激光三角测距原理详述

激光三角測距法作為低成本的激光雷達設(shè)計方案，可獲得高精度、高性價比的應(yīng)用效果，并成為室內(nèi)服務(wù)機器人導(dǎo)航的首選方案，本文將對激光雷達核心組件進行介紹并重點闡述基于激光三角測距法的激光雷達原理。

激光雷達四大核心組件

激光雷達主要由激光器、接收器、信號處理單元和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)這四大核心組件構(gòu)成。

激光器：激光器是激光雷達中的激光發(fā)射機構(gòu)。在工作過程中，它會以脈沖的方式點亮。以思嵐科技的RPLIDAR A3系列雷達為例，每秒鐘，它會點亮和熄滅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，反射光線會經(jīng)由鏡頭組匯聚到接收器上。

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

旋轉(zhuǎn)機構(gòu)：以上3個組件構(gòu)成了測量的核心部件。旋轉(zhuǎn)機構(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，從而實現(xiàn)對所在平面的掃描，并產(chǎn)生實時的平面圖信息。

激光三角測距法原理

目前激光雷達的測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激光雷達的硬件要求高，但測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。

激光三角測距法主要是通過一束激光以一定的入射角度照射被測目標(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)被測物體沿激光方向發(fā)生移動時，位置傳感器上的光斑將產(chǎn)生移動，其位移大小對應(yīng)被測物體的移動距離，因此可通過算法設(shè)計，由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。

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

1、直射式激光三角測距法

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

2、斜射式激光三角測距法

當(dāng)光路系統(tǒng)中，激光入射光束與被測物體表面法線夾角小于90°時，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為被測物體距離基線無窮遠(yuǎn)處時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，則有邊長關(guān)系：

則易知

在確定系統(tǒng)的光路時，可將CCD位置傳感器的一個軸與基線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是光敏單元上單個像素的尺寸，DeviationValue是通過像素點計算的投影距離和實際投影距離x的偏差量。當(dāng)被測物體與基線AB產(chǎn)生相對位移時，x改變?yōu)閤，由以上條件可得被測物體運動距離y為：

寫在最后

無論是直射式還是斜射式激光三角測距法，均可實現(xiàn)對被測物體的高精度、非接觸測量，但直射式分辨率沒有斜射式高。思嵐科技的RPLIDAR系列激光雷達也采用了斜射式的激光三角測距法，基于思嵐科技獨有的RPVision 3.0激光測距引擎，它可進行每秒高達 16000 次的測距動作，25米的測距半徑，高達0.225°的角度分辨率。每次測距過程中，RPLIDAR系列激光雷達將發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的紅外激光信號，該激光信號在照射到目標(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 處理器實時解算，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

在電機機構(gòu)的驅(qū)動下，RPLIDAR 的測距核心將順時針旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對周圍環(huán)境的 360 度全方位掃描測距檢測。

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