一文解析激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)

激光雷達(dá)是實(shí)現(xiàn)服務(wù)機(jī)器人自主行走的核心傳感器，以其精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)成為機(jī)器人定位的首選方案。它是一種以發(fā)射激光束來(lái)探測(cè)目標(biāo)位置的雷達(dá)系統(tǒng)。

以思嵐科技RPLIDAR激光雷達(dá)為例，主要由激光器、接收器、信號(hào)處理單元和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)這四大核心部件組成。

激光器：是激光雷達(dá)中的激光發(fā)射機(jī)構(gòu)。在工作過(guò)程中，它會(huì)以脈沖的方式點(diǎn)亮。以思嵐科技的RPLIDARA3系列雷達(dá)來(lái)說(shuō)，每秒鐘，它會(huì)點(diǎn)亮和熄滅16000次。

接收器：激光器發(fā)射的激光照射到障礙物以后，通過(guò)障礙物的反射，反射光線會(huì)經(jīng)由鏡頭組匯聚到接收器上。

信號(hào)處理單元：信號(hào)處理單元負(fù)責(zé)控制激光器的發(fā)射，以及接收器收到的信號(hào)的處理。根據(jù)這些信息計(jì)算出目標(biāo)物體的距離信息。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：以上3個(gè)組件構(gòu)成了測(cè)量的核心部件。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)將上述核心部件以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所在平面的掃描，并產(chǎn)生實(shí)時(shí)的平面圖信息。

RPLIDARA3內(nèi)置的測(cè)距裝置會(huì)進(jìn)行360°的全方位掃描，在運(yùn)行時(shí)，旋轉(zhuǎn)的測(cè)距裝置需要電能和傳輸數(shù)據(jù)信息，但如果采用導(dǎo)線直接連接就會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線纏繞，無(wú)法正常工作。因此，目前市面上幾乎所有的非固態(tài)激光雷達(dá)廠家都會(huì)選擇一個(gè)電旋轉(zhuǎn)連接器，俗稱“滑環(huán)”的設(shè)備來(lái)傳輸能量和數(shù)據(jù)信息。

那么，什么是滑環(huán)呢？它安裝在設(shè)備的旋轉(zhuǎn)中心，主要由轉(zhuǎn)子與定子兩大部分組成，其本質(zhì)就在于內(nèi)部有若干數(shù)量的電刷，這樣就可以使定子與轉(zhuǎn)子保持能量和信息的連通。

如圖所示，轉(zhuǎn)子上有若干數(shù)量導(dǎo)電環(huán)，定子上包含有電刷，轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，電刷始終與導(dǎo)電環(huán)接觸，保證了轉(zhuǎn)子與定子的電導(dǎo)通。

電刷傳統(tǒng)的材質(zhì)是金屬或者碳材料的電刷，在長(zhǎng)期的摩擦的情況下容易磨損導(dǎo)致接觸不良，從而無(wú)法為旋轉(zhuǎn)體正常供電或傳輸信息，這也會(huì)大大影響激光雷達(dá)的使用壽命。傳統(tǒng)的導(dǎo)電滑環(huán)在連續(xù)工作時(shí)僅有數(shù)千小時(shí)壽命。

經(jīng)過(guò)多年研發(fā)與改進(jìn)，思嵐科技推出的RPLIDAR系列激光雷達(dá)，完全放棄了導(dǎo)電滑環(huán)這個(gè)機(jī)械裝置，采用全新的光磁融合技術(shù)。這種非物理接觸的無(wú)線供電和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，徹底解決了因物理接觸機(jī)械磨損導(dǎo)致電氣連接失效、激光雷達(dá)壽命短的問(wèn)題。在連續(xù)工作情況下，思嵐RPLIDAR系列的設(shè)計(jì)使用壽命可長(zhǎng)達(dá)5年以上。并率先采用綠光與紅外光雙光譜全雙工的模式進(jìn)行信號(hào)傳輸，保證其在16K高清模式下的正常運(yùn)作。

除外觀大幅改進(jìn)外，RPLIDAR系列的性能參數(shù)也有了大幅提升，采樣頻率由5Hz提升至15Hz，這也是業(yè)內(nèi)低成本雷達(dá)最快的掃描頻率，而采樣次數(shù)由每秒4000次提高至16000次。

此外，思嵐科技采用圖像的方法進(jìn)行激光雷達(dá)傳感器的設(shè)計(jì)，即無(wú)需測(cè)量光傳輸?shù)臅r(shí)間，而是拍攝激光到達(dá)目標(biāo)物體后在攝像頭上呈現(xiàn)的畫(huà)面，根據(jù)遠(yuǎn)近不同導(dǎo)致相機(jī)畫(huà)面尺寸的變化來(lái)求得距離。同時(shí)，思嵐科技還在生產(chǎn)方面做出了努力，建立自主研發(fā)的自動(dòng)化生產(chǎn)線，在控制良品率的同時(shí)還能夠降低生產(chǎn)成本。

當(dāng)激光雷達(dá)在服務(wù)機(jī)器人身上進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用時(shí)，其可獲得更加密集的采樣點(diǎn)，可快速實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的響應(yīng)，及時(shí)進(jìn)行自主避障，在激光雷達(dá)的其他應(yīng)用領(lǐng)域，如對(duì)激光雷達(dá)進(jìn)行環(huán)境勘探、地圖構(gòu)建時(shí)，可獲得更加精細(xì)的畫(huà)面，在多媒體應(yīng)用中，超大屏幕的多點(diǎn)觸摸將會(huì)反應(yīng)更快，精度更高。