自動機器人,汽車和無人機......你將如何處理激光雷達? - 💡 Fix My Ideas

自動機器人,汽車和無人機......你將如何處理激光雷達?

自動機器人,汽車和無人機......你將如何處理激光雷達?


作者: Ethan Holmes, 2019

在這裡閱讀雜誌上的文章 使:。還沒有訂閱?今天來一個。封面:美國宇航局的JPL正在使用VR技術創建下一個火星探測器。 Viktor Koen的插圖。

如果你今年一直住在地球上,你可能聽說有人提到自動駕駛汽車。如果您已經收聽,您可能已經聽說過谷歌無人駕駛汽車中使用的早期激光雷達裝置之一的價格為70,000美元。這些設備有點超出家庭汽車的典型價格點,更不用說業餘愛好者的項目了。

激光雷達曾是光探測和測距的首字母縮寫,也是“輕型雷達”的寫照。它的名字相當具有描述性:該裝置將激光從物體上反射回來,並感知光線的返回以測量所述物體的距離。這是自動駕駛汽車中物體檢測的關鍵。

但是暫時忘了車。高爾夫球車怎麼樣?

Alex Rodrigues,Michael Skupien和Brandon Moak在加拿大安大略省滑鐵盧大學建造了一個自動駕駛高爾夫球車作為機電一體化工程項目的一部分。能夠實現這一目標的傳感器是來自Velodyne的8,000美元激光雷達裝置,名為VLP-16,被親切地稱為Puck。在獲得35,000美元的撥款後,Rodrigues,Skupien和Moak退出滑鐵盧,前往加利福尼亞並參加YCombinator。他們創立了Varden Labs,剛剛完成了一輪籌款活動,並為自動穿梭機做了試飛,包括將VIP帶到薩克拉門托國王隊的比賽。

舊金山美術宮圓形大廳的激光雷達視角展示了場地的形狀和周圍的景觀。圖片由Velodyne提供

這並不是說激光雷達使自動駕駛變得簡單,但如果你能解決一些挑戰,推理羅德里格斯,你可以讓它更容易解決。 “我們故意選擇對這個問題施加限制,”他說。 “我們說,建造一輛完全自動駕駛的汽車,無論何時何地都可以在所有地方工作,這真的很難。但製作一些對運送人員有用的東西並不一定非常困難。因此,我們專門針對私人校園的班車服務。“這意味著他們可以放慢速度,將其置於像大學或退休社區這樣的受控環境中,並將其保留在私有財產上,以減少他們必須處理的規定。 。

不斷變化的景觀

瓦爾登實驗室(Varden Labs)只是眾多團隊中的一員,他們將自動駕駛高爾夫球車作為人員推動器,而且還有更多的工作在激光雷達計算機視覺和控制的其他領域。並非所有人都瞄準昂貴的大型車輛;這種技術正在迅速變得越來越容易被製造商所接受 - 而這些製造商反過來又使大眾更便宜,更容易獲得。

所以忘了自駕車高爾夫球車。更進一步減少問題。割草機怎麼樣?

“我們正在努力使它比普通割草機更好,”Ardumower項目的五名成員之一亞歷山大·格勞說,他是一台Arduino動力DIY自動切割機。

“如果你想要平均質量或平均功能,那麼你就可以購買普通的割草機,商用割草機。如果你想要一些特別的東西,那麼你必須自己建立一個割草機。“

基本上是你草坪的Roomba,對吧?

像那麼簡單就好了。 Roombas和其他機器人真空吸塵器(其中一些使用激光雷達)有幾個優點:它們(大多數)不在陽光直射下工作;他們永遠不必上升或下坡;他們的環境變化不大。把它帶到外面,把刀片放在上面,你必須應對許多其他混淆因素。

Velodyne HDL-32e激光雷達裝置在40º範圍內投射32個激光,以生成有關其環境的三維信息。它於2010年推出,售價29,900美元,是當今許多先進機器人和車輛上的先進設備。攝影:Hep Svadja

“如果你有平地,只是一個房間,例如,室內它很好用,”格勞說。 “但是戶外太難了,因為地面不平坦。因此,有時你會得到數據,來自地面的信號和處理軟件......認為這是一個障礙,但它只是地面。“

格勞會知道。他是一名計算機科學家,目前正在解決所有這些問題,而且更多的是為了追求Ardumower。你可以購買一台自動割草機,指出Grau,但它依靠圍繞周邊的電纜來保持邊界。激光雷達似乎是一個更好的選擇。

原則上,激光雷達不是很困難。但它的基本元素只給你一個數據點:你知道某些東西距離一定距離,但不知道它有多寬或多高,如果它在移動,它是如何定向的,或者其他任何東西。如果椅子的高度足以被激光擊中,那麼一個人看起來就像一把牆看起來和椅子一樣。要使激光雷達有用,您需要在一段時間內進行多次測量。並且有多種方法可以做到這一點。

捕獲路線

像Velodyne那樣的多激光激光雷達單元可以在靜止位置時快速捕獲場景的三維模型。該單元越先進,它包含的激光越多,反過來又會收集更高密度的數據,從而可以獲得相當詳細的3D圖像。

然而,一旦你開始移動激光雷達裝置,它捕獲的數據就開始重疊,使錄音無法解析。複雜的系統通過增加GPS等位置感知來克服這個問題。一些來自大型科技公司的測繪車輛將GPS與激光雷達裝置連接起來,以跟踪每個瞬間激光雷達數據被捕獲的確切點,用激光“繪製”他們的路線。結合位置數據,這可用於創建幾乎無限的3D點雲,對於各種應用非常有用,例如為自動駕駛汽車提供詳細的街道信息。

最簡單的說法是,在旋轉設備上粘貼一個單元並讓它繞過,每次旋轉時都會給你一張360°的圖像。 Grau從PulsedLight購買了價值115美元的Lidar-Lite單點傳感器,將其安裝在3D打印平台上,並連接了直流電機。使用機器人操作系統(ROS)的開源hector_slam代碼(同時定位和映射),Grau能夠獲得激光雷達數據的可視化地圖,並讓割草機解釋它們。

生成三維數據可讓您從各種有利位置查看位置。這裡:激光雷達單元的鳥瞰圖(放置在黑色圓圈的中心)和每個激光產生的痕跡。圖片由Velodyne提供

但最終,鑽機正在給Ardumower 太多了 使用Arduino進行處理的數據至少過多,尤其是當Grau用3D進行實驗時,試圖解決由於地形引起的信號干擾。一個更昂貴的單元,具有更大的處理需求,可以實現這一目標。 (相比之下,Rodrigues的Velodyne動力高爾夫球車需要桌面的計算能力。)

更詳細的數據

Grau的項目類似於一台名為Sweep的設備,這是一種小型旋轉激光雷達掃描裝置,也使用了Lidar-Lite。 Sweep由兩人公司Scanse開發,剛剛成功收購了273,000美元的Kickstarter。

Scanse的聯合創始人Kent Williams和Tyson Messori在決定開始製造激光雷達裝置時,正把自己的時間作為機器人顧問。威廉姆斯說:“我們發現,除非你使用激光雷達,否則你基本上無法在外面完成任何真正有能力的自治。” “傳感器的現有成本幾乎不可能。”他們在推出Kickstarter之前花了兩年時間設計Sweep,現在由於Kickstarter和Rothenberg Ventures的River加速器的價值25萬美元的風險投資而開始生產。

金槍魚罐頭大小的裝置,看起來像一個帶有不平衡眼睛的小頭,預售價為255美元(比Velodyne最便宜的裝置便宜30倍),也可以在ROS上運行,可以獲取距離最遠40米的數據點,以及非常適合無人機或機器人。 Lidar-Lite裝置採用一系列激光微脈衝;接收器識別這些脈衝,這意味著更容易將信號從環境噪聲中拉出,從而需要更少的處理能力並提供更清晰的圖像。傳感器位於無刷電機上,威廉姆斯和Messori還開發了一種“球形掃描套件”,將該裝置安裝在與無刷電機成90°角的伺服系統上,以便能夠以三維方式記錄數據。

來自Scanse的Sweep激光雷達裝置,售價255美元的單激光裝置,可旋轉360度以映射一個區域的單個平面。照片由Scanse提供

Grau也能夠通過添加另一個電機來設計他的傳感器版本,從而提供更全面的3D視圖。在這兩種情況下,結果都受到單位幀速率的限制;如果你以10Hz(Scanse設備的最大速度)旋轉它並且每秒記錄500個樣本(PulsedLight的Lidar-Lite的最大速度),你只需按照每秒在Y軸上的旋轉進行切割:每次上下點頭或垂直轉動時,您只能看到一次完整的圖片。這意味著,雖然該設備可用於2D環境平面的實時掃描,但要獲得3D表示,掃描需要靜止約一分鐘。

擺放在桌子上,Sweep靜靜地旋轉,在Williams的筆記本電腦上的ROS可視化器上的黑色區域上出現一組白點。它看起來像是房間的建築圖紙,用像素藝術寫成,你可以看到人們在移動時可視化為一條點線。 3D版本更像是一個藝術玩具,展示了一個具有可識別功能的點球 - 樹木,桌子,人。

冰球大小相當於冰球大小,體重只有四分之一磅,Sweep是業餘愛好者可以通過空中無人機測繪等實驗獲得的一些新型激光雷達設備之一。照片由Scanse提供

像Velodyne單元記錄的這樣的數據自然要詳細得多。實時出現“點雲”,隨著設備在太空中前進,彩色線條連續展開,物理特徵在這些線條中呈現出波浪狀。

Velodyne通過添加更多激光器來管理Puck及其較大單元。 Puck有16個,可以向上和向下傾斜15°,不需要單元在兩個軸上旋轉。將其與高達20Hz的旋轉速率和每55.296微秒發射的激光相結合,每秒可獲得300,000點。

成熟技術

還有其他方法可以用激光雷達測量環境。 80年代初,在法國巴黎,Omar-Pierre Soubra在激光三角測量的基礎上成立了一家名為Mensi的公司。目標是在退役之前提供核電廠內部的詳細3D模型。為了實現這一目標,Mensi設計了一個1米長的金屬管,一端帶有旋轉鏡,另一端帶有接收器。通過鏡子發送的激光會從空間內部反射,您可以使用三角法來定位數據點。隨著技術的進步,基於發送可識別的光包而不是恆定的流來結合飛行時間測量,它能夠實現極高的分辨率,每秒捕獲一百萬點並記錄太字節的信息。 Trimble是一家跨國公司,於2003年收購了Mensi。

Velodyne是一家擁有製造商根基的公司 - 創始人David Hall是BattleBots的老將,他開發了他們的激光雷達,現在由Google和其他許多從事自動駕駛汽車的公司使用,以進入DARPA Grand Challenge。但Trimble和Velodyne的設備並沒有考慮到製造商的設計:“我們不希望給人的印像是我們的產品是任何類型的即插即用,”Velodyne代表告訴我。 Trimble指出,Soubra購買了Mensi,因為該技術對Trimble的一些核心工業企業非常有用,如採礦,建築,土木工程等。

然而,廉價的單激光單元的用途仍然無數。將它放在船上或輪椅上以獲得輔助指導。將其放置在房間的靜止位置,它可以作為安全裝置,或作為智能燈開關,或通過識別運動來告訴房間有多忙。羅德里格斯說:“使用激光雷達時,你真的會遇到很多麻煩的各種各樣的3D探測功能突然非常非常簡單。” Grau打算將他的掃描儀與其他傳感器(可能是無線電自動測向儀)結合使用,以獲得更強大的割草機。

Soubra說激光雷達還可以作為掃描儀與3D打印結合使用:“這是其中一個開始遵循我稱之為3D打印後果的行業,”他說。 “3D打印的一個問題是,你玩它,並且很快就厭倦了下載別人創建的對象......有時候你想擁有你擁有的東西的副本。並且您希望將其複製到3D打印模型中,可能將其縮小,或者將其擴展得更大,或者不管它是什麼。因此,3D掃描成為自己做事的工具鏈的一部分。“

Rob Nance的插圖

儘管有速度和分辨率等挑戰,激光雷達仍在不斷進步。 “與這個價格範圍內的大多數其他傳感器相比,如聲納和紅外測距儀,這提供了更多的數據,”Messori說。隨著這些改進將有額外的用途,配有激光雷達為他們量身定制。 “這第一台設備真正打算成為開發產品,”Messori說。 “我們肯定打算針對特定應用對其進行改進,或針對特定應用進行調整。”這可能會增加加速度計或陀螺儀,使其在無人機上更好地工作,增強其耐用性,或增加與手機配對的連接性,以及Messori和Williams期待,最終,在他們的設備周圍建立一個機器人。

激光雷達剛剛進入DIY市場。成本繼續下降,更好的激光器和處理器將使分辨率提高,從而實現更多應用。

“這項技術開始專注於不同的領域,”Soubra說。 “現在眾所周知,它可以針對特定應用進行調整。這就是你知道什麼時候技術成熟的方式。“



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