紹。

Unitree 4D LiDAR-L2 是一款高性價比、安全可靠的 4D 激光雷達(dá)（3D 位置 +1D 灰度），它具有實現(xiàn)每秒 64000 次的高速激光測距采樣能力，可廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、智慧城市、智能玩具、物流等領(lǐng)域，支持建圖、定位、識別、避障、環(huán)境掃描、3D 重建等功能的實現(xiàn)。

■ 主要特性■

· L2 雷達(dá)可探測最近 0.05 米、最遠(yuǎn)距離 30 米的物體（90% 反射率）。

· L2 整機(jī)小巧輕便，重量僅 230 克，適合通用的機(jī)器人環(huán)境掃描、定位、建圖、導(dǎo)航和避障。

· L2 擁有出色的超廣角掃描能力，視場角（FOV）擴(kuò)展至水平 360°，豎直 90°，可實現(xiàn)半球形視場角的三維空間探測，應(yīng)用范圍可擴(kuò)大到更多的商用場景。

· 此外，L2 還支持負(fù)角度模式，在負(fù)角度模式下視場角將進(jìn)一步擴(kuò)展至水平 360°，豎直 96°，所拓展的 6°視場角對應(yīng)范圍的最遠(yuǎn)測量距離會稍近一些。

· L2 內(nèi)置 3 軸加速度和 3 軸陀螺儀的 IMU 模塊，支持 1KHz 的采樣頻率與 500Hz 的上報頻率。

· L2 的周向掃描頻率為 5.55Hz，豎直掃描頻率為 216Hz，有效采樣頻率為 64000 點 / 秒。

· L2 不僅具有優(yōu)異的性能，還具備高可靠性，滿足 -10℃~50℃的工作環(huán)境溫度范圍以及 IEC-60825 Class 1 人眼安全等級。

· L2 支持控制 3D/2D 模式、正常模式 / 負(fù)角度模式、IMU 的使能控制、串口輸出 / 網(wǎng)口輸出、上單自啟動 / 指令啟動、灰度使能。出廠默認(rèn)參數(shù)為：3D 模式、負(fù)角度模式、IMU Disable、ENET 網(wǎng)口輸出、SELF START、GARY ON。

■ 整體組成 ■

L2 雷達(dá)主要包括激光發(fā)射及測距核心、反光鏡、高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)、低速旋轉(zhuǎn)電機(jī)。在工作狀態(tài)時，按圖示視角，高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)、低速旋轉(zhuǎn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向如下圖所示。

■ 通訊方式 ■

L2 的通訊支持 ENET UDP 和 TTL UART。

當(dāng)使用 ENET UDP 通訊時，連接 L2 的網(wǎng)口以及電源口即可。

■ 工作原理 ■

L2 采用了激光飛行時間測距技術(shù)，配合高速激光采集處理機(jī)構(gòu)，可實現(xiàn)每秒 64000 次的測距動作。

每次測距動作，L2 發(fā)射 ns 級別窄脈沖紅外激光信號，該激光信號在照射到目標(biāo)物體后反射的光會被雷達(dá)的激光采集系統(tǒng)接收，經(jīng)過處理器分析處理，從通訊接口中輸出被照射到的目標(biāo)物體與 L2 的距離值以及當(dāng)前的夾角等信息。

■ 部件說明 ■

光學(xué)窗口：通過光學(xué)窗口向外發(fā)散的激光光束能夠?qū)σ晥鼋牵‵OV）范圍內(nèi)的物體進(jìn)行掃描。

出線口：L2 出線有三個端子，分別為 DC3.5-1.35 供電頭（電源口）、RJ45 母頭（網(wǎng)口）、GH1.25-4Y 公頭（串口），詳細(xì)的線序請查閱接口定義章節(jié)。

定位槽：共 4 個定位槽，在設(shè)計固定支架時，可以利用定位槽來提高整機(jī)的定位精度。具體尺寸請參考安裝尺寸章節(jié)。

M3 安裝孔：共 4 個安裝孔，可使用 M3 螺絲將 L2 固定在合適的位置上。

■ 有效視場角（FOV）范圍 ■

L2 內(nèi)部包含高速電機(jī)和低速電機(jī)，高速電機(jī)帶動反光鏡旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)豎直方向 180°范圍的測量， 再通過低速旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動測量核心部分 360°旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn) 360*90°的半球形超廣角掃描， 可對雷達(dá)上方 360°的三維空間進(jìn)行測量，具體如下圖所示。安裝時請注意 FOV 的有效范圍， 避免遮擋 FOV 區(qū)域。

L2 支持負(fù)角度模式，在負(fù)角度時，水平方向視場角不變，垂直方向視場角拓展至 96°。在負(fù)角 度模式下，所拓展的 6°視場角對應(yīng)范圍的最遠(yuǎn)測量距離會稍近一些。

L2 的點云密度在不同的 FOV 區(qū)域內(nèi)有所區(qū)別，越靠近中心點云密度越大，可參考下圖。

L2 正上方視野的量程最遠(yuǎn)。此外，L2 正上方會有一個極小角度的視野空缺區(qū)域，為算法校正后的正常現(xiàn)象。

■ 宇樹激光雷達(dá)參數(shù)對比■

宇樹的激光雷達(dá)，參數(shù)如下所示：

■ 優(yōu)勢

1. 價格：宇樹L2的售價范圍在999-1299元，相對較低，具有較高的性價比。

2. 體積小巧：尺寸為75x75x65mm，重量為230g，適合需要輕便和小型化的應(yīng)用場景。

3. 機(jī)械式掃描：雖然機(jī)械式掃描的可靠性較高，但宇樹L2采用的是雙電機(jī)轉(zhuǎn)鏡，可能在一定程度上提高了掃描的穩(wěn)定性和精度。

4. 功耗較低：功耗為6W，適合對功耗要求較高的應(yīng)用場景。

■ 劣勢

· 最大測距較短

最大測距僅為15m@10%，相比其他激光雷達(dá)（如覽沃MID-360和禾賽JT128）的最大測距要短，限制了其在遠(yuǎn)距離測量中的應(yīng)用。

· 測距精度雖然較高

但相較于其他高精度激光雷達(dá)仍稍遜一籌，例如速騰Airy的1cm。

· 分辨率較低

分辨率為0.64°，相較于其他高分辨率激光雷達(dá)（如速騰Airy的0.4°（H）x0.94°（V））表現(xiàn)一般。

· 線數(shù)較少

只有16線，相較于其他多線激光雷達(dá)（如禾賽JT128的128線），在點云數(shù)據(jù)的采集和處理能力上較弱。

· 點頻較低

點頻為2.16萬點/秒，相較于點頻較高的激光雷達(dá)（如速騰Airy的86萬點/秒），在動態(tài)場景的感知能力上有所不足。

綜上所述，宇樹L2激光雷達(dá)在價格、體積和功耗方面具有優(yōu)勢，但在測距、分辨率、線數(shù)和點頻方面存在一定的劣勢，適合在價格敏感且對性能要求不高的應(yīng)用場景中使用。

■ 宇樹科技激光雷達(dá)拆解分析 ■

下圖為拆解圖，可以參考，其構(gòu)造與功能，與普通的激光雷達(dá)基本一致，

1. 水平電機(jī)+軸承等總成

功能：該總成負(fù)責(zé)激光雷達(dá)的水平方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。通過電機(jī)驅(qū)動和軸承的支撐，實現(xiàn)激光雷達(dá)在水平面上的掃描。

2. 上蓋

功能：保護(hù)激光雷達(dá)的內(nèi)部組件，防止灰塵、水分和其他環(huán)境因素的侵入，起到防護(hù)作用。

3. 下蓋

功能：與上蓋一起，提供完整的殼體，保護(hù)內(nèi)部電路和機(jī)械部件，確保設(shè)備正常運(yùn)行。

4. 下電路板

功能：控制和處理激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)。包括信號的接收、處理和傳輸?shù)龋羌す饫走_(dá)的核心控制部分。

5. 轉(zhuǎn)子+受電線圈等總成

功能：該總成涉及激光發(fā)射和接收的旋轉(zhuǎn)部分。轉(zhuǎn)子負(fù)責(zé)帶動激光發(fā)射器旋轉(zhuǎn)，受電線圈則用于接收反射回來的信號。

6. 墊圈

功能：起到密封和減震的作用，確保各個部件之間的連接牢固，同時防止松動和減少震動對設(shè)備的影響。

7. 支撐圈

功能：用于固定和保護(hù)內(nèi)部組件，提供穩(wěn)定的支撐，確保各部件在設(shè)備運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

8. 掃描模塊支架+電機(jī)等總成

功能：能夠覆蓋指定的掃描范圍。用于固定掃描模塊，并通過電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)掃描模塊的運(yùn)動，確保激光束

9. 匯聚透鏡和支架

功能：匯聚透鏡用于將發(fā)散的激光束匯聚成平行光，或者將平行光匯聚到接收器上，提高激光束的利用率和接收信號的準(zhǔn)確性。支架用于固定透鏡。

10. 激光器和接收單元

功能：激光器負(fù)責(zé)發(fā)射激光束，接收單元負(fù)責(zé)接收反射回來的激光信號，通過測量信號的時間差來計算距離。

11. 上電路板

功能：與下電路板一起，共同完成激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理和控制任務(wù)，包括信號的數(shù)字化、濾波、分析以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

■ 優(yōu)劣勢總結(jié) ■

因為為簡單拆解，從工藝角度，與目前車規(guī)級別的有一定差異，其軸承，密封還不錯，一線大廠產(chǎn)品。電機(jī)因暫未破壞，故看不到銅線其定子的好壞，后續(xù)弄好，分享給大家！

其機(jī)械總成，沒啥評論，不是核心件，越便宜越好！

其性能及軟件，需要下載官方SDK進(jìn)行驗證，故但從結(jié)構(gòu)，工藝，應(yīng)該算可以，其與汽車的激光雷達(dá)，差異不大。