宇树科技激光雷达L1拆解和原理分析

宇树科技激光雷达L1拆解和原理分析

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宇树科技是大家非常熟悉的著名机器人公司，开发了很多优秀的四足和双足机器人产品。

图片来源：宇树科技

除了机器人整机，宇树科技还自研了激光雷达产品：Unitree 4D Lidar L1和L2。

图片来源：宇树科技

L1和L2在工作原理上类似，本文以L1为例，通过硬件拆解，对其工作原理做一下浅析。

图片来源：宇树科技

01

基本参数和应用

宇树科技激光雷达L1是2023年3月上市，L2是L1的升级版，在2024年11月上市。

两者性能对比如下：

图片来源：宇树科技

L1的检测效果如下：

，时长00:19

素材来源：宇树科技

L2的检测效果如下：

，时长00:10

素材来源：宇树科技

L1和L2主要用在宇树的机器狗产品上。

素材来源：宇树科技

搭载L1的宇树机器狗：

，时长00:12

素材来源：宇树科技

L1在机器狗上的感知功能：

，时长00:09

素材来源：宇树科技

02

整体结构

L1激光雷达采用机械式扫描方案，由高速和低速两个电机，带动扫描组件旋转，实现垂直和水平两个方向的扫描。

两个电机的旋转方向如下图所示。

1. FOV

L1可实现水平360°和垂直90°的FOV，如下图所示。

素材来源：宇树科技

L1的点云密度在不同的FOV区域有所区别，越靠近中心，点云密度越大：

素材来源：宇树科技

2. 整体结构

L1的整体结构由固定和旋转两部分组成，内部结构的剖面示意图如下。

其中，下面绿色元件为固定部分，上面黄色元件为旋转部分。（注：里面组件名称为笔者自定，未必是准确称谓，仅用于方便说明组件功能）

其中，上下两块电路板通过电磁感应传输电能，通过光通信传输数据。

拆解之后的主要元件：

03

控制电路板和水平旋转

1. 下电路板

下电路板的元件如下。

由于芯片看不到丝印，因此很难判断芯片主要功能。根据器件外观，推测主要用于水平扫描电机的控制、IMU信号处理、整机控制和外部信号通信。

2. 水平电机+轴承等总成

该总成主要包括定子线圈、轴承、转子支撑环、供电线圈等，这部分组件在整个雷达中的位置如下：

实物照片如下：

3. 转子+受电线圈等总成

该总成主要包括转子、受电线圈等，这部分组件在整个雷达中的位置如下：

实物照片如下：

4. 上电路板

上电路板的主要元件如下。

上电路板的芯片也看不到丝印，根据器件外观，推测主要用于垂直扫描电机的控制、激光器控制和激光接收信号处理等。

04

收发模组

1. 收发扫描模块

L1的收发原理图如下：

宇树官网的激光雷达原理示意：

，时长00:03

收发扫描模块总成：

2. 发射单元

激光器安装在接收聚光透镜的中间：

将激光器电路板拆下来之后，如下：

将激光器取下，可以看到是一颗TO封装的EEL激光器：

TO（Transisitor Outline，晶体管外形）是一种晶体管封装，将相关器件被成型加工，方便用于表面贴装。TO封装的原理如下：

图片来源：网络

准直镜和上面激光器通过螺丝连接：

发射的激光通过准直镜后，再经过导光管和反射镜，最终发射出去。

3. 接收单元

反射的激光经过反射镜反射之后，通过汇聚透镜，聚焦在接收单元上。

汇聚透镜及其支架如下：

接收单元电路板如下，其中核心是一颗APD：

这是其中放大40倍的APD（去掉滤光片）：

4. 垂直扫描机构

在L1中，由一个高速电机带动反射镜和导光管一同旋转，实现垂直方向的扫描。

05

特点浅析

1. 数据传输方案

L1的上下两块电路板有相对旋转运动，它们之间采用光通信技术进行非接触式数据交换。

在光通信系统中，发送端通过发光二极管，将电信号转换为光信号后发射，接收端通过光敏二极管接收光信号，并将其转换为电信号。基本结构如下：

图片来源：韩刘帮等，《基于LED可见光全双工通信的旋转部件数据传输系统设计》

基本原理：

图片来源：韩刘帮等，《基于LED可见光全双工通信的旋转部件数据传输系统设计》

无线光通信技术具有体积小、重量轻、传输速率高、抗电磁干扰性强、传输带宽大等优势，在非接触数据传输领域有广泛的应用。 

2. 电源传输方案

对于上下两块电路板之间的电源传输，L1采用了电磁感应方案，该技术在无线充电方面被广泛应用。

根据电磁感应原理，电和磁场在一定条件下能够互相转换。电能传输的原理如下：

当电流流过发送端线圈时，会产生磁场，而接收端线圈通过感应这个磁场产生电流，从而实现电能的无线传输。

3. 感知性能

从上述结构分析中可以看到，L1产品采用了单点EEL+APD方案，未采用大算力处理芯片，使用UART对外传输点云数据。

从测距范围和点频密度来看，宇树L1适用于较近距场景，是一种低成本的激光雷达解决方案。

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