LiDAR(Alpha Prime, VLS-128) FOV, frame rate의 물리적 해석

velodyne 사에서는 LiDAR와 함께 Datasheet, Manual, Web Interface, Veloview를 제공하고 있습니다. 관련하여 제가 연구를 하며 정리했던 내용을 공유합니다.  먼저 Datasheet의 용어들과 실질적인 의미들에 대해 알아야 합니다.

VLS-128 Spec.

VLS-128 datasheet(아래에 링크 첨부)에서 아래 사항들에 대해 하나씩 설명드리겠습니다.

1) Range 

측정 거리가 스펙상에 245m라고 되어있는데, 이 값은 point가 얻어지는 최대 범위를 의미합니다. 따라서 실제로 245m 에서는 1, 2개 point만 얻어지는 굉장히 sparse 한 데이터가 얻어질 것입니다. 

2) Return Modes : Strongest vs Last

Signle Return Mode : Strongest, Last 중 하나를 선택하여 사용.  ~2,400,000 points per second

• Strongest : 근거리에서 반사된 point
• Last : 원거리에서 반사된 point

Dual Return Mode : Strongest, Last 값을 모두 사용. ~4,800,000 points per second

3) FOV (Field of View)

FOV는 번역하면 '시야'라고 할 수 있고, 수평방향과 수직방향으로 FOV를 정의합니다.

• Horizontal FOV : VLS-128 model의 경우 회전형이기 때문에 수평방향으로 360˚ 의 FOV를 갖습니다.
• Vertical FOV :  수직방향으로 -25˚ ~ +15˚ 의 FOV를 갖기 때문에, Object를 Detect할 수 없는 Dead Zone이 생기게 됩니다. 

Vertical FOV (-25˚ ~ +15˚)

▶  (참고) 자율차량의 센서를 구성할 때, 이러한 FOV를 고려하여 Blind Spot Zone이 생기지 않도록 설계를 해야 합니다. Robosense 사에서는 RS-Bpearl라는 Sub LiDAR를 제공하고, 다음과 같이 센서 구성을 제시하고 있습니다.

Main LiDAR의 FOV를 고려해 Sub LiDAR로 Blind Spot Zone 제거

4) Angular Resolution

간단히 설명하면 Angular Resolution 각도가 작을수록  point를 dense 하게 얻는 것을 의미합니다. 아래 그림을 보면 FOV와 Resolution의 관계를 알 수 있습니다.

• Horizontal Resolution( = Azimuth Resolution) : Spec 상의 0.1˚~0.4˚ 값은 레이저의 RPM, FOV, firing cycle 에 의해 결정됩니다. (회전식의 경우) FOV는 360˚로 고정이고 firing cycle도 정해진 값이기 때문에, Azimuth Resolution은 얼마나 빠르게 회전하는지에 의해 결정됩니다. 

Azimuth와 RPM, firing cycl 관계

• (참고) firing cycle은 128개의 레이저를 모두 발사하고 재충전하는 데 걸리는 시간이고, 평균 53.3㎲ 가 걸린다. 이때, RPM에 따른 Azimuth Resolution 값을 계산하면 다음과 같습니다.

RPM	Azimuth Resolution
300	0.09594º
600	0.19188º
900	0.28782º
1200	0.38376º

• Vertical Resolution : 단순하게 생각해서, Vertical FOV(40˚)를 채널 수 (128ch)로 나눈 값(0.31˚)이라 할 수 있습니다. 그런데 128ch의 간격이 일정하지 않기 때문에, 가장 dense 한 구간의 Resolution으로 0.11˚을 제공하고 있습니다.

128ch 간격 일정하지 않음.

5) Frame Rate 

LiDAR가 한 바퀴 회전해 Scan 한 데이터를 Frame이라 합니다. 즉, 얼마나 빠르게 회전하는지(RPM)에 따라 Frame Rate가 달라집니다.  

예를 들어, 600 RPM이면 1분에 600번 회전을 하고, 1초에 10번 회전을 합니다. 따라서 Frame Rate는 10Hz가 됩니다.

Spec 상의 Frame Rate가 5Hz~20Hz가 가능하다는 것은 해당 LiDAR를 300 RPM ~ 1200 RMP으로 설정할 수 있다는 의미입니다. 

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https://autonomoustuff.com/products/velodyne-vls-128

Velodyne Alpha Prime

(datasheet 링크)