激光雷達(dá)傳感器

常見(jiàn)的激光雷達(dá)主要有三角測(cè)距和TOF兩大類型。

1.三角測(cè)距

測(cè)量原理

如圖所示，為三角測(cè)距激光雷達(dá)的原理圖。首先激光發(fā)射器（Laser）發(fā)射激光，打到物體（Object）表面時(shí)，將反射至CMOS相機(jī)處，經(jīng)過(guò)相機(jī)焦點(diǎn)與圖像交于 X 1 X_1 X1?。

經(jīng)過(guò)相機(jī)焦點(diǎn)O做激光的平行線交相機(jī)成像于 X 2 X_2 X2?處， X 1 X 2 X_1X_2 X1?X2?間距離為 x x x，相機(jī)焦距為 f f f。

易得 △ O A B ～ △ X 1 X 2 O \vartriangle OAB \sim \vartriangle {X_1}{X_2}O △OAB～△X1?X2?O，則可以得到測(cè)量值d的表達(dá)式：
L x = d f d = f L x \frac{L}{x}=\fracozvdkddzhkzd{f}\\ d=f\frac{L}{x} xL?=fd?d=fxL?
式中， f f f為CMOS相機(jī)焦距大小； L L L為激光發(fā)射器與CMOS相機(jī)間距；參量 x x x可由三角函數(shù)得到：
x = f tan ? α + f tan ? β x = f sin ? ( α + β ) sin ? α sin ? β x=\frac{f}{\tan\alpha}+\frac{f}{\tan\beta}\\ x=f\frac{\sin(\alpha+\beta)}{\sin\alpha\sin\beta} x=tanαf?+tanβf?x=fsinαsinβsin(α+β)?
其中， α \alpha α為激光發(fā)射器發(fā)射角度，角度 β \beta β可由相機(jī)內(nèi)參矩陣計(jì)算得到。將x帶入測(cè)量值表達(dá)式，進(jìn)行化簡(jiǎn)：
d = L sin ? α sin ? β sin ? ( α + β ) d=L\frac{\sin\alpha\sin\beta}{\sin(\alpha+\beta)} d=Lsin(α+β)sinαsinβ?
三角測(cè)距法參量表如下：

參量	含義
α \alpha α	激光發(fā)射角，標(biāo)定后固定
β \beta β	相機(jī)接收角，
L L L	激光發(fā)射器與相機(jī)間距離，標(biāo)定后固定
f f f	相機(jī)焦距，固定值
d d d	激光測(cè)距值
x x x	中間變量，圖像上 X 1 X 2 X_1X_2 X1?X2?間距離

測(cè)量特點(diǎn)

采用三角測(cè)距原理制成的激光雷達(dá)傳感器具有以下特點(diǎn)：

• 成本低、價(jià)格便宜
• 中近距離精度較高
• 遠(yuǎn)距離精度較差
• 易受干擾，一般用于室內(nèi)定位

當(dāng)測(cè)量物體較遠(yuǎn)，即 d d d值較大時(shí)，所引起的 x x x變化較小，精度較差。

2.飛行時(shí)間TOF

測(cè)量原理

飛行時(shí)間（Time of flight）利用光速進(jìn)行測(cè)距，若激光發(fā)射器在 t 0 t_0 t0?時(shí)刻發(fā)射一束激光，打到物體上并反射，在 t 1 t_1 t1?時(shí)刻激光接收器接收到，則測(cè)量距離可用如下表達(dá)式計(jì)算：
D = C ( t 1 ? t 0 ) 2 D=C\frac{(t_1-t_0)}{2} D=C2(t1??t0?)?
式中， C C C表示光速 3 × 1 0 9 m / s 3\times10^9m/s 3×109m/s。

由于光速過(guò)快，對(duì)計(jì)時(shí)器精度要求高，測(cè)量精度1m對(duì)應(yīng)時(shí)間精度ns；測(cè)量精度cm則對(duì)應(yīng)時(shí)間精度ps。

故而，在實(shí)際應(yīng)用中通常采用測(cè)量型號(hào)相位代替直接測(cè)量時(shí)間，如下圖所示。

則時(shí)間可用相位差進(jìn)行計(jì)算：
Δ t = Δ φ 2 π f m D = C Δ t 2 = C Δ φ 4 π f m \Delta t=\frac{\Delta\varphi}{2\pi f_m}\\ D=C\frac{\Delta t}{2}=C\frac{\Delta\varphi}{4\pi f_m} Δt=2πfm?Δφ?D=C2Δt?=C4πfm?Δφ?

時(shí)間測(cè)距的參量表如下：

參量	含義
t 0 t_0 t0?	激光發(fā)射時(shí)間
t 1 t_1 t1?	激光接收時(shí)間
C C C	光速 3 × 1 0 9 m / s 3\times10^9m/s 3×109m/s
Δ φ \Delta\varphi Δφ	激光收發(fā)波形相位差
D D D	激光測(cè)距值
f m f_m fm?	一個(gè)周期的頻率

測(cè)量特點(diǎn)

采用飛行時(shí)間原理制成的激光雷達(dá)傳感器特點(diǎn)如下：

• 價(jià)格昂貴
• 中遠(yuǎn)距離精度高、近距離較差
• 測(cè)距范圍廣
• 抗干擾能力強(qiáng)，可用于室外定位

當(dāng)測(cè)量物體較近，即 D D D值較小時(shí)，由于對(duì)計(jì)時(shí)器精度較高，故而測(cè)量精度一般。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的激光雷达：测距原理的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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