激光雷达的安装位置_激光雷达对角固定位置

三角测距激光雷达原理

激光雷达近几年越来越普及了，复杂的比如应用在无人驾驶汽车上，简单的比如用在扫地机上去。随着无人驾驶和服务机器人行业的发展，后续激光雷达的应用会更广泛。

激光雷达之所以流行，主要是因为它能够精准的测距，那么它是如何实现这样的测距功能的呢？

主流的激光雷达主要是基于两种原理的，一种是三角测距法，一种是飞行时间（TOF）法。听名字可不要觉得很复杂，其实只需要高中知识，任何人都能看懂它的测距原理！

今天咱们就先讲讲三角测距法激光雷达。

典型的三角测距原理结构如下图：

激光器Laser以一定的角度beta射出一束激光，沿激光方向距离为d的物体反射激光。

接受激光的一般是个长条的CMOS（可以看成是一个长条形的摄像头），被物体反射的激光经过“小孔成像”被Imager（即CMOS）拍摄到。

焦距是f，物体离平面的垂直距离是q，激光器和焦点间的距离是s，过焦点平行于激光方向的虚线，它跟Imager的交点位置一般是预先知道的（确定好beta就知道了），物体激光反射后成像在Imager上的点位置离该处的距离为X。

从图中很容易看出来，q,d,beta组成的三角形跟X,f组成的三角形是相似三角形，于是有：

因为f,s,beta都是预先可以已知的量，唯一需要测量的就是X，因此，测出X就测出了d，即得到物体离激光器的距离了。

从图中可以轻易的看出，如果d的距离变短了，则X就会变大，d变大了，X就变小。从Imager测出X只要计算出得到的光斑的中心即可获得距离X。

上面讲解了如何根据三角测距原理进行单点测距，可是激光雷达是360°的，怎么才能变成激光雷达呢？将单点拿去旋转即可！

将激光器和成像器固定在一起，做成一个固定的装置，然后旋转，即可获得周围360°的扫描结果了。

简述激光雷达的结构原理分类及特点？

激光雷达发射器先发射激光，经过物体（ O b j e c t ObjectObject ）反射后被 C M O S CMOSCMOS （一种图像传感器，即图中 I m a g e r ImagerImager ）捕捉，设捕捉点为 x 2 x_2x

2

。现过焦点 O OO 作一条虚线平行于入射光线，交 I m a g e r ImagerImager 于 x 1 x_1x

1

，由于 β \betaβ 已知，所以可得到 x 1 x_1x

1

的位置。记 x 1 , x 2 x_1,x_2x

1

,x

2

之间距离为 x xx，易得左右两个三角形相似，所以有：q f = s x \frac{q}{f}=\frac{s}{x}

f

q

=

x

s

，又有 s i n β = q d sin\beta=\frac{q}{d}sinβ=

d

q

，二者联立可得 d = s f x s i n β d=\frac{sf}{xsin\beta}d=

xsinβ

sf

.

这样就可得到物体到激光发射器的距离 d dd 了，激光雷达将这样的发射器和接收器组装在一起，经过机械旋转360°即可得到一周障碍物的距离。



TOF测距原理

由三角测距的计算公式不难发现，当距离 d dd 很大时，每变化 δ d \delta dδd 引起的 x xx 变化很小，导致精度下降，这就限制了测量范围。

而TOF（Time of flight）原理克服了测量距离这一难点，并且提高了精度：



TOF原理十分简单，就是利用光速测距。首先激光发射器发射激光脉冲，计时器记录发射时间；脉冲经物体反射后由接收器接受，计时器记录接受时间；时间差乘上光速即得到距离的两倍。

TOF原理看似简单，但是实现起来确有很多难点：

计时问题：由于光速过快，测量时间会变得很短。据网上数据得：1cm的测量距离对应65ps的时间跨度。这需要计时器的精确度很高。

脉冲问题：发射器需要发射高质量的脉冲光，接收器接受脉冲光的时候需要尽量保持信号不失真。

对于同一距离的物体测距时，得到的回波信号可能不一样，如下图的黑白纸，这就需要特殊的处理方式来处理。



但总的来说TOF原理的精度远远超过三角测距，只是由于诸多难点导致成本略高。像大一立项时因为没钱，所以用的三角测距的思岚A1，精度不是很高。而ROBOCON战队里的sick激光雷达就是TOF原理，精度非常高，贵是有道理的~

雷达分类

机械激光雷达

机械激光雷达使用机械部件旋转来改变发射角度，这样导致体积过大，加工困难，且长时间使用电机损耗较大。但由于机械激光雷达是最早开始研发的，所以现在成本较低，大多数无人驾驶公司使用的都是机械激光雷达。

MEMS激光雷达

MEMS全称Micro-Electro-Mechanical System，是将原本激光雷达的机械结构通过微电子技术集成到硅基芯片上。本质上而言MEMS激光雷达是一种混合固态激光雷达，并没有做到完全取消机械结构。

主要原理为：通过MEMS把机械结构集成到体积较小的硅基芯片上，并且内部有可旋转的MEMS微振镜，通过微振镜改变单个发射器的发射角度，从而达到不用旋转外部结构就能扫描的效果。

大致原理如下图：



相控阵激光雷达

两列水波干涉时会出现某处高某处低的情形：



光学相控阵原理类似干涉，通过改变发射阵列中每个单元的相位差，合成特定方向的光束。经过这样的控制，光束便可对不同方向进行扫描。雷达精度可以做到毫米级，且顺应了未来激光雷达固态化、小型化以及低成本化的趋势，但难点在于如何把单位时间内测量的点云数据提高以及投入成本巨大等问题。

动态原理图如下：





FLASH激光雷达

FLASH激光雷达原理非常简单：在短时间内发射出一大片覆盖探测区域的激光，再以高度灵敏的接收器，来完成对环境周围图像的绘制。

激光雷达的数据

分成N份

分成M份

N线点云数据

1线点云数据

时间戳

1个点云数据

点云数量M

X方向偏移量

Y方向偏移量

Z方向偏移量

反射强度

激光雷达数据的处理顺序一般为：

数据预处理（坐标转换，去噪声）

聚类（根据点云距离或反射强度）

提取聚类后的特征，根据特征进行分类等后处理工作。

激光雷达数据的处理顺序一般为：

数据预处理（坐标转换，去噪声）

聚类（根据点云距离或反射强度）

提取聚类后的特征，根据特征进行分类等后处理工作。

固态激光雷达和机械激光雷达的区别

所谓的固态激光雷达，大家普遍的认识是不旋转的就是固态激光雷达。通常分为三种，基于相控阵、Flash、MEMS三种方式实现的。

采用相控阵原理实现固态激光雷达，完全取消了机械结构，通过调节发射阵列中每个发射单元的相位差来改变激光的出射角度。光学相控阵一般都是通过电信号对其相位进行严格的控制实现光束指向扫描，因此也可以称为电子扫描技术。但也易形成旁瓣，影响光束作用距离和角分辨率，同时生产难度高。

采用3D Flash技术的固态激光雷达属于非扫描式雷达，发射面阵光，是以2维或3维图像为重点输出内容的激光雷达。虽然稳定性和成本不错，但主要问题在于探测距离较近，在技术的可靠性方面还存在问题。

而基于MEMS的固态激光雷达，是通过微振镜的方式改变单个发射器的发射角度进行扫描，由此形成一种面阵的扫描视野。目前基于MEMS方式的激光雷达，有很多的厂家在研发。MEMS相对于前两者，技术上更容易实现，且价格也比较低廉。因此被主机厂商也一致看好。

固态激光雷达有很多优势，首先其结构简单、尺寸小，由于不需要旋转部件，可以大大压缩雷达的结构和尺寸，提高使用寿命，并降低成本。其次，机械式激光雷达由于光学结构固定，适配不同车辆往往需要精密调节其位置和角度，固态激光雷达可以通过软件进行调节，大大降低了标定的难度，加快扫描速度快与精度。

不过固态激光雷达也有它相应的缺点，固态意味着激光雷达不能进行360度旋转，只能探测前方。因此要实现全方位扫描，需在不同方向布置多个固态激光雷达。另外，固态激光雷达依然无法解决极端气候下，无法施展性能的弊端。如果与全天候工作的毫米波雷达相结合的话，必然可以大大提升自动驾驶汽车的探测性能。

激光雷达测距原理

激光雷达测距的原理是什么？

激光雷达测距的基本原理是通过测量激光发射信号和激光回波信号的往返时间来计算目标的距离。首先，激光雷达发射激光束，该激光束在被障碍物击中后被反射回来并被激光接收系统接收和处理，以知道激光器发射和反射回来和接收的时间之间的时间，即飞行激光的时间。根据飞行时间，可以计算障碍物的距离。根据发射的激光信号的不同形式，激光测距方法可分为两种类型：脉冲法激光测距和相位法激光测距。

（1）脉冲方法激光测距：脉冲方法是在激光雷达发射激光束后，一部分激光被反射回障碍物，并被激光雷达的接收器接收。同时，可以在激光雷达内记录发送和接收之间的时间间隔，并且可以根据光速计算要测量的距离。

（2）相位法激光测距：相位法是由激光发射器进行强度调制的连续激光信号。在被障碍物照射后，它被反射回来。测量光束将在往返行程中产生相位变化。通过计算雷达中的激光信号和障碍物来回飞行的物体之间的相位差以及障碍物的距离被转换。

2.有哪些类型的激光雷达？

根据是否有机械旋转部件，激光雷达可分为机械激光雷达，固态激光雷达和混合固态激光雷达。 （1）机械激光雷达：机械激光雷达具有控制激光发射角度的旋转部件。它体积大，价格昂贵，并且具有相对较高的测量精度，并且通常放置在汽车的顶部。

（2）固态激光雷达：固态激光雷达依靠电子元件来控制激光发射角度。它不需要机械旋转部件，因此尺寸小，可以安装在车身中。

（3）混合固态激光雷达：混合固态激光雷达不具有大容量旋转结构，通过旋转内玻璃片实现固定激光光源改变激光束方向需要多角度检测，并采用嵌入式安装。

根据线束的数量，激光雷达可分为单线激光雷达和多线激光雷达。

（1）单光束激光雷达扫描一次只产生一条扫描线，获得的数据是2D数据，因此无法区分目标物体的3D信息。然而，由于其测量速度快，数据处理能力低，单线激光雷达被用于安全防护，地形测绘等领域。

（2）多线激光雷达一次可以产生多条扫描线。目前，市场上的多线激光雷达产品包括4线束，8线束，16线束，32线束，64线束等。适用于2.5D激光雷达和3D激光雷达。 2.5D激光雷达和3D激光雷达之间的最大区别在于激光雷达是垂直的。

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