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巡檢機(jī)器人硬件之導(dǎo)航—激光雷達(dá)

激光雷達(dá)是巡檢機(jī)器人重要硬件之一，作用是幫助機(jī)器人在巡檢過程中定位和導(dǎo)航。

1、定義：

激光雷達(dá)，是以發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)，由激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)和信息處理系統(tǒng)等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去，光接收機(jī)再把從目標(biāo)反射回來(lái)的光脈沖還原成電脈沖，送到顯示器。

2、工作原理：

以激光作為信號(hào)源，由激光器發(fā)射出的脈沖激光，打到路邊的樹木、電線桿，建筑物等，引起散射，一部分光波會(huì)反射到激光雷達(dá)的接收器上，接收器準(zhǔn)確地測(cè)量光脈沖從發(fā)射到被反射回的傳播時(shí)間。因?yàn)楣饷}沖以光速傳播，所以接收器總會(huì)在下一個(gè)脈沖發(fā)出之前收到前一個(gè)被反射回的脈沖。

光速是已知條件，計(jì)算光波傳播的時(shí)間，即可以得知激光所在位置與目標(biāo)物體的距離。另外，向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)（激光束），然后將接收到的從目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)（目標(biāo)回波）與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較,作適當(dāng)處理后，就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息，如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù)，（接收器通常是一個(gè)光電倍增管或一個(gè)光電二極管，它將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)）。

圖1 激光工作原理圖

3、激光雷達(dá)的組成系統(tǒng)：

激光雷達(dá)主要由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信息處理等部分組成。

4、激光雷達(dá)的工作方式：

激光雷達(dá)的工作方式主要有脈沖或連續(xù)波2種。

5、激光雷達(dá)的探測(cè)方法：

激光雷達(dá)按照探測(cè)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(tǒng)的精確度取決于：激光、GPS及慣性測(cè)量單元（IMU）。

6、掃描方式：

LIDAR系統(tǒng)主要有MEMS型，F(xiàn)LASH型，相控性，機(jī)械旋轉(zhuǎn)等掃描形式。

7、激光構(gòu)成及相關(guān)參數(shù)：

市面上的激光有很多，生產(chǎn)廠家也不少，這里以我接觸過的速騰聚創(chuàng) 16/32 線激光雷達(dá)為例，介紹相關(guān)參數(shù)。

圖2 激光組成結(jié)構(gòu)

性能參數(shù)：

圖3 速騰聚創(chuàng)16線激光參數(shù)

圖4 速騰聚創(chuàng)32線激光參數(shù)

8、激光雷達(dá)性能指標(biāo)：

激光的波長(zhǎng)：目前市場(chǎng)上三維成像激光雷達(dá)最常用的波長(zhǎng)是905nm和1550 nm。1550nm波長(zhǎng)探測(cè)范圍更廣，雨霧的穿透力更強(qiáng)。探測(cè)距離：激光雷達(dá)測(cè)距與目標(biāo)的反射率成正比。目標(biāo)的反射率越高，測(cè)量的距離越遠(yuǎn)。FOV：激光雷達(dá)的視場(chǎng)角有水平視場(chǎng)角和垂直視場(chǎng)角。而機(jī)械旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)的水平視場(chǎng)角為360度。出點(diǎn)數(shù)：每秒激光雷達(dá)發(fā)射的激光點(diǎn)數(shù)。激光雷達(dá)的點(diǎn)數(shù)一般為每秒幾萬(wàn)點(diǎn)至幾十萬(wàn)點(diǎn)左右。線束：目前市場(chǎng)上常見的線束有16線、32線、64線等。線束越多越密，對(duì)環(huán)境感知能力越充分。多線激光雷達(dá)即通過多個(gè)激光發(fā)射器在垂直方向上分布，并通過電機(jī)的旋轉(zhuǎn)形成多條線束的掃描。輸出參數(shù)：目標(biāo)x，y，z方向的位置，速度和方向、目標(biāo)物體的反射率。entreat使用壽命：固態(tài)激光雷達(dá)的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)械旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)，前者可高達(dá)10萬(wàn)個(gè)小時(shí)，后者一般為幾千個(gè)小時(shí)。9、激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)：

圖5 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理順序一般為：

1、數(shù)據(jù)預(yù)處理（如坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等）。

2、根據(jù)點(diǎn)云距離或反射強(qiáng)度聚類。

3、提取聚類后的特征，根據(jù)特征進(jìn)行分類等后處理工作。

10、激光測(cè)距傳感器原理：

激光傳感器工作時(shí)，先由激光二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)反射后，激光會(huì)向各個(gè)方向散射。一部分散射光會(huì)返回到接收器，并由光學(xué)系統(tǒng)接收，最后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管具有放大功能，可以記錄并處理從光脈沖從發(fā)出到返回所經(jīng)歷的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間一定要精確，這樣測(cè)定目標(biāo)距離才精確。

圖6 激光測(cè)距傳感器原理

11、激光三角測(cè)距法原理：

激光三角測(cè)距法主要是一束激光以一定的入射角度射向目標(biāo)物體，激光在物體表面會(huì)發(fā)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）位置傳感器上。當(dāng)被測(cè)物體沿激光方向發(fā)生移動(dòng)時(shí)，位置傳感器上的光斑也將產(chǎn)生移動(dòng)，其位移大小對(duì)應(yīng)被測(cè)物體的移動(dòng)距離，因此可以通過光斑位移距離計(jì)算出被測(cè)物體與基線的距離值。由于入射光和反射光構(gòu)成一個(gè)三角形，對(duì)光斑位移的計(jì)算運(yùn)用了幾何三角定理，故該測(cè)量法被稱為激光三角測(cè)距法。

圖7 激光三角直射式光路圖

由激光器發(fā)射的激光與物體表面法線成一定角度入射到被測(cè)物體表面，反（散）射光經(jīng)B處的透鏡匯聚成像，最后被光敏單元采集。

圖8 激光三角法斜射式光路圖

TOF測(cè)距原理：

激光器發(fā)射一個(gè)激光脈沖，并由計(jì)時(shí)器記錄下發(fā)射的時(shí)間，返回的光經(jīng)接收器接收，計(jì)時(shí)器記錄返回的時(shí)間。兩個(gè)時(shí)間之差即是光的“飛行時(shí)間”，光速是一定的，因此在知道速度和時(shí)間后，即可以計(jì)算出距離。

圖9 TOF測(cè)距原理