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激光雷达传感器
常见的激光雷达主要有三角测距和TOF两大类型。
1.三角测距
测量原理
如图所示，为三角测距激光雷达的原理图。首先激光发射器（Laser）发射激光，打到物体（Object）表面时，将反射至CMOS相机处，经过相机焦点与图像交于 X 1 X_1 X1。
经过相机焦点O做激光的平行线交相机成像于 X 2 X_2 X2处， X 1 X 2 X_1X_2 X1X2间距离为 x x x，相机焦距为 f f f。
易得 △ O A B ∼ △ X 1 X 2 O vartriangle OAB sim vartriangle {X_1}{X_2}O △OAB∼△X1X2O，则可以得到测量值d的表达式：
L x = d f d = f L x frac{L}{x}=frac{d}{f}\ d=ffrac{L}{x} xL=fdd=fxL
式中， f f f为CMOS相机焦距大小； L L L为激光发射器与CMOS相机间距；参量 x x x可由三角函数得到：
x = f tan α f tan β x = f sin ( α β ) sin α sin β x=frac{f}{tanalpha} frac{f}{tanbeta}\ x=ffrac{sin(alpha beta)}{sinalphasinbeta} x=tanαf tanβfx=fsinαsinβsin(α β)
其中， α alpha α为激光发射器发射角度，角度 β beta β可由相机内参矩阵计算得到。将x带入测量值表达式，进行化简：
d = L sin α sin β sin ( α β ) d=Lfrac{sinalphasinbeta}{sin(alpha beta)} d=Lsin(α β)sinαsinβ
三角测距法参量表如下：
参量 | 含义 |
|---|---|
α alpha α | 激光发射角，标定后固定 |
β beta β | 相机接收角， |
L L L | 激光发射器与相机间距离，标定后固定 |
f f f | 相机焦距，固定值 |
d d d | 激光测距值 |
x x x | 中间变量，图像上 X 1 X 2 X_1X_2 X1X2间距离 |
测量特点
采用三角测距原理制成的激光雷达传感器具有以下特点：
- 成本低、价格便宜
- 中近距离精度较高
- 远距离精度较差
- 易受干扰，一般用于室内定位
当测量物体较远，即 d d d值较大时，所引起的 x x x变化较小，精度较差。
2.飞行时间TOF
测量原理
飞行时间（Time of flight）利用光速进行测距，若激光发射器在 t 0 t_0 t0时刻发射一束激光，打到物体上并反射，在 t 1 t_1 t1时刻激光接收器接收到，则测量距离可用如下表达式计算： D = C ( t 1 − t 0 ) 2 D=Cfrac{(t_1-t_0)}{2} D=C2(t1−t0) 式中， C C C表示光速 3 × 1 0 9 m / s 3times10^9m/s 3×109m/s。
由于光速过快，对计时器精度要求高，测量精度1m对应时间精度ns；测量精度cm则对应时间精度ps。
故而，在实际应用中通常采用测量型号相位代替直接测量时间，如下图所示。
则时间可用相位差进行计算： Δ t = Δ φ 2 π f m D = C Δ t 2 = C Δ φ 4 π f m Delta t=frac{Deltavarphi}{2pi f_m}\ D=Cfrac{Delta t}{2}=Cfrac{Deltavarphi}{4pi f_m} Δt=2πfmΔφD=C2Δt=C4πfmΔφ
时间测距的参量表如下：
参量 | 含义 |
|---|---|
t 0 t_0 t0 | 激光发射时间 |
t 1 t_1 t1 | 激光接收时间 |
C C C | 光速 3 × 1 0 9 m / s 3times10^9m/s 3×109m/s |
Δ φ Deltavarphi Δφ | 激光收发波形相位差 |
D D D | 激光测距值 |
f m f_m fm | 一个周期的频率 |
测量特点
采用飞行时间原理制成的激光雷达传感器特点如下：
- 价格昂贵
- 中远距离精度高、近距离较差
- 测距范围广
- 抗干扰能力强，可用于室外定位
当测量物体较近，即 D D D值较小时，由于对计时器精度较高，故而测量精度一般。
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