巡檢機器人硬體之導航—鐳射雷達

鐳射雷達是巡檢機器人重要硬體之一，作用是幫助機器人在巡檢過程中定位和導航。

1、定義：

鐳射雷達，是以發射鐳射束探測目標的位置、速度等特徵量的雷達系統，由鐳射發射機、光學接收機、轉檯和資訊處理系統等組成，鐳射器將電脈衝變成光脈衝發射出去，光接收器再把從目標反射回來的光脈衝還原成電脈衝，送到顯示器。

2、工作原理：

以鐳射作為訊號源，由鐳射器發射出的脈衝鐳射，打到路邊的樹木、電線杆，建築物等，引起散射，一部分光波會反射到鐳射雷達的接收器上，接收器準確地測量光脈衝從發射到被反射回的傳播時間。因為光脈衝以光速傳播，所以接收器總會在下一個脈衝發出之前收到前一個被反射回的脈衝。

光速是已知條件，計算光波傳播的時間，即可以得知鐳射所在位置與目標物體的距離。另外，向目標發射探測訊號（鐳射束），然後將接收到的從目標反射回來的訊號（目標回波）與發射訊號進行比較,作適當處理後，就可獲得目標的有關資訊，如目標距離、方位、高度、速度、姿態、甚至形狀等引數，（接收器通常是一個光電倍增管或一個光電二極體，它將光訊號轉變為電訊號）。

圖1 鐳射工作原理圖

3、鐳射雷達的組成系統：

鐳射雷達主要由發射系統、接收系統、資訊處理等部分組成。

4、鐳射雷達的工作方式：

鐳射雷達的工作方式主要有脈衝或連續波2種。

5、鐳射雷達的探測方法：

鐳射雷達按照探測原理的不同可以分為米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射等。LIDAR系統的精確度取決於：鐳射、GPS及慣性測量單元（IMU）。

6、掃描方式：

LIDAR系統主要有MEMS型，FLASH型，相控性，機械旋轉等掃描形式。

7、鐳射構成及相關引數：

市面上的鐳射有很多，生產廠家也不少，這裡以我接觸過的速騰聚創 16/32 線鐳射雷達為例，介 紹相關引數。

圖2 鐳射組成結構

效能引數：

圖3 速騰聚創16線鐳射引數

圖4 速騰聚創32線鐳射引數

8、鐳射雷達效能指標：鐳射的波長：目前市場上三維成像鐳射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：鐳射雷達測距與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：鐳射雷達的視場角有水平視場角和垂直視場角。而機械旋轉鐳射雷達的水平視場角為360度。出點數：每秒鐳射雷達發射的鐳射點數。鐳射雷達的點數一般為每秒幾萬點至幾十萬點左右。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。多線鐳射雷達即透過多個鐳射發射器在垂直方向上分佈，並透過電機的旋轉形成多條線束的掃描。輸出引數：目標x，y，z方向的位置，速度和方向、目標物體的反射率。entreat使用壽命：固態鐳射雷達的使用壽命遠遠高於機械旋轉鐳射雷達，前者可高達10萬個小時，後者一般為幾千個小時。9、鐳射雷達點雲資料：

圖5 鐳射點雲資料處理

鐳射雷達資料的處理順序一般為：

1、資料預處理（如座標轉換等）。

2、根據點雲距離或反射強度聚類。

3、提取聚類後的特徵，根據特徵進行分類等後處理工作。

10、鐳射測距感測器原理：

鐳射感測器工作時，先由鐳射二極體對準目標發射鐳射脈衝。經目標反射後，鐳射會向各個方向散射。一部分散射光會返回到接收器，並由光學系統接收，最後成像到雪崩光電二極體上。雪崩光電二極體具有放大功能，可以記錄並處理從光脈衝從發出到返回所經歷的時間，這個時間一定要精確，這樣測定目標距離才精確。

圖6 鐳射測距感測器原理

11、鐳射三角測距法原理：

鐳射三角測距法主要是一束鐳射以一定的入射角度射向目標物體，鐳射在物體表面會發生反射和散射，在另一角度利用透鏡將反射鐳射匯聚成像，光斑成像在CCD（Charge-coupled Device）位置感測器上。當被測物體沿鐳射方向發生移動時，位置感測器上的光斑也將產生移動，其位移大小對應被測物體的移動距離，因此可以透過光斑位移距離計算出被測物體與基線的距離值。由於入射光和反射光構成一個三角形，對光斑位移的計算運用了幾何三角定理，故該測量法被稱為鐳射三角測距法。

圖7 鐳射三角直射式光路圖

由鐳射器發射的鐳射與物體表面法線成一定角度入射到被測物體表面，反（散）射光經B處的透鏡匯聚成像，最後被光敏單元採集。

圖8 鐳射三角法斜射式光路圖

TOF測距原理：

鐳射器發射一個鐳射脈衝，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。兩個時間之差即是光的“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