物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的高精度測(cè)距方案_單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中為什么要使用單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用單點(diǎn)TOF（Time of Flight，飛行時(shí)間）激光雷達(dá)的原因主要基于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用場(chǎng)景的需求。以下是詳細(xì)的解釋?zhuān)?/p>

單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)

高精度測(cè)距：

TOF激光雷達(dá)通過(guò)測(cè)量光脈沖往返目標(biāo)的時(shí)間來(lái)計(jì)算距離，這種方法能夠提供高精度的距離數(shù)據(jù)。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，精確的距離測(cè)量是許多應(yīng)用的基礎(chǔ)，如自動(dòng)導(dǎo)航、環(huán)境建模和路徑規(guī)劃等。

抗干擾能力強(qiáng)：

由于使用主動(dòng)光源，TOF激光雷達(dá)在光源不傷害人眼的情況下，抗干擾能力相對(duì)較強(qiáng)。這意味著它可以在復(fù)雜的環(huán)境中穩(wěn)定工作，減少因外部干擾而導(dǎo)致的誤差。

成本相對(duì)較低：

相比于其他類(lèi)型的激光雷達(dá)，如相干探測(cè)激光雷達(dá)，TOF激光雷達(dá)的系統(tǒng)構(gòu)建相對(duì)簡(jiǎn)單，因此成本也相對(duì)較低。這對(duì)于大規(guī)模部署在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的設(shè)備來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的考慮因素。

探測(cè)距離靈活：

TOF激光雷達(dá)的探測(cè)距離可以根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)整光源的強(qiáng)度或接收器的靈敏度，可以實(shí)現(xiàn)從短距離到中長(zhǎng)距離的不同探測(cè)需求。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用需求

環(huán)境感知：

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)感知周?chē)h(huán)境的變化，包括障礙物的位置、形狀和大小等。單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)能夠提供精確的距離信息，幫助系統(tǒng)構(gòu)建環(huán)境的三維模型，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的環(huán)境感知。

自主導(dǎo)航：

在自動(dòng)駕駛、機(jī)器人等領(lǐng)域，自主導(dǎo)航是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要功能之一。單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)可以通過(guò)測(cè)量與周?chē)矬w的距離，為系統(tǒng)提供導(dǎo)航所需的精確位置信息，幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主避障和路徑規(guī)劃。

安全監(jiān)控：

在安全監(jiān)控領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)特定區(qū)域的安全狀況。單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)可以部署在關(guān)鍵位置，通過(guò)測(cè)量與周?chē)矬w的距離變化來(lái)檢測(cè)潛在的入侵行為或異常情況。

工業(yè)測(cè)量：

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，用于精確測(cè)量物體的位置和尺寸。

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)的原因在于其高精度測(cè)距、抗干擾能力強(qiáng)、成本相對(duì)較低以及探測(cè)距離靈活等優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)使得單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)成為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、自主導(dǎo)航和安全監(jiān)控等功能的重要工具。同時(shí)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的進(jìn)一步降低，單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用前景將更加廣闊。

本文會(huì)再為大家詳解激光雷達(dá)家族中的一員——單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)。

激光雷達(dá)介紹

激光雷達(dá)最基本的工作原理與無(wú)線(xiàn)電雷達(dá)沒(méi)有區(qū)別，即由雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)信號(hào),打到被測(cè)目標(biāo)物上，引起散射，經(jīng)目標(biāo)反射后被接收系統(tǒng)收集，通過(guò)測(cè)量反射光的運(yùn)行時(shí)間而確定目標(biāo)的距離。

至于目標(biāo)的徑向速度，可以由反射光的多普勒頻移來(lái)確定，也可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)或多個(gè)距離，并計(jì)算其變化率而求得速度，這也是直接探測(cè)型雷達(dá)的基本工作原理。激光雷達(dá)的作用就是精確測(cè)量目標(biāo)的位置（距離與角度）、形狀（大小）及狀態(tài)（速度、姿態(tài)），從而達(dá)到探測(cè)、識(shí)別、跟蹤目標(biāo)的目的。激光雷達(dá)是一種雷達(dá)系統(tǒng)，是一種主動(dòng)傳感器，所形成的數(shù)據(jù)是點(diǎn)云形式。其工作光譜段在紅外到紫外之間，主要發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、測(cè)量控制和電源組成。

如今,激光雷達(dá)已被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、無(wú)人駕駛、AR/VR、3D打印等多個(gè)領(lǐng)域,根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同,激光雷達(dá)的類(lèi)型也存在一定差異,機(jī)器人是目前激光雷達(dá)應(yīng)用最為火熱的領(lǐng)域之一。

激光雷達(dá)測(cè)距原理

1、三角測(cè)距原理

三角測(cè)距原理如上圖：

這樣就可得到物體到激光發(fā)射器的距離 d dd 了，激光雷達(dá)將這樣的發(fā)射器和接收器組裝在一起，經(jīng)過(guò)機(jī)械旋轉(zhuǎn)360°即可得到一周障礙物的距離。

2、TOF測(cè)距原理

由三角測(cè)距的計(jì)算公式不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)距離 d dd 很大時(shí)，每變化 δ d delta dδd 引起的 x xx 變化很小，導(dǎo)致精度下降，這就限制了測(cè)量范圍。

而TOF（Time of flight）原理克服了測(cè)量距離這一難點(diǎn)，并且提高了精度：

TOF原理十分簡(jiǎn)單，就是利用光速測(cè)距。首先激光發(fā)射器發(fā)射激光脈沖，計(jì)時(shí)器記錄發(fā)射時(shí)間；脈沖經(jīng)物體反射后由接收器接受，計(jì)時(shí)器記錄接受時(shí)間；時(shí)間差乘上光速即得到距離的兩倍。

TOF原理看似簡(jiǎn)單，但是實(shí)現(xiàn)起來(lái)確有很多難點(diǎn)：

計(jì)時(shí)問(wèn)題：由于光速過(guò)快，測(cè)量時(shí)間會(huì)變得很短。據(jù)網(wǎng)上數(shù)據(jù)得：1cm的測(cè)量距離對(duì)應(yīng)65ps的時(shí)間跨度。這需要計(jì)時(shí)器的精確度很高。

脈沖問(wèn)題：發(fā)射器需要發(fā)射高質(zhì)量的脈沖光，接收器接受脈沖光的時(shí)候需要盡量保持信號(hào)不失真。

對(duì)于同一距離的物體測(cè)距時(shí)，得到的回波信號(hào)可能不一樣，如下圖的黑白紙，這就需要特殊的處理方式來(lái)處理。但總的來(lái)說(shuō)TOF原理的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)三角測(cè)距，只是由于諸多難點(diǎn)導(dǎo)致成本略高。像大一立項(xiàng)時(shí)因?yàn)闆](méi)錢(qián)，所以用的三角測(cè)距的思嵐A1，精度不是很高。而ROBOCON戰(zhàn)隊(duì)里的sick激光雷達(dá)就是TOF原理，精度非常高，貴是有道理的。

單點(diǎn)激光雷達(dá)是基于TOF即時(shí)間飛行法，采用相位法實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能。產(chǎn)品發(fā)出經(jīng)調(diào)制的近紅外光，遇物體后反射，單點(diǎn)激光雷達(dá)通過(guò)計(jì)算調(diào)制紅外光的發(fā)射、反射后產(chǎn)生的相位差，來(lái)?yè)Q算與被測(cè)目標(biāo)物體之間的距離，以產(chǎn)生深度信息。

單點(diǎn)激光雷達(dá)具有IP65高防塵防水等級(jí)，抗強(qiáng)光干擾。它體積小，操作簡(jiǎn)單，能精準(zhǔn)探測(cè)快速移動(dòng)車(chē)輛，準(zhǔn)確性高達(dá)99%。單點(diǎn)激光雷達(dá)無(wú)需具備2D激光雷達(dá)的二次開(kāi)發(fā)能力，內(nèi)置獨(dú)立算法可同時(shí)測(cè)出車(chē)速、車(chē)長(zhǎng)、車(chē)寬、車(chē)高等多項(xiàng)數(shù)據(jù)，成本較低，后期維修簡(jiǎn)單，整體性?xún)r(jià)比非常高。

tof激光雷達(dá)原理

單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)選型參數(shù)

單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)的選型參數(shù)通常包括以下幾個(gè)方面：

測(cè)量范圍：這是激光雷達(dá)能夠測(cè)量的最大和最小距離。例如，某些型號(hào)可能具有20米至180米不等的測(cè)量范圍。

測(cè)量精度：指激光雷達(dá)測(cè)量距離的準(zhǔn)確度，通常以厘米為單位表示，如±3cm或±5cm。

測(cè)量頻率：即激光雷達(dá)每秒能夠進(jìn)行的測(cè)量次數(shù)，這決定了其響應(yīng)速度和數(shù)據(jù)處理能力。常見(jiàn)的測(cè)量頻率范圍從幾百Hz到幾千Hz不等。

抗環(huán)境光能力：表示激光雷達(dá)在強(qiáng)光環(huán)境下的工作能力，通常以Klux為單位表示，如100Klux。

激光束發(fā)散角和接收視場(chǎng)角：這兩個(gè)參數(shù)影響激光雷達(dá)的探測(cè)范圍和精度。發(fā)散角越小，激光束越集中；接收視場(chǎng)角越大，激光雷達(dá)能夠接收到的反射光范圍越廣。

激光波長(zhǎng)：常見(jiàn)的激光波長(zhǎng)有850nm和905nm等，不同波長(zhǎng)的激光在穿透力和反射特性上有所不同。

防護(hù)等級(jí)：表示激光雷達(dá)的防塵防水能力，如IP65等級(jí)表示設(shè)備能夠防止灰塵進(jìn)入并具有一定的防水能力。

供電電壓和功耗：這些參數(shù)決定了激光雷達(dá)的能源需求和續(xù)航能力。

通信接口：包括LVTTL、TTL、IIC、RS232、RS485等多種類(lèi)型，用于與控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)使用注意事項(xiàng)

環(huán)境評(píng)估：在使用前評(píng)估環(huán)境的光照和氣象狀況，確保激光雷達(dá)能夠在正常條件下工作。

避免遮擋：盡量選擇開(kāi)闊的測(cè)量位置，減少高墻、大樹(shù)等遮擋物的干擾。

目標(biāo)識(shí)別：確保正確識(shí)別目標(biāo)，并根據(jù)目標(biāo)表面特性選擇合適的測(cè)量模式。

固定角度：保持激光雷達(dá)與目標(biāo)之間的固定角度，避免角度變化過(guò)大導(dǎo)致測(cè)距誤差增大。

安全使用：激光雷達(dá)發(fā)出的激光束可能對(duì)眼睛和皮膚造成傷害，因此在使用時(shí)應(yīng)佩戴適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)裝備。

單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

高精度：能夠?qū)崿F(xiàn)亞毫米級(jí)的測(cè)量精度。

高速度：能夠以很高的速率進(jìn)行測(cè)量，適用于高速移動(dòng)物體的測(cè)距。

大測(cè)量范圍：測(cè)量范圍通常較大，適用于不同距離范圍內(nèi)的測(cè)量需求。

抗干擾能力強(qiáng)：對(duì)光照、顏色和表面反射性質(zhì)的影響較小。

構(gòu)造簡(jiǎn)單：由較少的光學(xué)和電子元件組成，易于制造和集成。

缺點(diǎn)：

成本較高：相對(duì)于其他測(cè)距技術(shù)，單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)的成本較高。

受多路徑干擾影響：當(dāng)光脈沖與目標(biāo)物體的反射光同時(shí)經(jīng)過(guò)多個(gè)路徑到達(dá)傳感器時(shí)，會(huì)影響測(cè)量精度。

功耗較大：在進(jìn)行高速測(cè)量時(shí)需要較大的能量消耗。

視場(chǎng)較小：只能測(cè)量單個(gè)點(diǎn)的距離，不能提供目標(biāo)物體的三維形狀信息。

單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)廠(chǎng)商

目前市場(chǎng)上有多家生產(chǎn)單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)的廠(chǎng)商，如杭州光珀智能科技有限公司、氪見(jiàn)（南京）科技有限公司、蘇州鐳智傳感科技有限公司等。這些廠(chǎng)商在激光雷達(dá)領(lǐng)域具有豐富的技術(shù)積累和產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，能夠提供高質(zhì)量的單點(diǎn)TOF激光雷達(dá)產(chǎn)品。請(qǐng)注意，以上列舉的廠(chǎng)商僅供參考，具體選擇時(shí)還需根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行評(píng)估和比較。

供應(yīng)商A：北醒（北京）光子科技

1、產(chǎn)品能力

（1）主推型號(hào)1：TFmini-I2C-01 A02

對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

產(chǎn)品功能

TFmini-I2C 是一款小型激光雷達(dá)模組。主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、無(wú)接觸式的距離測(cè)量功能，具有測(cè)量準(zhǔn)

確、穩(wěn)定、高速的特點(diǎn)。

測(cè)距原理

TFmini-I2C 基于 TOF（Time of Flight）即飛行時(shí)間原理。具體為產(chǎn)品周期性的向外發(fā)出近紅外

光調(diào)制波，調(diào)制波遇物體后反射。產(chǎn)品通過(guò)測(cè)量調(diào)制波往返相位差，得到飛行時(shí)間，再計(jì)算出產(chǎn)品

與被測(cè)目標(biāo)之間的相對(duì)距離，如圖 1 所示。

關(guān)鍵特性參數(shù)

參數(shù)名稱(chēng) 參數(shù)值

測(cè)距范圍 0.3m~12m①

測(cè)量準(zhǔn)確度 ±6cm@（0.3-6m）② ±1%@（6m-12m）

默認(rèn)距離單位 cm

距離分辨力 1cm

接收半角 1.15°

發(fā)射半角 1.5°

測(cè)量頻率 100H

2、支撐

（1）技術(shù)產(chǎn)品

技術(shù)資料

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審核編輯 黃宇