Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

自动机器人,汽车和无人机......你将如何处理激光雷达?

在这里阅读杂志上的文章 使:。还没有订阅?今天来一个。封面:美国宇航局的JPL正在使用VR技术创建下一个火星探测器。 Viktor Koen的插图。

如果你今年一直住在地球上,你可能听说有人提到自动驾驶汽车。如果您已经收听,您可能已经听说过谷歌无人驾驶汽车中使用的早期激光雷达装置之一的价格为70,000美元。这些设备有点超出家庭汽车的典型价格点,更不用说业余爱好者的项目了。

激光雷达曾是光探测和测距的首字母缩写,也是“轻型雷达”的写照。它的名字相当具有描述性:该装置将激光从物体上反射回来,并感知光线的返回以测量所述物体的距离。这是自动驾驶汽车中物体检测的关键。

但是暂时忘了车。高尔夫球车怎么样?

Alex Rodrigues,Michael Skupien和Brandon Moak在加拿大安大略省滑铁卢大学建造了一个自动驾驶高尔夫球车作为机电一体化工程项目的一部分。能够实现这一目标的传感器是来自Velodyne的8,000美元激光雷达装置,名为VLP-16,被亲切地称为Puck。在获得35,000美元的拨款后,Rodrigues,Skupien和Moak退出滑铁卢,前往加利福尼亚并参加YCombinator。他们创立了Varden Labs,刚刚完成了一轮筹款活动,并为自动穿梭机做了试飞,包括将VIP带到萨克拉门托国王队的比赛。

旧金山美术宫圆形大厅的激光雷达视角展示了场地的形状和周围的景观。图片由Velodyne提供

这并不是说激光雷达使自动驾驶变得简单,但如果你能解决一些挑战,推理罗德里格斯,你可以让它更容易解决。 “我们故意选择对这个问题施加限制,”他说。 “我们说,建造一辆完全自动驾驶的汽车,无论何时何地都可以在所有地方工作,这真的很难。但制作一些对运送人员有用的东西并不一定非常困难。因此,我们专门针对私人校园的班车服务。“这意味着他们可以放慢速度,将其置于像大学或退休社区这样的受控环境中,并将其保留在私有财产上,以减少他们必须处理的规定。 。

不断变化的景观

瓦尔登实验室(Varden Labs)只是众多团队中的一员,他们将自动驾驶高尔夫球车作为人员推动器,而且还有更多的工作在激光雷达计算机视觉和控制的其他领域。并非所有人都瞄准昂贵的大型车辆;这种技术正在迅速变得越来越容易被制造商所接受 - 而这些制造商反过来又使大众更便宜,更容易获得。

所以忘了自驾车高尔夫球车。更进一步减少问题。割草机怎么样?

“我们正在努力使它比普通割草机更好,”Ardumower项目的五名成员之一亚历山大·格劳说,他是一台Arduino动力DIY自动切割机。

“如果你想要平均质量或平均功能,那么你就可以购买普通的割草机,商用割草机。如果你想要一些特别的东西,那么你必须自己建立一个割草机。“

基本上是你草坪的Roomba,对吧?

像那么简单就好了。 Roombas和其他机器人真空吸尘器(其中一些使用激光雷达)有几个优点:它们(大多数)不在阳光直射下工作;他们永远不必上升或下坡;他们的环境变化不大。把它带到外面,把刀片放在上面,你必须应对许多其他混淆因素。

Velodyne HDL-32e激光雷达装置在40º范围内投射32个激光,以生成有关其环境的三维信息。它于2010年推出,售价29,900美元,是当今许多先进机器人和车辆上的先进设备。摄影:Hep Svadja

“如果你有平地,只是一个房间,例如,室内它很好用,”格劳说。 “但是户外太难了,因为地面不平坦。因此,有时你会得到数据,来自地面的信号和处理软件......认为这是一个障碍,但它只是地面。“

格劳会知道。他是一名计算机科学家,目前正在解决所有这些问题,而且更多的是为了追求Ardumower。你可以购买一台自动割草机,指出Grau,但它依靠围绕周边的电缆来保持边界。激光雷达似乎是一个更好的选择。

原则上,激光雷达不是很困难。但它的基本元素只给你一个数据点:你知道某些东西距离一定距离,但不知道它有多宽或多高,如果它在移动,它是如何定向的,或者其他任何东西。如果椅子的高度足以被激光击中,那么一个人看起来就像一把墙看起来和椅子一样。要使激光雷达有用,您需要在一段时间内进行多次测量。并且有多种方法可以做到这一点。

捕获路线

像Velodyne那样的多激光激光雷达单元可以在静止位置时快速捕获场景的三维模型。该单元越先进,它包含的激光越多,反过来又会收集更高密度的数据,从而可以获得相当详细的3D图像。

然而,一旦你开始移动激光雷达装置,它捕获的数据就开始重叠,使录音无法解析。复杂的系统通过增加GPS等位置感知来克服这个问题。一些来自大型科​​技公司的测绘车辆将GPS与激光雷达装置连接起来,以跟踪每个瞬间激光雷达数据被捕获的确切点,用激光“绘制”他们的路线。结合位置数据,这可用于创建几乎无限的3D点云,对于各种应用非常有用,例如为自动驾驶汽车提供详细的街道信息。

最简单的说法是,在旋转设备上粘贴一个单元并让它绕过,每次旋转时都会给你一张360°的图像。 Grau从PulsedLight购买了价值115美元的Lidar-Lite单点传感器,将其安装在3D打印平台上,并连接了直流电机。使用机器人操作系统(ROS)的开源hector_slam代码(同时定位和映射),Grau能够获得激光雷达数据的可视化地图,并让割草机解释它们。

生成三维数据可让您从各种有利位置查看位置。这里:激光雷达单元的鸟瞰图(放置在黑色圆圈的中心)和每个激光产生的痕迹。图片由Velodyne提供

但最终,钻机正在给Ardumower 太多了 使用Arduino进行处理的数据至少过多,尤其是当Grau用3D进行实验时,试图解决由于地形引起的信号干扰。一个更昂贵的单元,具有更大的处理需求,可以实现这一目标。 (相比之下,Rodrigues的Velodyne动力高尔夫球车需要桌面的计算能力。)

更详细的数据

Grau的项目类似于一台名为Sweep的设备,这是一种小型旋转激光雷达扫描装置,也使用了Lidar-Lite。 Sweep由两人公司Scanse开发,刚刚成功收购了273,000美元的Kickstarter。

Scanse的联合创始人Kent Williams和Tyson Messori在决定开始制造激光雷达装置时,正把自己的时间作为机器人顾问。威廉姆斯说:“我们发现,除非你使用激光雷达,否则你基本上无法在外面完成任何真正有能力的自治。” “传感器的现有成本几乎不可能。”他们在推出Kickstarter之前花了两年时间设计Sweep,现在由于Kickstarter和Rothenberg Ventures的River加速器的价值25万美元的风险投资而开始生产。

金枪鱼罐头大小的装置,看起来像一个带有不平衡眼睛的小头,预售价为255美元(比Velodyne最便宜的装置便宜30倍),也可以在ROS上运行,可以获取距离最远40米的数据点,以及非常适合无人机或机器人。 Lidar-Lite装置采用一系列激光微脉冲;接收器识别这些脉冲,这意味着更容易将信号从环境噪声中拉出,从而需要更少的处理能力并提供更清晰的图像。传感器位于无刷电机上,威廉姆斯和Messori还开发了一种“球形扫描套件”,将该装置安装在与无刷电机成90°角的伺服系统上,以便能够以三维方式记录数据。

来自Scanse的Sweep激光雷达装置,售价255美元的单激光装置,可旋转360度以映射一个区域的单个平面。照片由Scanse提供

Grau也能够通过添加另一个电机来设计他的传感器版本,从而提供更全面的3D视图。在这两种情况下,结果都受到单位帧速率的限制;如果你以10Hz(Scanse设备的最大速度)旋转它并且每秒记录500个样本(PulsedLight的Lidar-Lite的最大速度),你只需按照每秒在Y轴上的旋转进行切割:每次上下点头或垂直转动时,您只能看到一次完整的图片。这意味着,虽然该设备可用于2D环境平面的实时扫描,但要获得3D表示,扫描需要静止约一分钟。

摆放在桌子上,Sweep静静地旋转,在Williams的笔记本电脑上的ROS可视化器上的黑色区域上出现一组白点。它看起来像是房间的建筑图纸,用像素艺术写成,你可以看到人们在移动时可视化为一条点线。 3D版本更像是一个艺术玩具,展示了一个具有可识别功能的点球 - 树木,桌子,人。

冰球大小相当于冰球大小,体重只有四分之一磅,Sweep是业余爱好者可以通过空中无人机测绘等实验获得的一些新型激光雷达设备之一。照片由Scanse提供

像Velodyne单元记录的这样的数据自然要详细得多。实时出现“点云”,随着设备在太空中前进,彩色线条连续展开,物理特征在这些线条中呈现出波浪状。

Velodyne通过添加更多激光器来管理Puck及其较大单元。 Puck有16个,可以向上和向下倾斜15°,不需要单元在两个轴上旋转。将其与高达20Hz的旋转速率和每55.296微秒发射的激光相结合,每秒可获得300,000点。

成熟技术

还有其他方法可以用激光雷达测量环境。 80年代初,在法国巴黎,Omar-Pierre Soubra在激光三角测量的基础上成立了一家名为Mensi的公司。目标是在退役之前提供核电厂内部的详细3D模型。为了实现这一目标,Mensi设计了一个1米长的金属管,一端带有旋转镜,另一端带有接收器。通过镜子发送的激光会从空间内部反射,您可以使用三角法来定位数据点。随着技术的进步,基于发送可识别的光包而不是恒定的流来结合飞行时间测量,它能够实现极高的分辨率,每秒捕获一百万点并记录太字节的信息。 Trimble是一家跨国公司,于2003年收购了Mensi。

Velodyne是一家拥有制造商根基的公司 - 创始人David Hall是BattleBots的老将,他开发了他们的激光雷达,现在由Google和其他许多从事自动驾驶汽车的公司使用,以进入DARPA Grand Challenge。但Trimble和Velodyne的设备并没有考虑到制造商的设计:“我们不希望给人的印象是我们的产品是任何类型的即插即用,”Velodyne代表告诉我。 Trimble指出,Soubra购买了Mensi,因为该技术对Trimble的一些核心工业企业非常有用,如采矿,建筑,土木工程等。

然而,廉价的单激光单元的用途仍然无数。将它放在船上或轮椅上以获得辅助指导。将其放置在房间的静止位置,它可以作为安全装置,或作为智能灯开关,或通过识别运动来告诉房间有多忙。罗德里格斯说:“使用激光雷达时,你真的会遇到很多麻烦的各种各样的3D探测功能突然非常非常简单。” Grau打算将他的扫描仪与其他传感器(可能是无线电自动测向仪)结合使用,以获得更强大的割草机。

Soubra说激光雷达还可以作为扫描仪与3D打印结合使用:“这是其中一个开始遵循我称之为3D打印后果的行业,”他说。 “3D打印的一个问题是,你玩它,并且很快就厌倦了下载别人创建的对象......有时候你想拥有你拥有的东西的副本。并且您希望将其复制到3D打印模型中,可能将其缩小,或者将其扩展得更大,或者不管它是什么。因此,3D扫描成为自己做事的工具链的一部分。“

Rob Nance的插图

尽管有速度和分辨率等挑战,激光雷达仍在不断进步。 “与这个价格范围内的大多数其他传感器相比,如声纳和红外测距仪,这提供了更多的数据,”Messori说。随着这些改进将有额外的用途,配有激光雷达为他们量身定制。 “这第一台设备真正打算成为开发产品,”Messori说。 “我们肯定打算针对特定应用对其进行改进,或针对特定应用进行调整。”这可能会增加加速度计或陀螺仪,使其在无人机上更好地工作,增强其耐用性,或增加与手机配对的连接性,以及Messori和Williams期待,最终,在他们的设备周围建立一个机器人。

激光雷达刚刚进入DIY市场。成本继续下降,更好的激光器和处理器将使分辨率提高,从而实现更多应用。

“这项技术开始专注于不同的领域,”Soubra说。 “现在众所周知,它可以针对特定应用进行调整。这就是你知道什么时候技术成熟的方式。“

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