成本僅100美元的激光雷達：這個(gè)項目教你零基礎DIY

從 PCB 到上位機軟件全開(kāi)源，項目中所有材料均能買(mǎi)到，不怕你做不出來(lái)。

本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202006/414358.htm

激光雷達能夠幫助機器人快速獲取其周?chē)h(huán)境信息，且具有探測范圍廣、精度高、抗干擾能力強等優(yōu)勢，是自動(dòng)駕駛汽車(chē)、掃地機器人、倉儲機器人等一系列地面自主移動(dòng)機器人的重要組成部分。然而，目前工業(yè)級激光雷達往往造價(jià)高昂，像谷歌、百度造的那些無(wú)人車(chē)，其激光雷達的造價(jià)甚至超過(guò)了車(chē)輛本身的價(jià)值，讓普通人望而卻步。即使是探測范圍僅有 25m 的單線(xiàn)激光雷達，在某寶上也賣(mài)到了千元級別。

想入坑自動(dòng)駕駛卻無(wú)法承受激光雷達高昂的價(jià)格？這個(gè)由俄羅斯的一位 Github 主近期開(kāi)源的項目也許非常適合你，讓你也能低成本自制激光雷達。

項目地址：
https://github.com/iliasam/OpenTOFLidar

效果演示

我們先來(lái)看看該項目制作完成后激光雷達的參數，這也許是大家最關(guān)心的問(wèn)題，畢竟拋開(kāi)精度談價(jià)格都是在耍流氓！

• 掃描速度：每秒 15 次

• 分辨率：大約檢測距離的 1%，但不會(huì )優(yōu)于±2 cm

• 最小檢測距離：5 cm

• 最大檢測距離：大約 25 米（白色反射平面）

• 角分辨率：0.5 度

• 掃描頻率：大約 11 kHz

• 掃描角度范圍：大約 230 度，改變相應結構還有一定提升空間

• 功率：5 V/0.1 A（也就是 0.5 瓦），剛啟動(dòng)時(shí)電壓可能會(huì )超過(guò) 0.8A

• 尺寸：50x50x120 mm

下圖為該激光雷達的 CAD 模型與成品圖。

在作者公寓的檢測效果如下圖所示

項目作者表示制作該激光雷達大零部件總成本大約只需要 114 美元，且激光發(fā)射器與接收器所使用的光學(xué)透鏡均為監控相機標準鏡頭?？吹竭@里你是不是已經(jīng)忍不住想要自己上手試一試了呢？下面我們逐一為大家道來(lái)其制作過(guò)程。

激光雷達測距原理及其制作流程

該激光雷達采用的是 TOF（Time-of-Flight）測距原理。由于之后的鏡頭選型、安裝調試與校準均涉及到 TOF 原理的知識，這里我們簡(jiǎn)要介紹一下它。

測距原理

如下圖所示，激光器發(fā)射出一系列光脈沖，遇到物體反射后被感光元件捕獲，感光元件產(chǎn)生的電信號經(jīng)過(guò)放大器后，使用運算電路捕捉其上升沿或下降沿計算出光脈沖在空中的飛行時(shí)間，結合光速即可得到被測物體距離激光雷達的距離。

TOP 測距原理示意圖（圖片來(lái)源：維基百科）

我們從 TOP 測距的原理可以看出，以下幾個(gè)因素決定了激光雷達的測量性能：

1. 環(huán)境中物體的顏色及其反射表面

由于 TOP 測距是通過(guò)計算光脈沖信號發(fā)射與接收前后的時(shí)間差來(lái)工作的，假如發(fā)射出的光脈沖被環(huán)境中物體吸收，或反射到感光元件測量范圍之外，此時(shí)激光雷達是無(wú)法收集到正確測量數據的。這里舉一個(gè)極端的，隱形戰斗機就是通過(guò)使用能夠吸收雷達的涂層以及較小的雷達反射面積來(lái)實(shí)現「隱身」的。

當然由于室內的墻大多以白色或淺色為主，大可不必擔心。需要注意的是當環(huán)境中存在鏡子或顏色較深的物體時(shí)，激光雷達的測量精度會(huì )受到較大影響。

2. 激光器與感光元件的相對位置及其鏡頭焦距

為有效捕捉到激光器發(fā)出的脈沖信號，感光元件需要安放在距離激光器合適的位置。并且需要根據測量需求，為激光器和感光元件安裝合適焦距的鏡頭。下圖為該項目中激光雷達鏡頭安裝完成后的圖片。

3. 激光信號發(fā)生器脈寬以及放大電流與運算單元分辨率

還有一個(gè)對傳感器性能影響至關(guān)重要的是激光信號發(fā)射器的脈寬，它決定了激光雷達能夠測量的最大距離。假設光速為 c = 300,000,000 m/s，當光脈沖寬度為 50 ns 時(shí)，其最遠測量距離為 7.5 m。

由于感光元件產(chǎn)生的電信號需要經(jīng)過(guò)放大處理，相應放大元件的增益、帶寬、噪聲、電源抑制比、共模抑制比、線(xiàn)性度、輸出阻抗等關(guān)鍵指標，在制作過(guò)程中也是需要考慮的因素。最后就是運算單元的分辨率，其決定著(zhù)傳感器能否準確計算出激光脈沖往返的時(shí)間差。

制作流程

首先是激光脈沖電路的制作。作者選用了價(jià)格相對便宜但功能強大的脈沖激光二極管「SPL PL90_3」，其工作在 905 nm 的波長(cháng)下，能夠產(chǎn)生高達 75 瓦功率的激光脈沖，對應驅動(dòng)電路圖如左下所示。在檢測電路部分，作者選用雪崩光電二極管（APD）作為光電探測元件，同時(shí)設計了 DC-DC 轉換器為其產(chǎn)生足夠高的偏置電壓。激光脈沖探測需要信號帶寬大且輸入電容低的運算放大器，于是作者選用 MAX3658 作為運放。該芯片專(zhuān)門(mén)設計用于光電二極管，放大倍數為 18000，帶寬為 580 MHz。此外，該芯片還包含一個(gè)內置濾波器，可削減低頻噪聲。檢測電路圖如圖所示：

脈沖激光驅動(dòng)電路圖；脈沖檢測單位電路圖。

在時(shí)間節點(diǎn)測量部分，作者選用了用于超聲波液體流量計的現成芯片 TDC-GP21。該微電路的時(shí)間分辨率為 90 ps 左右，MCU 可通過(guò) SPI 總線(xiàn)對其進(jìn)行控制。作者選用 STM32F303CBT6 作為微控制器，以實(shí)現對激光脈沖的發(fā)送與接收、測量數據讀取與校準、反光鏡電機轉速的控制以及與上位機的通訊。制作完成的 PCB 如下圖所示。

正面示意圖+背面示意圖。

在光學(xué)元件方面，選用標準的 M12 鏡頭作為激光透鏡，發(fā)散角約為 0.45 度。并選用焦距為 25 mm 的鏡頭用于感光元件，該鏡頭具有較大的光圈，能夠盡可能多地讓反射光落在光電二極管上，以獲得更高的信噪比。如果要在強光照射條件下（例如戶(hù)外）使用激光雷達，作者建議在光電二極管和透鏡之間安裝專(zhuān)為 905 nm 波長(cháng)設計的干涉濾光片。由于本項目是在室內照明條件下進(jìn)行測試，所以沒(méi)有安裝。

旋轉類(lèi)型的激光雷達有兩種方式來(lái)實(shí)現對周?chē)h(huán)境的探測，分別是通過(guò)旋轉整個(gè)測距儀或通過(guò)旋轉相對于激光雷達光軸傾斜 45 度的反射鏡來(lái)完成掃描，其對應工作方式如下圖所示。

這兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，由于第二種方法僅需旋轉反射鏡，而第一種方法需要考慮測距儀在旋轉時(shí)的供電與通信問(wèn)題，所以這里采用僅旋轉反射鏡的掃描方法。待裝好反射鏡和驅動(dòng)電機后，就完成了整個(gè)激光雷達硬件部分的制作工作。下面就可以使用項目作者提供的上位機軟件進(jìn)行調試與測量了。

上位機軟件軟件示意圖。

將激光雷達用于 SLAM 可以說(shuō)是如今比較成熟的技術(shù)，其具有精度高、速度快、抗干擾能力強等優(yōu)勢。然而目前由于其高昂的造價(jià)限制了它在民用無(wú)人駕駛領(lǐng)域的普及，哪怕是售價(jià)高達 100 余萬(wàn)人民幣的特斯拉 Model S，使用的檢測方案仍然以攝像頭為主?；蛟S此類(lèi)低成本的激光雷達開(kāi)源項目能對我們了解這一技術(shù)提供便利。