巡检机器人硬件之导航—激光雷达

激光雷达是巡检机器人重要硬件之一，作用是帮助机器人在巡检过程中定位和导航。

1、定义：

激光雷达，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。

2、工作原理：

以激光作为信号源，由激光器发射出的脉冲激光，打到路边的树木、电线杆，建筑物等，引起散射，一部分光波会反射到激光雷达的接收器上，接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到前一个被反射回的脉冲。

光速是已知条件，计算光波传播的时间，即可以得知激光所在位置与目标物体的距离。另外，向目标发射探测信号（激光束），然后将接收到的从目标反射回来的信号（目标回波）与发射信号进行比较,作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，（接收器通常是一个光电倍增管或一个光电二极管，它将光信号转变为电信号）。

图1 激光工作原理图

3、激光雷达的组成系统：

激光雷达主要由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成。

4、激光雷达的工作方式：

激光雷达的工作方式主要有脉冲或连续波2种。

5、激光雷达的探测方法：

激光雷达按照探测原理的不同可以分为米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射等。LIDAR系统的精确度取决于：激光、GPS及惯性测量单元（IMU）。

6、扫描方式：

LIDAR系统主要有MEMS型，FLASH型，相控性，机械旋转等扫描形式。

7、激光构成及相关参数：

市面上的激光有很多，生产厂家也不少，这里以我接触过的速腾聚创 16/32 线激光雷达为例，介绍相关参数。

图2 激光组成结构

性能参数：

图3 速腾聚创16线激光参数

图4 速腾聚创32线激光参数

8、激光雷达性能指标：

激光的波长：目前市场上三维成像激光雷达最常用的波长是905nm和1550 nm。1550nm波长探测范围更广，雨雾的穿透力更强。探测距离：激光雷达测距与目标的反射率成正比。目标的反射率越高，测量的距离越远。FOV：激光雷达的视场角有水平视场角和垂直视场角。而机械旋转激光雷达的水平视场角为360度。出点数：每秒激光雷达发射的激光点数。激光雷达的点数一般为每秒几万点至几十万点左右。线束：目前市场上常见的线束有16线、32线、64线等。线束越多越密，对环境感知能力越充分。多线激光雷达即通过多个激光发射器在垂直方向上分布，并通过电机的旋转形成多条线束的扫描。输出参数：目标x，y，z方向的位置，速度和方向、目标物体的反射率。entreat使用寿命：固态激光雷达的使用寿命远远高于机械旋转激光雷达，前者可高达10万个小时，后者一般为几千个小时。9、激光雷达点云数据：

图5 激光点云数据处理

激光雷达数据的处理顺序一般为：

1、数据预处理（如坐标转换等）。

2、根据点云距离或反射强度聚类。

3、提取聚类后的特征，根据特征进行分类等后处理工作。

10、激光测距传感器原理：

激光传感器工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后，激光会向各个方向散射。一部分散射光会返回到接收器，并由光学系统接收，最后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管具有放大功能，可以记录并处理从光脉冲从发出到返回所经历的时间，这个时间一定要精确，这样测定目标距离才精确。

图6 激光测距传感器原理

11、激光三角测距法原理：

激光三角测距法主要是一束激光以一定的入射角度射向目标物体，激光在物体表面会发生反射和散射，在另一角度利用透镜将反射激光汇聚成像，光斑成像在CCD（Charge-coupled Device）位置传感器上。当被测物体沿激光方向发生移动时，位置传感器上的光斑也将产生移动，其位移大小对应被测物体的移动距离，因此可以通过光斑位移距离计算出被测物体与基线的距离值。由于入射光和反射光构成一个三角形，对光斑位移的计算运用了几何三角定理，故该测量法被称为激光三角测距法。

图7 激光三角直射式光路图

由激光器发射的激光与物体表面法线成一定角度入射到被测物体表面，反（散）射光经B处的透镜汇聚成像，最后被光敏单元采集。

图8 激光三角法斜射式光路图

TOF测距原理：

激光器发射一个激光脉冲，并由计时器记录下发射的时间，返回的光经接收器接收，计时器记录返回的时间。两个时间之差即是光的“飞行时间”，光速是一定的，因此在知道速度和时间后，即可以计算出距离。

图9 TOF测距原理