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：

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系統，由激光發射機、光學接收機、轉臺和信息處理系統等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發射出去，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）與發射信號進行比較,作適當處理后，就可獲得目標的有關信息，如目標距離、方位、高度、速度、姿態、甚至形狀等參數，（接收器通常是一個光電倍增管或一個光電二極管，它將光信號轉變為電信號）。

圖1 激光工作原理圖

3、激光雷達的組成系統：

激光雷達主要由發射系統、接收系統、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沖或連續波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系統的精確度取決于：激光、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、激光構成及相關參數：

市面上的激光有很多，生產廠家也不少，這里以我接觸過的速騰聚創 16/32 線激光雷達為例，介紹相關參數。

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。而機械旋轉激光雷達的水平視場角為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。多線激光雷達即通過多個激光發射器在垂直方向上分布，并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、目標物體的反射率。entreat使用壽命：固態激光雷達的使用壽命遠遠高于機械旋轉激光雷達，前者可高達10萬個小時，后者一般為幾千個小時。9、激光雷達點云數據：

圖5 激光點云數據處理

激光雷達數據的處理順序一般為：

1、數據預處理（如坐標轉換等）。

2、根據點云距離或反射強度聚類。

3、提取聚類后的特征，根據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射激光脈沖。經目標反射后，激光會向各個方向散射。一部分散射光會返回到接收器，并由光學系統接收，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 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生移動時，位置傳感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：

激光器發射一個激光脈沖，并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后，即可以計算出距離。

圖9 TOF測距原理