激光三角测距原理详述

激光三角測(cè)距法作為低成本的激光雷達(dá)設(shè)計(jì)方案，可獲得高精度、高性價(jià)比的應(yīng)用效果，并成為室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人導(dǎo)航的首選方案，本文將對(duì)激光雷達(dá)核心組件進(jìn)行介紹并重點(diǎn)闡述基于激光三角測(cè)距法的激光雷達(dá)原理。

激光雷達(dá)四大核心組件

激光雷達(dá)主要由激光器、接收器、信號(hào)處理單元和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)這四大核心組件構(gòu)成。

激光器：激光器是激光雷達(dá)中的激光發(fā)射機(jī)構(gòu)。在工作過程中，它會(huì)以脈沖的方式點(diǎn)亮。以思嵐科技的RPLIDAR A3系列雷達(dá)為例，每秒鐘，它會(huì)點(diǎn)亮和熄滅16000次。

接收器：激光器發(fā)射的激光照射到障礙物以后，通過障礙物的反射，反射光線會(huì)經(jīng)由鏡頭組匯聚到接收器上。

信號(hào)處理單元：信號(hào)處理單元負(fù)責(zé)控制激光器的發(fā)射，以及接收器收到的信號(hào)的處理。根據(jù)這些信息計(jì)算出目標(biāo)物體的距離信息。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：以上3個(gè)組件構(gòu)成了測(cè)量的核心部件。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)將上述核心部件以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)起來，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所在平面的掃描，并產(chǎn)生實(shí)時(shí)的平面圖信息。

激光三角測(cè)距法原理

目前激光雷達(dá)的測(cè)量原理主要有脈沖法、相干法和三角法3種，脈沖法和相干光法對(duì)激光雷達(dá)的硬件要求高，但測(cè)量精度比激光三角法要高得多，故多用于軍事領(lǐng)域。而激光三角測(cè)距法因其成本低，精度滿足大部分商用及民用要求，故得到了廣泛關(guān)注。

激光三角測(cè)距法主要是通過一束激光以一定的入射角度照射被測(cè)目標(biāo)，激光在目標(biāo)表面發(fā)生反射和散射，在另一角度利用透鏡對(duì)反射激光匯聚成像，光斑成像在CCD（Charge-coupled Device，感光耦合組件）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，因此可通過算法設(shè)計(jì)，由光斑位移距離計(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。

按入射光束與被測(cè)物體表面法線的角度關(guān)系，激光三角測(cè)距法可分為斜射式和直射式兩種。

1、直射式激光三角測(cè)距法

如圖1所示，當(dāng)激光光束垂直入射被測(cè)物體表面，即入射光線與被測(cè)物體表面法線共線時(shí)，為直射式激光三角法。

2、斜射式激光三角測(cè)距法

當(dāng)光路系統(tǒng)中，激光入射光束與被測(cè)物體表面法線夾角小于90°時(shí)，該入射方式即為斜射式。如圖2所示的光路圖為激光三角法斜射式光路圖。

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。

由圖2可知入射光AO與基線AB的夾角為α，AB為激光器中心與CCD中心的距離，BF為透鏡的焦距f，D為被測(cè)物體距離基線無窮遠(yuǎn)處時(shí)反射光線在光敏單元上成像的極限位置。DE為光斑在光敏單元上偏離極限位置的位移，記為x。當(dāng)系統(tǒng)的光路確定后，α、AB與f均為已知參數(shù)。由光路圖中的幾何關(guān)系可知△ABO∽△DEB，則有邊長(zhǎng)關(guān)系：

則易知

在確定系統(tǒng)的光路時(shí)，可將CCD位置傳感器的一個(gè)軸與基線AB平行（假設(shè)為y軸），則由通過算法得到的激光光點(diǎn)像素坐標(biāo)為（Px，Py）可得到x的值為：

其中CellSize是光敏單元上單個(gè)像素的尺寸，DeviationValue是通過像素點(diǎn)計(jì)算的投影距離和實(shí)際投影距離x的偏差量。當(dāng)被測(cè)物體與基線AB產(chǎn)生相對(duì)位移時(shí)，x改變?yōu)閤，由以上條件可得被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)距離y為：

寫在最后

無論是直射式還是斜射式激光三角測(cè)距法，均可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的高精度、非接觸測(cè)量，但直射式分辨率沒有斜射式高。思嵐科技的RPLIDAR系列激光雷達(dá)也采用了斜射式的激光三角測(cè)距法，基于思嵐科技獨(dú)有的RPVision 3.0激光測(cè)距引擎，它可進(jìn)行每秒高達(dá) 16000 次的測(cè)距動(dòng)作，25米的測(cè)距半徑，高達(dá)0.225°的角度分辨率。每次測(cè)距過程中，RPLIDAR系列激光雷達(dá)將發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的紅外激光信號(hào)，該激光信號(hào)在照射到目標(biāo)物體后產(chǎn)生的反光將被 RPLIDAR 的視覺采集系統(tǒng)接收，然后經(jīng)過嵌入在 RPLIDAR 內(nèi)部的 DSP 處理器實(shí)時(shí)解算，被照射到的目標(biāo)物體與 RPLIDAR 的距離值以及當(dāng)前的夾角信息將從通訊接口中輸出。

RPLIDAR A3M1 工作原理示意圖

在電機(jī)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，RPLIDAR 的測(cè)距核心將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的 360 度全方位掃描測(cè)距檢測(cè)。

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