常見到的激光測距傳感器所使用的原理

第十四屆智能車競賽賽道中凸顯的橫斷路障，它讓去年韓國國內(nèi)智能車競賽中參加決賽的隊伍備受困擾，同樣，它也使得今年國內(nèi)參加比賽的隊員感到苦惱。

2018年韓國全國大學生智能車競賽中的橫斷路障

成功越過橫斷路障的關(guān)鍵就是需要能夠盡可能提前檢測到它的存在，然后在路障前后的一米區(qū)內(nèi)精確繞過路障。

在繞過路障的過程中，車模不再具有賽道的導引。如果僅僅依靠車模開環(huán)控制完成繞行，則車模的軌跡就會受到賽道環(huán)境的影響，要么彎繞大了卡在旁邊的賽道路肩上，要么彎繞小了，剮蹭在路障上。

視覺檢測路障并開環(huán)繞行

為了避免繞行中厄運的發(fā)生，則需要對車模繞行路障引入反饋控制。

一種方案就是在車模上增加轉(zhuǎn)向陀螺儀和車模行進距離傳感器，這樣可以精確控制車模運行軌跡，從而能夠適應(yīng)更加復雜多變的 環(huán)境。

另一種方案就是增加路障距離傳感器，控制車模與路障之間的距離使得繞行轉(zhuǎn)彎不太大也不太小。

近期很多同學在尋找各種測距傳感器。傳統(tǒng)的超聲傳感器對于反射物體 要求比較高，面積小的物體就會測不到，測量距離誤差較大。現(xiàn)在更多同學把目光轉(zhuǎn)移到一大類基于激光的測距傳感器。

常見到的激光測距傳感器所使用的原理包括有：TOF（Time of Flight），幾何測距，結(jié)構(gòu)光方法等。

TOF測距原理和超聲波測距相似，只是它使用的是光波。由于激光定向性強，所以探測空間分辨率較高。由于它是通過測量光波從發(fā)送到接受之間的時間差來計算物體距離，所以物體表面的反射率對于測量結(jié)果影響不大。

TOF激光距離傳感器

由于半導體工藝的進步，TOF激光測距傳感器的價格也比較便宜。近期很多同學在詢問這類傳感器是否可以允許用于競賽中。

對于這類封裝比較小（集成了傳感器，處理電路和接口芯片）的模塊可以被當做整體傳感器應(yīng)用于競賽中。但需要排除 一些體積比較大并具有MCU，功能比較綜合的TOF傳感器。

TOP10120傳感器以及其中的接口芯片

TOP10120是一款TOF激光測距傳感器。它的測距結(jié)果可以通過UART，或者I2C總線輸出。測量范圍在100~1800mm，輸出結(jié)果速度最快每秒33個數(shù)據(jù)。

通過UART輸出的測量結(jié)果以及串口波形

該模塊體積比較小，價格相對比較便宜，在一個車模上可以安裝多個這樣的傳感器。所以很多同學不僅希望使用它檢測賽道中的路障，而且還希望用于信標組中，檢測信標障礙。

那么這個傳感器在使用中，究竟效果如何。對于大的路障，小的信標檢測距離有多遠。是否會受到環(huán)境光線影響，多個TOF模塊之間是否會存在干擾呢？

TOF測試接口

為了回答上面的問題，下面就通過實驗來一一驗證它。

為了更好的衡量TOF10120測量的空間分辨率和測量范圍，下面將傳感器固定在 一個小型的舵機上，然后讓舵機進行旋轉(zhuǎn)，便可以得到TOF傳感器在水平方向上的空間分辨率和檢測精度。

使用小型舵機旋轉(zhuǎn)TOF傳感器

下面是一個長度為1米左右的水平導軌，可以承載檢測物體在縱向進行移動，這樣可以測試TOF傳感器的距離精度和檢測范圍。

縱向滑軌

使用一個紅色表面的木箱作為檢測對象。放在滑軌上沿著遠離傳感器的方向移動。

在木箱在遠離方向上的每一個地點，舵機帶動TOF傳感器就左右掃描一周，可以的到在當前距離下，從不同方位所檢測到前面物體的距離。

具體結(jié)果如下圖所示。距離掃描曲線顯示TOF傳感器在空間分辨率上是很高的。

紅色物體在遠離過程中TOF掃描水平方向上所得到距離曲線

從上面動圖可以看到，隨著木箱 遠離傳感器，傳感器前面所測到近距離的范圍原來越小，同時距離數(shù)值也隨著木箱的遠離逐步增加。

當木箱移動到接近1米的時候，檢測距離曲線出現(xiàn)了很多噪聲，數(shù)據(jù)變得不可靠了。

所選的木箱底部是黑色，當黑色底部對準TOF傳感器時，可以看到當距離城廓0.5米之后，測量數(shù)據(jù)就開始具有很多的噪聲了。測距距離明顯減少。

黑色表面，檢測距離縮小到0.5米

下面三個距離掃描結(jié)果曲線分別是針對白色反射面，紅色反射面以及黑色反射面。反射物體距離TOF傳感器大約700mm。

通過對比可以看到，白色和紅色反射面所測量的結(jié)果噪聲基本相同，而黑色反射面結(jié)果中的噪聲則非常大。

白色反射面測量距離掃描結(jié)果

紅色反射面測量距離掃描結(jié)果

黑色表面距離掃描結(jié)果

因此比賽中所規(guī)定路障的顏色為紅色，利于TOF傳感器的檢測。

考慮到實際路障的尺寸是45厘米，比實驗中的木箱更大，因此，可以推測使用TOF10120傳感器檢測到路障的正面距離應(yīng)該能夠大于1米。

TOF傳感器是否可以比較可靠的檢測到信標呢?

下面使用同樣的測試方法繪制了信標燈罩在不同的距離下被TOF傳感器掃描的距離曲線。

信標燈罩在不同距離下檢測距離結(jié)果曲線

從上面結(jié)果來看，當距離超過0.7米之后，信標就基本上無法檢測到。如果再考慮到現(xiàn)場環(huán)境的影響，所以使用TOF檢測信標的距離只能在半米左右。

如果信標車模控制的好的話，比如同時使用它的四輪，完成橫向運動，半米的距離是可以靈活的躲開信標燈。

只是需要考慮到在H車模四周都安裝該激光測距傳感器。

由于得到最后一組數(shù)據(jù)的時候，已經(jīng)到了晚上，外面沒有了陽光。否則需要測試一下，在陽光下的環(huán)境中，TOF檢測距離是多遠？ 看是否能夠滿足室外越野組的避障檢測。

兩個TOF之間的相互干擾

上圖動圖顯示了兩個TOF傳感器之間的相互干擾的情況。手持一個TOF傳感器旋轉(zhuǎn)，如果碰巧照射在另外一個傳感器上，則傳感器輸出為2000，這是錯誤的檢測結(jié)果。如果TOF不是正向照射在另外一個傳感器上，它們測量結(jié)果還是正確的。

因此，在一個車模上是可以在四周同時按照多個TOF傳感器。只要注意他們之間不會相互直射即可。

在比賽中的決賽階段，如果賽道上是兩個車模同時進行運行，理論上他們上面的TOF傳感器是可能發(fā)生干擾的。不過這種干擾的幾率會很小。