【SLAM学习】(三)激光雷达原理及分类 |
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测距原理三角测距原理TOF测距原理
雷达分类机械激光雷达MEMS激光雷达相控阵激光雷达FLASH激光雷达激光雷达的数据
测距原理
三角测距原理
激光雷达发射器先发射激光,经过物体( O b j e c t Object Object )反射后被 C M O S CMOS CMOS (一种图像传感器,即图中 I m a g e r Imager Imager )捕捉,设捕捉点为 x 2 x_2 x2 。现过焦点 O O O 作一条虚线平行于入射光线,交 I m a g e r Imager Imager 于 x 1 x_1 x1 ,由于 β \beta β 已知,所以可得到 x 1 x_1 x1 的位置。记 x 1 , x 2 x_1,x_2 x1,x2 之间距离为 x x x,易得左右两个三角形相似,所以有: q f = s x \frac{q}{f}=\frac{s}{x} fq=xs ,又有 s i n β = q d sin\beta=\frac{q}{d} sinβ=dq,二者联立可得 d = s f x s i n β d=\frac{sf}{xsin\beta} d=xsinβsf. 这样就可得到物体到激光发射器的距离
d
d
d 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。 由三角测距的计算公式不难发现,当距离 d d d 很大时,每变化 δ d \delta d δd 引起的 x x x 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。![]() 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: 两列水波干涉时会出现某处高某处低的情形: 动态原理图如下: 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。 |
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