硬核，從零制作一個激光雷達需要多久？

激光雷達（LiDAR）是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱，目前廣泛應(yīng)用在無人駕駛和掃地機器人等領(lǐng)域。這種廣泛的應(yīng)用一方面得益于激光雷達的性能提升，一方面也得益于其成本的下降。 根據(jù)掃描方式，激光雷達可分為 MEMS 型、Flash 型、相控陣型、機械旋轉(zhuǎn)型；根據(jù)線數(shù)，可分為單線型和多線型： ? 話說回來，有沒有可能自制一個激光雷達？B 站的一位硬核 UP 主「不想宅的技術(shù)宅」還真就把這個小目標(biāo)實現(xiàn)了。

UP 主用了大半年的業(yè)余時間，用一個激光測距傳感器整出了一個單線機械旋轉(zhuǎn)式激光雷達，總共包括硬件設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、FPGA 開發(fā)和 3D 打印幾個步驟。對于 UP 主來說，這不算是新的挑戰(zhàn)，只能算是「把以前學(xué)過的東西復(fù)習(xí)了一遍」： ? 雖然 UP 主很謙虛，但很多人播放完視頻之后，只能表示「不懂，但受到震撼」： ? ? 做一個激光雷達，需要哪些基本部件？ UP 主選用了一款 FPGA 開發(fā)板，主芯片為 Xilinx ZYNQ7000，板上搭載了一個最高可輸出 1080p60 幀視頻的 HDMI 接口、32 個 GPIO（通用輸入輸出接口）等其他外設(shè)。在這塊開發(fā)板上，將要完成雷達數(shù)據(jù)的采集、運算和顯示。

此外還有一個直流減速機，額定電壓為 12V，減速比為 1:30，最大輸出轉(zhuǎn)速為 300 轉(zhuǎn)每分鐘，電機尾部安裝了 500 線的光電編碼器，通過光電編碼器可以獲知輸出軸的轉(zhuǎn)動角度。

最后，還有一個激光測距傳感器，測距精度為 1cm，量程為 12m，每秒鐘可以測量 1000 次，輸出接口為串口。 ? 這些就是自制激光雷達所需要的基本部件，然后就是結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題了。 ? 結(jié)構(gòu)設(shè)計 UP 主表示，激光雷達在工作時，探頭需要連續(xù)旋轉(zhuǎn)，因此探頭和底座的信號傳輸無法用導(dǎo)線連接，否則會引發(fā)纏繞問題，他通過導(dǎo)電滑環(huán)解決了這個問題。導(dǎo)電滑環(huán)內(nèi)部是一組電刷，可以解決信號線在旋轉(zhuǎn)情況下的纏繞問題： ? 如此，激光雷達就設(shè)計好了： ?

整個激光雷達分為底座和探頭，探頭和底座通過旋轉(zhuǎn)軸進行連接，激光測距傳感器通過螺絲固定在探頭基座上。

探頭基座內(nèi)部還固定有轉(zhuǎn)子 PCB，底座部分固定有導(dǎo)電滑環(huán)、電機和定子 PCB。

在實際裝配時，電機輸出軸和導(dǎo)電滑環(huán)和旋轉(zhuǎn)中心因為誤差關(guān)系大概率不會處于同一軸心上，這里使用了一個彈性連軸器來補償軸向偏差： ? 探頭和底座之間設(shè)計了一對紅外對管，用來確定探頭轉(zhuǎn)動的初始位置： ?

至此，結(jié)構(gòu)設(shè)計就完成了。隨后將設(shè)計好的結(jié)構(gòu)件在 3D 打印軟件中添加支撐，然后切片，最后通過 3D 打印機打印出來。打印好的探頭基座、探頭蓋和底座就是這樣： ? 硬件電路設(shè)計 整體框架如圖所示，包含定子 PCB 和轉(zhuǎn)子 PCB： ? 下圖是整個電源以及隔離設(shè)計的框圖，整個電機控制部分和其他電路沒有實際的連接，電機在工作時不會干擾其他電路： ? ? 再之后是 PCB 設(shè)計： ? ? ? 一番裝配之后（此處省略一萬個步驟），激光雷達就做好了： ?

激光雷達和 FGPA 之間通過排線進行通信。在軟件設(shè)計上，分為兩部分：PS 側(cè)的嵌入式開發(fā)，以及 PL 側(cè)的 FPGA 開發(fā)，相比之下，PL 側(cè)的開發(fā)顯得比較復(fù)雜。整體框圖如下： ? 而主要的難度恰恰在于 FPGA 部分。UP 主表示：「要把雷達數(shù)據(jù)疊加在視頻數(shù)據(jù)流上，費了我不少腦細胞。」 ? 最后，看下實際運行效果 受限于激光測距傳感器測量頻率，探頭轉(zhuǎn)動一圈采集 500 個點的數(shù)據(jù)，所以激光雷達的掃描頻率只能做到 2Hz 每秒。 為了視覺效果，UP 主加上了雷達掃描線，最終實現(xiàn)的效果還是不錯的：

目前，UP 主已經(jīng)把視頻中激光雷達的結(jié)構(gòu)和 pcb 設(shè)計文件上傳到 Github 平臺，想要做一個玩玩的小伙伴可以去下載。 項目傳送門：https://github.com/Messi-xiong/LiDAR.git

審核編輯 黃宇