巡檢機器人硬件之導(dǎo)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(dǎo)航。

1、定義：

激光雷達，是以發(fā)射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達系統(tǒng)，由激光發(fā)射機、光學(xué)接收機、轉(zhuǎn)臺和信息處理系統(tǒng)等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去，光接收機再把從目標反射回來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，一部分光波會反射到激光雷達的接收器上，接收器準確地測量光脈沖從發(fā)射到被反射回的傳播時間。因為光脈沖以光速傳播，所以接收器總會在下一個脈沖發(fā)出之前收到前一個被反射回的脈沖。

光速是已知條件，計算光波傳播的時間，即可以得知激光所在位置與目標物體的距離。另外，向目標發(fā)射探測信號（激光束），然后將接收到的從目標反射回來的信號（目標回波）與發(fā)射信號進行比較,作適當處理后，就可獲得目標的有關(guān)信息，如目標距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù)，（接收器通常是一個光電倍增管或一個光電二極管，它將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?/p>

圖1 激光工作原理圖

3、激光雷達的組成系統(tǒng)：

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

4、激光雷達的工作方式：

激光雷達的工作方式主要有脈沖或連續(xù)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波長探測范圍更廣，雨霧的穿透力更強。探測距離：激光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：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(zhuǎn)激光雷達的水平視場角為360度。出點數(shù)：每秒激光雷達發(fā)射的激光點數(shù)。激光雷達的點數(shù)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(huán)境感知能力越充分。多線激光雷達即通過多個激光發(fā)射器在垂直方向上分布，并通過電機的旋轉(zhuǎn)形成多條線束的掃描。輸出參數(shù)：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(tài)激光雷達的使用壽命遠遠高于機械旋轉(zhuǎn)激光雷達，前者可高達10萬個小時，后者一般為幾千個小時。9、激光雷達點云數(shù)據(jù)：

圖5 激光點云數(shù)據(jù)處理

激光雷達數(shù)據(jù)的處理順序一般為：

1、數(shù)據(jù)預(yù)處理（如坐標轉(zhuǎn)換等）。

2、根據(jù)點云距離或反射強度聚類。

3、提取聚類后的特征，根據(jù)特征進行分類等后處理工作。

10、激光測距傳感器原理：

激光傳感器工作時，先由激光二極管對準目標發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標反射后，激光會向各個方向散射。一部分散射光會返回到接收器，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)歷的時間，這個時間一定要精確，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，激光在物體表面會發(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。當被測物體沿激光方向發(fā)生移動時，位置傳感器上的光斑也將產(chǎn)生移動，其位移大小對應(yīng)被測物體的移動距離，因此可以通過光斑位移距離計算出被測物體與基線的距離值。由于入射光和反射光構(gòu)成一個三角形，對光斑位移的計算運用了幾何三角定理，故該測量法被稱為激光三角測距法。

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測距原理：

激光器發(fā)射一個激光脈沖，并由計時器記錄下發(fā)射的時間，返回的光經(jīng)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后，即可以計算出距離。

圖9 TOF測距原理