巡檢機器人硬件之導航—激光雷達

激光雷達是巡檢機器人重要硬件之一，作用是幫助機器人在巡檢過程中定位和導航。

1、定義(yi) ：

激光雷達，是以發射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達係統，由激光發射機、光學接收機、轉台和信息處理係統等組成，激光器將電脈衝(chong) 變成光脈衝(chong) 發射出去，光接收機再把從(cong) 目標反射回來的光脈衝(chong) 還原成電脈衝(chong) ，送到顯示器。

2、工作原理：

以激光作為(wei) 信號源，由激光器發射出的脈衝(chong) 激光，打到路邊的樹木、電線杆，建築物等，引起散射，一部分光波會(hui) 反射到激光雷達的接收器上，接收器準確地測量光脈衝(chong) 從(cong) 發射到被反射回的傳(chuan) 播時間。因為(wei) 光脈衝(chong) 以光速傳(chuan) 播，所以接收器總會(hui) 在下一個(ge) 脈衝(chong) 發出之前收到前一個(ge) 被反射回的脈衝(chong) 。

光速是已知條件，計算光波傳(chuan) 播的時間，即可以得知激光所在位置與(yu) 目標物體(ti) 的距離。另外，向目標發射探測信號（激光束），然後將接收到的從(cong) 目標反射回來的信號（目標回波）與(yu) 發射信號進行比較,作適當處理後，就可獲得目標的有關(guan) 信息，如目標距離、方位、高度、速度、姿態、甚至形狀等參數，（接收器通常是一個(ge) 光電倍增管或一個(ge) 光電二極管，它將光信號轉變為(wei) 電信號）。

圖1 激光工作原理圖

3、激光雷達的組成係統：

激光雷達主要由發射係統、接收係統、信息處理等部分組成。

4、激光雷達的工作方式：

激光雷達的工作方式主要有脈衝(chong) 或連續波2種。

5、激光雷達的探測方法：

激光雷達按照探測原理的不同可以分為(wei) 米散射、瑞利散射、拉曼散射、布裏淵散射等。LIDAR係統的精確度取決(jue) 於(yu) ：激光、GPS及慣性測量單元（IMU）。

6、掃描方式：

LIDAR係統主要有MEMS型，FLASH型，相控性，機械旋轉等掃描形式。

7、激光構成及相關(guan) 參數：

市麵上的激光有很多，生產(chan) 廠家也不少，這裏以我接觸過的速騰聚創 16/32 線激光雷達為(wei) 例，介紹相關(guan) 參數。

圖2 激光組成結構

性能參數：

圖3 速騰聚創16線激光參數

圖4 速騰聚創32線激光參數

8、激光雷達性能指標：

激光的波長：目前市場上三維成像激光雷達最常用的波長是905nm和1550 nm。1550nm波長探測範圍更廣，雨霧的穿透力更強。探測距離：激光雷達測距與(yu) 目標的反射率成正比。目標的反射率越高，測量的距離越遠。FOV：激光雷達的視場角有水平視場角和垂直視場角。而機械旋轉激光雷達的水平視場角為(wei) 360度。出點數：每秒激光雷達發射的激光點數。激光雷達的點數一般為(wei) 每秒幾萬(wan) 點至幾十萬(wan) 點左右。線束：目前市場上常見的線束有16線、32線、64線等。線束越多越密，對環境感知能力越充分。多線激光雷達即通過多個(ge) 激光發射器在垂直方向上分布，並通過電機的旋轉形成多條線束的掃描。輸出參數：目標x，y，z方向的位置，速度和方向、目標物體(ti) 的反射率。entreat使用壽命：固態激光雷達的使用壽命遠遠高於(yu) 機械旋轉激光雷達，前者可高達10萬(wan) 個(ge) 小時，後者一般為(wei) 幾千個(ge) 小時。9、激光雷達點雲(yun) 數據：

圖5 激光點雲(yun) 數據處理

激光雷達數據的處理順序一般為(wei) ：

1、數據預處理（如坐標轉換等）。

2、根據點雲(yun) 距離或反射強度聚類。

3、提取聚類後的特征，根據特征進行分類等後處理工作。

10、激光測距傳(chuan) 感器原理：

激光傳(chuan) 感器工作時，先由激光二極管對準目標發射激光脈衝(chong) 。經目標反射後，激光會(hui) 向各個(ge) 方向散射。一部分散射光會(hui) 返回到接收器，並由光學係統接收，最後成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管具有放大功能，可以記錄並處理從(cong) 光脈衝(chong) 從(cong) 發出到返回所經曆的時間，這個(ge) 時間一定要精確，這樣測定目標距離才精確。

圖6 激光測距傳(chuan) 感器原理

11、激光三角測距法原理：

激光三角測距法主要是一束激光以一定的入射角度射向目標物體(ti) ，激光在物體(ti) 表麵會(hui) 發生反射和散射，在另一角度利用透鏡將反射激光匯聚成像，光斑成像在CCD（Charge-coupled Device）位置傳(chuan) 感器上。當被測物體(ti) 沿激光方向發生移動時，位置傳(chuan) 感器上的光斑也將產(chan) 生移動，其位移大小對應被測物體(ti) 的移動距離，因此可以通過光斑位移距離計算出被測物體(ti) 與(yu) 基線的距離值。由於(yu) 入射光和反射光構成一個(ge) 三角形，對光斑位移的計算運用了幾何三角定理，故該測量法被稱為(wei) 激光三角測距法。

圖7 激光三角直射式光路圖

由激光器發射的激光與(yu) 物體(ti) 表麵法線成一定角度入射到被測物體(ti) 表麵，反（散）射光經B處的透鏡匯聚成像，最後被光敏單元采集。

圖8 激光三角法斜射式光路圖

TOF測距原理：

激光器發射一個(ge) 激光脈衝(chong) ，並由計時器記錄下發射的時間，返回的光經接收器接收，計時器記錄返回的時間。兩(liang) 個(ge) 時間之差即是光的“飛行時間”，光速是一定的，因此在知道速度和時間後，即可以計算出距離。

圖9 TOF測距原理