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

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

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用單點TOF（Time of Flight，飛行時間）激光雷達的原因主要基于其獨特的優(yōu)勢和應用場景的需求。以下是詳細的解釋：

單點TOF激光雷達的優(yōu)勢

高精度測距：

TOF激光雷達通過測量光脈沖往返目標的時間來計算距離，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，精確的距離測量是許多應用的基礎，如自動導航、環(huán)境建模和路徑規(guī)劃等。

抗干擾能力強：

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

成本相對較低：

相比于其他類型的激光雷達，如相干探測激光雷達，TOF激光雷達的系統(tǒng)構建相對簡單，因此成本也相對較低。這對于大規(guī)模部署在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的設備來說是一個重要的考慮因素。

探測距離靈活：

TOF激光雷達的探測距離可以根據(jù)需求進行調節(jié)，通過調整光源的強度或接收器的靈敏度，可以實現(xiàn)從短距離到中長距離的不同探測需求。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應用需求

環(huán)境感知：

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要實時感知周圍環(huán)境的變化，包括障礙物的位置、形狀和大小等。單點TOF激光雷達能夠提供精確的距離信息，幫助系統(tǒng)構建環(huán)境的三維模型，從而實現(xiàn)精準的環(huán)境感知。

自主導航：

在自動駕駛、機器人等領域，自主導航是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要功能之一。單點TOF激光雷達可以通過測量與周圍物體的距離，為系統(tǒng)提供導航所需的精確位置信息，幫助系統(tǒng)實現(xiàn)自主避障和路徑規(guī)劃。

安全監(jiān)控：

在安全監(jiān)控領域，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要實時監(jiān)測特定區(qū)域的安全狀況。單點TOF激光雷達可以部署在關鍵位置，通過測量與周圍物體的距離變化來檢測潛在的入侵行為或異常情況。

工業(yè)測量：

在工業(yè)自動化領域，用于精確測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TOF激光雷達的原因在于其高精度測距、抗干擾能力強、成本相對較低以及探測距離靈活等優(yōu)勢。這些優(yōu)勢使得單點TOF激光雷達成為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中實現(xiàn)環(huán)境感知、自主導航和安全監(jiān)控等功能的重要工具。同時，隨著技術的不斷進步和成本的進一步降低，單點TOF激光雷達在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應用前景將更加廣闊。

本文會再為大家詳解激光雷達家族中的一員——單點TOF激光雷達。

激光雷達介紹

激光雷達最基本的工作原理與無線電雷達沒有區(qū)別，即由雷達發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個信號,打到被測目標物上，引起散射，經(jīng)目標反射后被接收系統(tǒng)收集，通過測量反射光的運行時間而確定目標的距離。

至于目標的徑向速度，可以由反射光的多普勒頻移來確定，也可以測量兩個或多個距離，并計算其變化率而求得速度，這也是直接探測型雷達的基本工作原理。激光雷達的作用就是精確測量目標的位置（距離與角度）、形狀（大小）及狀態(tài)（速度、姿態(tài)），從而達到探測、識別、跟蹤目標的目的。激光雷達是一種雷達系統(tǒng)，是一種主動傳感器，所形成的數(shù)據(jù)是點云形式。其工作光譜段在紅外到紫外之間，主要發(fā)射機、接收機、測量控制和電源組成。

如今,激光雷達已被廣泛應用于機器人、無人駕駛、AR/VR、3D打印等多個領域,根據(jù)應用領域的不同,激光雷達的類型也存在一定差異,機器人是目前激光雷達應用最為火熱的領域之一。

激光雷達測距原理

1、三角測距原理

三角測距原理如上圖：

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

2、TOF測距原理

由三角測距的計算公式不難發(fā)現(xiàn)，當距離 d dd 很大時，每變化 δ d delta dδd 引起的 x xx 變化很小，導致精度下降，這就限制了測量范圍。

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

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

TOF原理看似簡單，但是實現(xiàn)起來確有很多難點：

計時問題：由于光速過快，測量時間會變得很短。據(jù)網(wǎng)上數(shù)據(jù)得：1cm的測量距離對應65ps的時間跨度。這需要計時器的精確度很高。

脈沖問題：發(fā)射器需要發(fā)射高質量的脈沖光，接收器接受脈沖光的時候需要盡量保持信號不失真。

對于同一距離的物體測距時，得到的回波信號可能不一樣，如下圖的黑白紙，這就需要特殊的處理方式來處理。但總的來說TOF原理的精度遠遠超過三角測距，只是由于諸多難點導致成本略高。像大一立項時因為沒錢，所以用的三角測距的思嵐A1，精度不是很高。而ROBOCON戰(zhàn)隊里的sick激光雷達就是TOF原理，精度非常高，貴是有道理的。

單點激光雷達是基于TOF即時間飛行法，采用相位法實現(xiàn)測距功能。產(chǎn)品發(fā)出經(jīng)調制的近紅外光，遇物體后反射，單點激光雷達通過計算調制紅外光的發(fā)射、反射后產(chǎn)生的相位差，來換算與被測目標物體之間的距離，以產(chǎn)生深度信息。

單點激光雷達具有IP65高防塵防水等級，抗強光干擾。它體積小，操作簡單，能精準探測快速移動車輛，準確性高達99%。單點激光雷達無需具備2D激光雷達的二次開發(fā)能力，內置獨立算法可同時測出車速、車長、車寬、車高等多項數(shù)據(jù)，成本較低，后期維修簡單，整體性價比非常高。

tof激光雷達原理

單點TOF激光雷達選型參數(shù)

單點TOF激光雷達的選型參數(shù)通常包括以下幾個方面：

測量范圍：這是激光雷達能夠測量的最大和最小距離。例如，某些型號可能具有20米至180米不等的測量范圍。

測量精度：指激光雷達測量距離的準確度，通常以厘米為單位表示，如±3cm或±5cm。

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

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

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

激光波長：常見的激光波長有850nm和905nm等，不同波長的激光在穿透力和反射特性上有所不同。

防護等級：表示激光雷達的防塵防水能力，如IP65等級表示設備能夠防止灰塵進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等多種類型，用于與控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。

單點TOF激光雷達使用注意事項

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

避免遮擋：盡量選擇開闊的測量位置，減少高墻、大樹等遮擋物的干擾。

目標識別：確保正確識別目標，并根據(jù)目標表面特性選擇合適的測量模式。

固定角度：保持激光雷達與目標之間的固定角度，避免角度變化過大導致測距誤差增大。

安全使用：激光雷達發(fā)出的激光束可能對眼睛和皮膚造成傷害，因此在使用時應佩戴適當?shù)姆雷o裝備。

單點TOF激光雷達優(yōu)缺點

優(yōu)點：

高精度：能夠實現(xiàn)亞毫米級的測量精度。

高速度：能夠以很高的速率進行測量，適用于高速移動物體的測距。

大測量范圍：測量范圍通常較大，適用于不同距離范圍內的測量需求。

抗干擾能力強：對光照、顏色和表面反射性質的影響較小。

構造簡單：由較少的光學和電子元件組成，易于制造和集成。

缺點：

成本較高：相對于其他測距技術，單點TOF激光雷達的成本較高。

受多路徑干擾影響：當光脈沖與目標物體的反射光同時經(jīng)過多個路徑到達傳感器時，會影響測量精度。

功耗較大：在進行高速測量時需要較大的能量消耗。

視場較?。褐荒軠y量單個點的距離，不能提供目標物體的三維形狀信息。

單點TOF激光雷達廠商

目前市場上有多家生產(chǎn)單點TOF激光雷達的廠商，如杭州光珀智能科技有限公司、氪見（南京）科技有限公司、蘇州鐳智傳感科技有限公司等。這些廠商在激光雷達領域具有豐富的技術積累和產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗，能夠提供高質量的單點TOF激光雷達產(chǎn)品。請注意，以上列舉的廠商僅供參考，具體選擇時還需根據(jù)實際需求進行評估和比較。

供應商A：北醒（北京）光子科技

1、產(chǎn)品能力

（1）主推型號1：TFmini-I2C-01 A02

對應的產(chǎn)品詳情介紹

產(chǎn)品功能

TFmini-I2C 是一款小型激光雷達模組。主要實現(xiàn)實時、無接觸式的距離測量功能，具有測量準

確、穩(wěn)定、高速的特點。

測距原理

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

光調制波，調制波遇物體后反射。產(chǎn)品通過測量調制波往返相位差，得到飛行時間，再計算出產(chǎn)品

與被測目標之間的相對距離，如圖 1 所示。

關鍵特性參數(shù)

參數(shù)名稱 參數(shù)值

測距范圍 0.3m~12m①

測量準確度 ±6cm@（0.3-6m）② ±1%@（6m-12m）

默認距離單位 cm

距離分辨力 1cm

接收半角 1.15°

發(fā)射半角 1.5°

測量頻率 100H

2、支撐

（1）技術產(chǎn)品

技術資料

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審核編輯 黃宇