宇樹(shù)機器人感知系統_激光雷達篇

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

目前宇樹(shù)不僅做機器人，還做其感知系統的雷達，它在機器人中主要做感知功能，其與智能駕駛中的感知類(lèi)似，輸出點(diǎn)云，與視覺(jué)攝像頭做融合定位，下面是詳細介紹。

Unitree 4D LiDAR-L2 是一款高性?xún)r(jià)比、安全可靠的 4D 激光雷達（3D 位置 +1D 灰度），它具有實(shí)現每秒 64000 次的高速激光測距采樣能力，可廣泛應用于機器人、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(shí)現。

■ 主要特性■

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

· L2 整機小巧輕便，重量?jì)H 230 克，適合通用的機器人環(huán)境掃描、定位、建圖、導航和避障。

· L2 擁有出色的超廣角掃描能力，視場(chǎng)角（FOV）擴展至水平 360°，豎直 90°，可實(shí)現半球形視場(chǎng)角的三維空間探測，應用范圍可擴大到更多的商用場(chǎng)景。

· 此外，L2 還支持負角度模式，在負角度模式下視場(chǎng)角將進(jìn)一步擴展至水平 360°，豎直 96°，所拓展的 6°視場(chǎng)角對應范圍的最遠測量距離會(huì )稍近一些。

· L2 內置 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(diǎn) / 秒。

· L2 不僅具有優(yōu)異的性能，還具備高可靠性，滿(mǎn)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 / 負角度模式、IMU 的使能控制、串口輸出 / 網(wǎng)口輸出、上單自啟動(dòng) / 指令啟動(dòng)、灰度使能。出廠(chǎng)默認參數為：3D 模式、負角度模式、IMU Disable、ENET 網(wǎng)口輸出、SELF START、GARY ON。

■ 整體組成 ■

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

■ 通訊方式 ■

L2 的通訊支持 ENET UDP 和 TTL UART。

當使用 ENET UDP 通訊時(shí)，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(shí)間測距技術(shù)，配合高速激光采集處理機構，可實(shí)現每秒 64000 次的測距動(dòng)作。

每次測距動(dòng)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物體后反射的光會(huì )被雷達的激光采集系統接收，經(jīng)過(guò)處理器分析處理，從通訊接口中輸出被照射到的目標物體與 L2 的距離值以及當前的夾角等信息。

■ 部件說(shuō)明 ■

光學(xué)窗口：通過(guò)光學(xué)窗口向外發(fā)散的激光光束能夠對視場(chǎng)角（FOV）范圍內的物體進(jìn)行掃描。

出線(xiàn)口：L2 出線(xiàn)有三個(gè)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），詳細的線(xiàn)序請查閱接口定義章節。

定位槽：共 4 個(gè)定位槽，在設計固定支架時(shí)，可以利用定位槽來(lái)提高整機的定位精度。具體尺寸請參考安裝尺寸章節。

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

■ 有效視場(chǎng)角（FOV）范圍 ■

L2 內部包含高速電機和低速電機，高速電機帶動(dòng)反光鏡旋轉，實(shí)現豎直方向 180°范圍的測量， 再通過(guò)低速旋轉電機帶動(dòng)測量核心部分 360°旋轉，從而實(shí)現 360*90°的半球形超廣角掃描， 可對雷達上方 360°的三維空間進(jìn)行測量，具體如下圖所示。安裝時(shí)請注意 FOV 的有效范圍， 避免遮擋 FOV 區域。

L2 支持負角度模式，在負角度時(shí)，水平方向視場(chǎng)角不變，垂直方向視場(chǎng)角拓展至 96°。在負角 度模式下，所拓展的 6°視場(chǎng)角對應范圍的最遠測量距離會(huì )稍近一些。

L2 的點(diǎn)云密度在不同的 FOV 區域內有所區別，越靠近中心點(diǎn)云密度越大，可參考下圖。

L2 正上方視野的量程最遠。此外，L2 正上方會(huì )有一個(gè)極小角度的視野空缺區域，為算法校正后的正?，F象。

■ 宇樹(shù)激光雷達參數對比■

宇樹(shù)的激光雷達，參數如下所示：

■ 優(yōu)勢

1. 價(jià)格：宇樹(shù)L2的售價(jià)范圍在999-1299元，相對較低，具有較高的性?xún)r(jià)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用場(chǎng)景。

3. 機械式掃描：雖然機械式掃描的可靠性較高，但宇樹(shù)L2采用的是雙電機轉鏡，可能在一定程度上提高了掃描的穩定性和精度。

4. 功耗較低：功耗為6W，適合對功耗要求較高的應用場(chǎng)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（如覽沃MID-360和禾賽JT128）的最大測距要短，限制了其在遠距離測量中的應用。

· 測距精度雖然較高

但相較于其他高精度激光雷達仍稍遜一籌，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（如速騰Airy的0.4°（H）x0.94°（V））表現一般。

· 線(xiàn)數較少

只有16線(xiàn)，相較于其他多線(xiàn)激光雷達（如禾賽JT128的128線(xiàn)），在點(diǎn)云數據的采集和處理能力上較弱。

· 點(diǎn)頻較低

點(diǎn)頻為2.16萬(wàn)點(diǎn)/秒，相較于點(diǎn)頻較高的激光雷達（如速騰Airy的86萬(wàn)點(diǎn)/秒），在動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的感知能力上有所不足。

綜上所述，宇樹(shù)L2激光雷達在價(jià)格、體積和功耗方面具有優(yōu)勢，但在測距、分辨率、線(xiàn)數和點(diǎn)頻方面存在一定的劣勢，適合在價(jià)格敏感且對性能要求不高的應用場(chǎng)景中使用。

■ 宇樹(shù)科技激光雷達拆解分析 ■

下圖為拆解圖，可以參考，其構造與功能，與普通的激光雷達基本一致，

1. 水平電機+軸承等總成

功能：該總成負責激光雷達的水平方向旋轉運動(dòng)。通過(guò)電機驅動(dòng)和軸承的支撐，實(shí)現激光雷達在水平面上的掃描。

2. 上蓋

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

3. 下蓋

功能：與上蓋一起，提供完整的殼體，保護內部電路和機械部件，確保設備正常運行。

4. 下電路板

功能：控制和處理激光雷達的數據。包括信號的接收、處理和傳輸等，是激光雷達的核心控制部分。

5. 轉子+受電線(xiàn)圈等總成

功能：該總成涉及激光發(fā)射和接收的旋轉部分。轉子負責帶動(dòng)激光發(fā)射器旋轉，受電線(xiàn)圈則用于接收反射回來(lái)的信號。

6. 墊圈

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

7. 支撐圈

功能：用于固定和保護內部組件，提供穩定的支撐，確保各部件在設備運行過(guò)程中的穩定性和可靠性。

8. 掃描模塊支架+電機等總成

功能：能夠覆蓋指定的掃描范圍。用于固定掃描模塊，并通過(guò)電機驅動(dòng)實(shí)現掃描模塊的運動(dòng)，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：激光器負責發(fā)射激光束，接收單元負責接收反射回來(lái)的激光信號，通過(guò)測量信號的時(shí)間差來(lái)計算距離。

11. 上電路板

功能：與下電路板一起，共同完成激光雷達的數據處理和控制任務(wù)，包括信號的數字化、濾波、分析以及數據傳輸等。

■ 優(yōu)劣勢總結 ■

因為為簡(jiǎn)單拆解，從工藝角度，與目前車(chē)規級別的有一定差異，其軸承，密封還不錯，一線(xiàn)大廠(chǎng)產(chǎn)品。電機因暫未破壞，故看不到銅線(xiàn)其定子的好壞，后續弄好，分享給大家！

其機械總成，沒(méi)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，故但從結構，工藝，應該算可以，其與汽車(chē)的激光雷達，差異不大。