Phạm vi TOF (Thời gian bay) LiDARlà một công nghệ cảm biến đo khoảng cách bằng cách phát ra xung laser, tính thời gian quay trở lại của nó sau khi phản xạ và chuyển đổi thời gian bay đó thành dữ liệu phạm vi chính xác. Không giống như quét LiDAR quét chùm tia qua khung cảnh, TOF LiDAR có thể hoạt động theo cách trực tiếp hơn, thường ở trạng thái rắn hoặc flash, cho phép chụp ảnh độ sâu 3D nhanh. Thông điệp trọng tâm của bài viết này là thế hệ mới nhất của các sản phẩm LiDAR TOF Range—có độ chính xác cao, phạm vi mở rộng, mức tiêu thụ điện năng thấp và hiệu suất mạnh mẽ trong môi trường phức tạp—là giải pháp hấp dẫn cho các ứng dụng trong lái xe tự động, robot, tự động hóa công nghiệp và cơ sở hạ tầng thông minh.
Dưới đây là bảng thông số kỹ thuật đại diện minh họa các mục tiêu hiệu suất điển hình cho thiết kế LiDAR phạm vi TOF hàng đầu (sản phẩm thực tế mà bạn phát triển có thể điều chỉnh các giá trị này):
| tham số | Giá trị / Mục tiêu điển hình |
|---|---|
| Phạm vi đo | 0,2 m đến 200 m |
| Độ chính xác của phạm vi | ±2 cm ở 100 m |
| Trường nhìn góc (FOV) | 120° × 30° (ngang × dọc) |
| Độ phân giải góc | 0,1° |
| Tốc độ khung hình | 30Hz |
| Bước sóng Laser | 905 nm (lớp an toàn cho mắt) |
| Tiêu thụ điện năng | 8 W |
| Giao diện & đầu ra | Ethernet / GigE / ROS / đám mây điểm |
Chụp toàn cảnh, tốc độ cao: Vì hệ thống TOF có thể chiếu sáng và thu thập dữ liệu độ sâu trên toàn bộ trường (ví dụ: chụp flash hoặc chụp mảng), nên chúng có thể tránh được độ trễ quét cơ học của LiDAR truyền thống.
Nhỏ gọn và chắc chắn: Thiết kế trạng thái rắn không có bộ phận chuyển động giúp giảm độ mài mòn, kích thước và độ phức tạp của hệ thống.
Chi phí hệ thống thấp hơn trên quy mô lớn: Quang học và điện tử đơn giản hơn (so với hệ thống mảng theo pha hoặc FMCW) giúp giảm chi phí cho việc triển khai quy mô lớn.
Hiệu suất ổn định dưới các điều kiện ánh sáng khác nhau: Hệ thống TOF sử dụng hệ thống chiếu sáng chủ động nên sự thay đổi ánh sáng xung quanh ít ảnh hưởng hơn đến các phép đo độ sâu.
Khả năng ứng dụng rộng rãi: Thích hợp cho các phương tiện tự hành (phát hiện nhận thức và chướng ngại vật), robot, tự động hóa công nghiệp (ví dụ: xử lý vật liệu, lấy hàng 3D), thành phố thông minh (giám sát giao thông, kiểm tra kết cấu) và an toàn cơ sở hạ tầng.
Thị trường TOF LiDAR toàn cầu được định giá 1,99 tỷ USD vào năm 2024 và được dự báo sẽ đạt 5,47 tỷ USD vào năm 2030 (CAGR ~18,4 %)
Trong lĩnh vực ô tô, hệ thống LiDAR dựa trên TOF ngày càng được áp dụng nhiều trong các hệ thống hỗ trợ người lái tiên tiến (ADAS) và hệ thống lái xe tự động.
Nhu cầu về robot, hậu cần và cơ sở hạ tầng thông minh đang thúc đẩy việc áp dụng bên ngoài ô tô, khiến nền kinh tế số lượng trở nên dễ tiếp cận hơn.
Mặc dù FMCW LiDAR mang lại lợi ích về độ bền nhiễu và phạm vi mở rộng nhưng nó phức tạp và đắt tiền hơn. Các cuộc tranh luận giữa TOF và FMCW nêu bật sự cân bằng giữa chi phí, khả năng tích hợp và hiệu suất.
TOF vẫn dễ triển khai hơn, đặc biệt đối với các ứng dụng tầm trung và có thể bổ sung cho việc quét LiDAR bằng cách đóng vai trò là cảm biến độ sâu góc rộng, nhanh.
Trong nhiều cơ sở chế tạo robot hoặc công nghiệp có nhu cầu phạm vi vừa phải, TOF mang lại điểm cao về hiệu suất, chi phí và độ tin cậy.
Một xung laser ngắn được phát ra về phía mục tiêu.
Xung phản xạ khỏi các bề mặt trong cảnh.
Cảm biến phát hiện các photon quay trở lại và đo độ trễ thời gian.
Khoảng cách = (tốc độ ánh sáng × thời gian khứ hồi) 2.
Bản đồ độ sâu hoặc đám mây điểm được xây dựng trên toàn bộ khu vực.
Vì đã biết tốc độ ánh sáng nên cần có độ chính xác về thời gian rất cao; điều này đòi hỏi thiết bị điện tử nhanh, hiệu chỉnh thời gian tốt và độ nhạy phát hiện photon.
Máy dò photon & mảng SPAD: Điốt tuyết lở đơn photon (SPAD) cho phép phát hiện các phản hồi cực kỳ mờ bằng cách sử dụng tính năng đếm photon. Một số phương pháp nâng cao (ví dụ: thu thập không có biểu đồ) làm giảm thời gian chết và biến dạng chồng chất.
Điều khiển định hình và chiếu sáng chùm tia: Tối ưu hóa hình dạng, độ phân kỳ và thời gian xung laser giúp tối đa hóa tín hiệu trên nhiễu trong khi vẫn đảm bảo an toàn cho mắt.
Xử lý và hiệu chuẩn tín hiệu: Hiệu chỉnh bước đi trong phạm vi, triệt tiêu ánh sáng xung quanh và phát hiện nhiều đỉnh là rất quan trọng để mang lại độ sâu chính xác trong các điều kiện quay trở lại khác nhau.
Tích hợp phần cứng: Tích hợp chặt chẽ quang học, điện tử, xử lý và kiểm soát nhiệt giúp giảm kích thước và cải thiện độ ổn định.
Ngăn xếp chương trình cơ sở & phần mềm: Lọc theo thời gian thực, tạo đám mây điểm, phân đoạn đối tượng và kết hợp cảm biến (với máy ảnh, radar) thường là một phần của quy trình nhúng.
Lập kế hoạch về vị trí và phạm vi phủ sóng của cảm biến: Việc lắp đặt tối ưu (xe, robot, cơ sở hạ tầng) đảm bảo rằng trường nhìn chồng chéo và giảm vùng mù.
Phản ứng tổng hợp cảm biến: Đầu ra TOF LiDAR thường được kết hợp với dữ liệu camera hoặc radar để có được nhận thức có độ tin cậy cao hơn (ví dụ: độ sâu + màu sắc để hiểu ngữ nghĩa).
Hiệu chuẩn & căn chỉnh: Hiệu chuẩn bên trong/bên ngoài đảm bảo rằng bản đồ độ sâu căn chỉnh với các cảm biến khác trong khung tọa độ chung.
Quản lý tốc độ dữ liệu và băng thông: Truyền dữ liệu có độ sâu đầy đủ ở tốc độ khung hình cao có thể gây căng thẳng cho giao diện mạng—sử dụng tính năng nén hiệu quả và bộ lọc ROI thông minh.
Kiểm soát nhiệt và môi trường: Đảm bảo hiệu suất trong phạm vi nhiệt độ rộng và trong các điều kiện thời tiết như mưa hoặc bụi.
Câu hỏi: Phạm vi đáng tin cậy tối đa của TOF Range LiDAR là bao nhiêu?
Trả lời: Phạm vi đáng tin cậy tối đa phụ thuộc vào công suất laser, độ nhạy của máy thu, quang học và điều kiện xung quanh. Đối với các hệ thống TOF LiDAR tiên tiến, phạm vi lên tới ~200 m là khả thi trong điều kiện thuận lợi. Phạm vi có thể giảm khi mưa lớn, bề mặt có độ phản xạ thấp hoặc ánh sáng xung quanh cao.
Câu hỏi: Ánh sáng xung quanh hoặc ánh sáng mặt trời ảnh hưởng như thế nào đến phép đo TOF?
Đáp: Ánh sáng xung quanh làm tăng nhiễu cho máy dò photon và có thể làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu. Thiết kế TOF giảm thiểu điều này thông qua các bộ lọc quang dải hẹp, cổng thời gian, phép trừ nền và điều khiển dải động. Bộ triệt tiêu xung quanh và hiệu chuẩn cao giúp duy trì độ chính xác ngay cả khi ở ngoài trời dưới ánh nắng chói chang.
Câu hỏi: Độ chính xác của TOF Range LiDAR trong điều kiện thực tế là bao nhiêu?
Đáp: Độ chính xác thường ở mức centimet (ví dụ ±2 cm), nhưng sai số thực tế phụ thuộc vào các yếu tố như độ phản xạ bề mặt, góc tới, phản xạ bội và nhiễu của máy dò. Hiệu chuẩn và xử lý được thiết kế tốt giúp giảm thiểu sai sót hệ thống.
Câu hỏi: TOF LiDAR có thể xử lý các vật thể chuyển động nhanh không?
Đ: Vâng. Vì hệ thống ghi lại toàn bộ độ sâu trên mỗi khung hình nên nó có thể theo dõi các vật thể chuyển động nhanh với điều kiện tốc độ khung hình đủ cao (ví dụ: 30–60 Hz trở lên). Độ mờ chuyển động ở mức pixel ít xảy ra hơn vì độ sâu là tức thời trên mỗi xung chứ không phải do độ trễ quét.
Tích hợp và thu nhỏ: Mong đợi sự tích hợp nguyên khối của quang học, máy dò và xử lý để giảm kích thước và chi phí.
Hệ thống lai TOF + FMCW: Việc kết hợp các điểm mạnh của cả hai phương thức sẽ mang lại khả năng chống nhiễu, phạm vi và đánh đổi hiệu suất tốt hơn.
Các thuật toán nâng cao và xử lý AI: Lọc nhiễu thích ứng, học sâu để phân đoạn và nén đám mây điểm theo thời gian thực sẽ vượt qua các giới hạn về khả năng.
Tiêu chuẩn hóa và khả năng tương tác: Giao diện cảm biến thống nhất, khả năng tương thích ROS và các định dạng dữ liệu tiêu chuẩn sẽ dễ dàng tích hợp vào các hệ thống phức tạp.
Việc áp dụng hàng loạt do số lượng thúc đẩy: Khi nhu cầu về ô tô, hậu cần và cơ sở hạ tầng thông minh tăng lên, tính kinh tế nhờ quy mô sẽ hạ thấp rào cản chi phí.
Nhấn mạnh sự cân bằng giữa phạm vi và độ chính xác: cho thấy cách thiết kế của bạn đạt được phạm vi xa hơn mà không làm giảm độ chính xác.
Làm nổi bật hiệu quả sử dụng năng lượng và độ ổn định nhiệt: nhiều thiết kế cạnh tranh gặp khó khăn trong việc duy trì hiệu chuẩn khi nhiệt độ thay đổi.
Thể hiện sự mạnh mẽ trong thế giới thực: khả năng thực hiện các chuyển đổi trong nhà/ngoài trời đầy thử thách, dưới ánh sáng xung quanh, mưa, bụi.
Cung cấp bộ công cụ phát triển phần mềm (SDK), mô-đun tổng hợp và tuân thủ các tiêu chuẩn mở để tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng trong hệ thống của khách hàng.
Tận dụng các tài liệu tham khảo về thử nghiệm, chứng nhận và ứng dụng mạnh mẽ để tạo dựng niềm tin.
TOF Range LiDAR trình bày một giải pháp cảm biến hấp dẫn giúp thu hẹp khoảng cách giữa chi phí, hiệu suất và tính đơn giản của hệ thống. Với khả năng thu thập độ sâu toàn cảnh, nhanh chóng, hoạt động mạnh mẽ trong điều kiện môi trường xung quanh và hướng tới tích hợp có thể mở rộng, nó giải quyết được nhiều thách thức thực tế khi triển khai nhận thức 3D trong phương tiện, robot và cơ sở hạ tầng thông minh.
Trong số những người chơi trong ngành,Jioptiktiếp tục thúc đẩy đổi mới trong phạm vi TOF LiDAR, cải tiến cả quy trình phần cứng và phần mềm để cung cấp các cảm biến hiệu suất cao, đáng tin cậy được thiết kế riêng cho việc triển khai trong thế giới thực. Nếu có thắc mắc về việc tùy chỉnh các mô-đun LiDAR phạm vi TOF, tích hợp hệ thống hoặc đánh giá hiệu suất,liên hệ với chúng tôiđể khám phá giải pháp tốt nhất cho ứng dụng của bạn.
Để biết thêm thông tin về sản phẩm của chúng tôi, vui lòng liên hệ với Jioptik.
