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三角测距与TOF激光雷达,你了解多少?

2019-01-23 14:13
SLAMTEC
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激光雷达广泛应用于服务机器人、无人驾驶、无人机、AGV叉车等领域,已成为众多智能设备的核心传感器,它的重要性也是不言而喻。就目前市面上的主流激光雷达产品而言,用于环境探测和地图构建的雷达,按技术路线大体可以分为两类,一类是三角测距激光雷达,另一类是TOF雷达。这两个名词相信很多人并不陌生,但是要说这两种方案从原理、性能到成本上到底孰优孰劣,以及背后的原因是什么,也许每个人都还或多或少有所疑惑。今天我们就来聊下现下大热的三角测距激光雷达及TOF激光雷达。

三角测距激光雷达与TOF激光雷达原理概述

三角法的原理如下图所示,激光器发射激光,在照射到物体后,反射光由线性CCD 接收,由于激光器和探测器间隔了一段距离,所以依照光学路径,不同距离的物体将会成像在CCD 上不同的位置。按照三角公式进行计算,就能推导出被测物体的距离。

三角测距与TOF激光雷达  你了解多少?

光看原理,是不是觉得挺简单。

然而TOF 的原理更加简单。如图2 所示,激光器发射一个激光脉冲,并由计时器记录下出射的时间,回返光经接收器接收,并由计时器记录下回返的时间。两个时间相减即得到了光的“飞行时间”,而光速是一定的,因此在已知速度和时间后很容易就可以计算出距离。

三角测距与TOF激光雷达  你了解多少?

可惜的是,要是所有事情做起来都如同想起来一样简单,那世界就太美好了。这两种方案在具体实现时都会有各自的挑战,但是相比起来,TOF 要攻克的难关显然要多得多。

TOF 雷达的实现难点主要在于:

1.首先是计时问题。在TOF 方案中,距离测量依赖于时间的测量。但是光速太快了,因此要获得精确的距离,对计时系统的要求也就变得很高。一个数据是,激光雷达要测量1cm 的距离,对应的时间跨度约为65ps。稍微熟悉电气特性的同学应该就知道这背后对电路系统意味着什么。

2.其次是脉冲信号的处理。这里面又分两个部分:

a) 一个是激光的:三角雷达里对激光器驱动几乎没什么要求,因为测量依赖的激光回波的位置,所以只需要一个连续光出射就可以了。但是TOF 却不行,不光要脉冲激光,而且质量还不能太差,目前TOF 雷达的出射光脉宽都在几纳秒左右,上升沿更是要求越快越好,因此每家产品的激光驱动方案也是有高低之分的。

b) 另一个是接收器的。一般来说回波时刻鉴别其实是对上升沿的时间鉴别,因此在对回波信号处理时,必须保证信号尽量不要失真。另外,即便信号没有失真,由于回波信号不可能是一个理想的方波,因此在同一距离下对不同物体的测量也会导致前沿的变动。比如对同一位置的白纸和黑纸的测量,可能得到如下图的两个回波信号,而时间测量系统必须测出这两个前沿是同一时刻的(因为距离是同一距离),这就需要特别的处理。

除此以外,接收端还面临着信号饱和、底噪处理等等问题,可以说困难重重。

三角测距与TOF激光雷达  你了解多少?

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