一文读懂ToF固态激光雷达在AGV/AMR领域应用现状及趋势

原创移动机器人产业联盟 2023-10-23 17:35

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AGV/AMR企业如何选择最具性价比的传感器解决方案？

文｜黄玮

随着移动机器人行业的持续发展，其应用范围日益拓宽，因而对机器人的感知系统的技术要求也在逐步提高。

其中，基于ToF技术路线的3D传感器因其超强的抗光干扰能力、响应速度快以及识别精度高等多重优势，近两年开始逐渐受到移动机器人企业的关注。但其技术壁垒较高，系统集成度高，供应链资源少，生态圈不成熟，市面上真正能拿出可靠且成熟方案的企业相对较少，上海矽印科技有限公司（以下简称“矽印科技”）是其中代表企业之一。

矽印科技是一家聚焦于ToF技术和3D传感器解决方案研发与生产的高科技企业，致力于为客户提供低功耗、高性价比的D-ToF芯片和i-ToF模组，目前已经大规模布局移动机器人行业，并取得了一定的成果。目前，矽印科技的多款ToF模块产品已实现了批量出货，与国内AGV/AMR、无人叉车领域的多家厂商达成合作。

近日，新战略移动机器人全媒体记者特别采访了矽印科技3D视觉产品总负责人程世球先生，与其就移动机器人传感器应用以及公司当前发展情况进行了深入探讨。

深耕TOF路线，自研TOF芯片

在谈到矽印科技为何会涉足移动机器人行业时，程世球介绍，在公司成立之初，矽印科技就决定专精于ToF感知技术的研究和应用，最初主要布局在扫地机器人、智慧安防、智慧交通、智慧城市等多个领域，在ToF技术实际应用和开发中积累了大量经验。近两年，在关注到AGV/AMR行业后，意识到ToF技术受环境光影响小，较高的测量帧率，在动态环境中表现优秀，同时对算力要求不高，相对于双目立体成像技术，ToF基本上不存在盲区，这些特点在帮助移动机器人快速实现自我精准导航和实时自主避障上有着突出优势。

“虽然目前来看，ToF 传感器在移动机器人领域的市场规模还没有完全起来，但替代是大趋势，能够接受新型解决方案的厂商已占据一定规模，目前还有很大一部分使用传统导航方式的移动机器人厂家市场空间待挖掘。”

程世球表示，工业自动化是大势所趋，移动机器人正是工业自动化的核心产品之一，国内移动机器人市场也在近几年呈现一路高歌之势，矽印科技自进入移动机器人领域已来，目前也取得了一些不错的成绩，未来移动机器人版块将成为公司重点发展方向。

“目前，ToF技术在应用层面上依旧存在着诸多挑战，一是ToF传感技术较新，生态圈不够完善，主机厂们想要直接拿现有技术去实现高可靠性的应用及产品颇为困难；二是面向B端的可定制ToF板卡、模块以及平台都处于市场起步阶段，市场上真正可靠且成熟的方案相对较少；三是依旧存在3D数据处理与建模等软件层面技术以及人工智能算法门槛太高等问题。”

程世球强调到，硬件成本居高不下是现阶段阻碍ToF应用规模难以扩张的重要原因之一，无论是消费级还是专业级应用，ToF的成本问题主要体现在器件的价格上，ToF传感器中最核心的器件在于ToF芯片。

同样是基于ToF激光测距原理，传统的激光雷达由于分离芯片和器件的设计方式，在接受端需要使用多级模拟和数字电路，入光电感应二极管、跨阻放大器、限幅放大器、比较器、FGPA、高压偏置、温度控制等，设计复杂、组装校准难度高、成本高。

为此，矽印科技早在2022年底就发布了全新基于D-ToF技术的单光子探测的全集成接收芯片R5001，采用了业界领先的单光子探测技术，将接收端的诸多模块集成到一款小小的SoC中，极大地简化了电路设计的同时也降低了雷达的成本。

完全自主研发的D-ToF芯片帮助矽印科技在关键元器件上保有了高度的自主性。程世球介绍，这都源于公司强大的研发团队。“矽印科技核心团队拥有集成电路、光学、电子、视觉算法等前沿行业的10年以上经验的专家。成员大多来自于EPC、高通、恩智浦半导体、联发科等知名公司，在时间飞行传感器以及CMOS图像传感器领域有着丰富的技术积累和产业经验。”

三大产品线满足多场景需求

基于自主研发的芯片，矽印科技开发并量产CS10系列单点dToF激光雷达，并打造了CS20系列固态激光雷达，CS30系列RGBD深度相机等诸多产品，被广泛应用于工业移动机器人、工业视觉、智慧交通、智慧城市等领域。

CS10系列单点dToF激光雷达

CS10系列探测距离在0.05m-15m，近距离绝对误差在2cm以内，可应用在机器人SLAM、室內测距等领域。

CS10系列

CS20系列多款固态激光雷达

CS20系列主要应用在短距5m范围内的避障及识别，主要适用场景AGV/AMR，无人叉车的避障、托盘及货架识别。

CS20系列

CS30系列RGBD深度相机

CS30是一款RGBD深度相机，探测距离在0.1-5m，该相机搭载了分辨率640*480的ToF图像传感器和分辨率1920*1080的彩色图像传感器。

CS30系列

近些年，随着越来越多的移动机器人开始走向室外，市场也在寻找一种能在室外工作运转、精确度高的识别避障3D传感器。得益于自研dToF芯片技术优势和开发iToF系列模块上积累的经验，矽印科技在创新和迭代速率上更能满足用户和市场的需求。程世球透露，矽印科技近期也将推出全新基于ToF技术的10米以上CS40系列固态激光雷达，这款传感器主打室外环境，在性能上进一步的升级，可更好的适用于移动机器人户外作业的需要。

除了精度外，固态激光雷达在应用现场环境下是否能保持稳定性和一致性是终端用户重点关注的方面，在这一点上程世球也给出了回答。

他表示，为了保障产品的一致性与稳定性，矽印科技从产品设计到生产多环节上均采取针对性措施：在产品设计初期，针对产品功能规划了一系列的测试。通过与知名上市公司代工厂开展战略合作，在样品阶段对功能进行大量测试，收集并分析数据，确保测试数据真实可靠；同时在供应链的选择上，矽印科技选择的供应商基本为国内外头部品牌；在量产阶段，通过机器自动化测试平台、第三方可靠性测试等等进一步以确保产品的稳定性、可靠性、一致性。

此外，来自欧洲瑞士、德国等多家相关企业的矽印科技团队，在品质控制方面有着相当成熟的经验，母公司SPARC（无锡锡产微集团）旗下成立的Sensor BU，对于子公司的出货进行统一化品控管理，相比其他友商，在规模上、专业度上更有保障。

未来：避障到导航，一颗取代

作为核心传感器的激光雷达，是移动机器人实现地图绘制、确定自身定位及感知环境以及对周边物体定位等多项功能的关键性技术。因此，传感器功能的突破将推动移动机器人整机性能的跃升。

在移动机器人领域，激光雷达按功能主要分为两种类型：避障和导航。一般而言，传统的磁导AGV、叉车AGV、自主导航AMR，基本上都至少需要搭载2个激光雷达来实现避障。

以无人叉车为例，传统方案一般是避障和导航分开配置，厂家根据不同的功能需求选择不同的导航及避障产品，目前来说一台无人叉车需要搭载多颗激光雷达及其他辅助传感器。依靠数量上的堆砌，不仅成本高，用户平台也需要适配不同厂家的SDK，集成度较低，兼容对接复杂，在实际使用中带来了极大的不便。

行业内一直在寻求高效率、低成本的解决方法，希望减少车辆搭载的传感器数量，从而降低成本，但同时需要保障机器人可以实现最佳的导航避障效果。

在将避障和导航两种功能结合的载体上，固态激光雷达成为了业内探索的方向之一。相对于更为昂贵的机械式激光雷达，纯固态激光雷达不仅可以极大地降低激光雷达的成本，而且由于没有任何移动部件，提供了非常高可靠性。因此，固态激光雷达被视为未来的主要发展趋势。然而，固态激光雷达也存在一些原理上的难点，例如测距范围相对较短，而且容易受到环境光线干扰等问题。

程世球表示，dToF技术壁垒高，但相对于iToF等其他技术而言，几乎没有理论死角，因此矽印科技将继续坚持在激光雷达的三大技术层面（芯片、系统、算法）中大胆创新，致力于研发出能适用于十几米至二三十米的dToF解决方案，使得固态激光雷达能适应较远距离，点云密度也够栈板识别和导航应用，提供高分辨率识别，既可以用于避障又能用于导航。

“在远距离探测、强环境光抑制、低功率、高运算效率等性能方面满足导航和避障二合一的效果，这是我们一直在突破的方向。”

在矽印科技计划探寻更远距离（10-20m）导航的过程中，目前已率先开发适用于远距离导航的ToF固态激光雷达CS40，未来将开发更高功效的dToF芯片，今年下半年还也将发布一款用于10-15米距离导航的CS40 pro。

程世球提到，矽印科技未来将继续加大在dToF技术领域的投入，坚持全固态激光雷达路线，将ToF产品线逐步完善，未来还将推出更多适用于工业视觉、工业移动机器人、无人叉车等领域的产品。